Как найти индуктивность соленоида с сердечником

Всем доброго времени суток. Сегодняшняя статья является продолжением предыдущей. Здесь продолжим рассматривать расчёт индуктивностей индуктивных элементов без сердечников. В прошлой статье я рассказал, как рассчитать индуктивность прямого провода и провода свёрнутого в кольцо (виток), в данной статье будем рассчитывать индуктивность круговых катушек, то есть поперечный профиль, которых представляет собой окружности.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Виды катушек индуктивности

Круговые катушки индуктивности являются, наверное, самыми распространёнными. В тоже время из-за разнообразия их форм существует некоторая трудность в расчёте индуктивности. Для некоторого упрощения расчёта катушки индуктивности делятся на несколько видов. Рассмотрим основные конструктивные особенности круговых катушек индуктивности

Расчёт индуктивности катушки.

Для расчёта индуктивности круговой катушки необходимо знать следующие размеры:

D₁ – внутренний диаметр, D₂ – внешний диаметр, D_ср – средний диаметр, l – длина катушки (аксиальный размер), t – толщина обмотки (радиальный размер), где t можно вычислить

Поэтому, в зависимости от соотношения между этими размерами различают следующие катушки индуктивности:

если l > D_ср – длинная катушка,

если l < D_ср – короткая катушка,

если l << D_ср – очень короткая катушка,

если l = 0 – плоская катушка,

если t ≈ D_ср – толстая катушка,

если t << D_ср – тонкая катушка,

если t = 0 – соленоид.

Особенности расчёта катушек индуктивности

Кроме конструктивных параметров, на индуктивность влияет также параметры обмоточного провода (диаметр, толщина изоляции, шаг намотки), хотя в большинстве случаев влияние их незначительно, но в некоторых случаях, например, при большом шаге намотки их следует учитывать. Поэтому общая индуктивность катушки можно представить следующим выражением

где L_Р – расчётная индуктивность;

∆L – поправка на «изоляцию», ∆L = ∆₁L + ∆₂L;

∆₁L – поправка учитывающая влияние индуктивности витков;

∆₂L – поправка учитывающая влияние взаимной индуктивности витков.

В большинстве случаев, например, при плотной намотке «виток к витку» поправка ∆L составляет несколько процентов от расчётной индуктивности L_Р, поэтому если нет необходимости в точном значении общей индуктивности L, поправку на изоляцию ∆L можно не учитывать.

Особенности расчёта круговых катушек индуктивности состоят в следующем:

1. При определении расчётной индуктивности L_P, средний диаметр принимается равным среднему диаметру реальной катушки;

2. Длина намотки l и толщина намотки t принимается равными шагу обмотки (p – шаг по длине катушки, q – шаг по толщине намотки) умноженному на количество слоёв ω в том или ином направлении

3. Если у катушки в каком-либо направлении (по длине намотки l или по толщине намотки t) имеется только один ряд (или слой), то в этом направлении размер l или t можно принять равным нулю, то есть расчёт ведётся как для соленоида или плоской катушки.

4. В некоторых случаях, при большом диаметре провода или шаге намотки у однослойных катушках размер l или t принимается равным диаметру голого провода d.

5. Так как величина поправки на взаимную индуктивность ∆₂L в несколько раз меньше, чем поправка на индуктивность витков ∆₁L, то при расчётах можно учитывать только ∆₁L.

Приступим к расчётным выражениям, в начале рассчитаем простейшие круговые катушки – соленоид и плоскую катушку.

Расчёт индуктивности соленоида

Определение индуктивности соленоида, d – диаметр соленоида, l – длина соленоида.

Соленоид представляет собой катушку, намотанную на каркас в один слой, поэтому толщину слоя можно принять равной нулю t = 0, а расчётная формула индуктивности будет иметь вид

где μ₀ – магнитная постоянная, μ₀ = 4π•10^-7 Гн/м;

ω – число витков соленоида;

d – диаметр соленоида, м;

Φ – коэффициент, который зависит от отношения α = l/D;

l – длина соленоида, м;

Поправочный коэффициент Φ зависит от отношения длины соленоида l к его диаметру d

Для длинного соленоида, то есть α > 0,75, поправочный коэффициент составит

Для короткого соленоида, то есть α < 0,75, поправочный коэффициент составит

Пример. Необходимо рассчитать соленоид диаметром d = 1 см и длиной l = 5 см, который имеет ω = 75 витков.

Стоит отметить, что формула расчёта соленоида подходит для большинства однослойных катушек с точностью в несколько процентов.

Online расчёт индуктивности соленоида

Индуктивность плоской катушки

Определение индуктивности плоской катушки, D₁ – внутренний диаметр, D₂ – внешний диаметр, D – средний диаметр, t – толщина намотки.

В данном случае в качестве плоской катушки представлена идеализированная катушка, длина намотки которой приняли равной нулю l = 0, тогда индуктивность такой катушки можно вычислить по следующей формуле

где μ₀ – магнитная постоянная, μ₀ = 4π•10^-7 Гн/м;

ω – число витков соленоида;

D – средний диаметр катушки, м;

Ψ – коэффициент, который зависит от отношения ρ = t/D­;

t – толщина намотки катушки.

Коэффициент Ψ зависит от соотношения толщины намотки t и среднего диаметра катушки D

При небольшой толщине намотки, когда ρ < 0,5

При большой толщине намотки, когда ρ > 0,5

где γ – коэффициент учитывающий соотношение внешнего и внутреннего диаметров обмотки катушки

Пример. Рассчитаем плоскую катушку со средним диаметром D = 5 см и толщиной намотки t = 1 см, состоящую из ω = 20 витков.

Выражения для индуктивности тонкой катушки позволяют рассчитать индуктивность и большинства катушек с малой длиной и большой толщиной обмоток.

Online расчёт индуктивности плоской катушки.

Индуктивность круговой катушки прямоугольного сечения

Теперь перейдём от идеализированных катушек к реальным, которые в своем сечении представляют собой прямоугольник

Индуктивность прямоугольной катушки.

Катушку прямоугольного сечения можно представить в виде соленоида с ненулевой толщиной обмотки t ≠ 0, либо в виде плоской катушки с ненулевой длиной l ≠ 0, поэтому рассчитать необходимую катушку можно либо как соленоид, либо как плоскую катушку, а затем внести поправку.

Таким образом, индуктивность прямоугольной катушки можно вычислить по следующей формуле

где L₀ – индуктивность идеальной катушки (соленоида или плоской катушки) в зависимости от α = l/D_cp;

l – длина катушки, м;

D_cp – средний диаметр катушки, м;

∆ — поправка на форму катушки.

В принципе реальную катушку индуктивности, в зависимости от отношения длины намотки l к среднему диаметру D_cp, можно разделить на несколько типов:

1. Длинная катушка, у которой α > 0,75.

2. Короткая катушка, имеющая α < 0,75 и γ < 1.

3. Очень короткая катушка, имеет α << 1 и γ > 1.

где

Рассмотрим каждый случай по отдельности.

Индуктивность длинной катушки

Длинная катушка.

Для длинной катушки (α > 0,75) величина L₀ рассчитывается также как для длинного соленоида, где l – длина соленоида, D_cp – средний диаметр соленоида, а значение поправки ∆ вычисляется по следующему выражению

где α – коэффициент, учитывающий отношение длины катушки l к её среднему диаметру D_CP;

γ – коэффициент, учитывающий отношение толщины намотки t к длине намотки l;

ρ – коэффициент, учитывающий отношение толщины намотки t к её среднему диаметру D_CP.

где D₁ – внутренний диаметр, D₂ – внешний диаметр.

Пример. Рассчитаем индуктивность катушки длиной l = 10 см, средним диаметром D_CP = 2 см, количеством витков ω = 100 и толщиной намотки t = 5 мм.

Индуктивность короткой катушки

Короткая катушка.

Для короткой катушки (α < 0,75, t < l) величина L₀ рассчитывается также как для короткого соленоида, где l – длина соленоида, D_СР – средний диаметр соленоида, а значение поправки ∆ вычисляется по следующему выражению

где α – коэффициент, учитывающий отношение длины катушки l к её среднему диаметру D_CP;

γ – коэффициент, учитывающий отношение толщины намотки t к длине намотки l;

Пример. Рассчитаем индуктивность катушки длиной l = 1 см, средним диаметром D_СР = 2 см, толщиной намотки t = 5 мм, количеством витков ω = 50.

Индуктивность очень короткой катушки

Очень короткая катушка.

Для очень короткой катушки (α << 1, t > l) величина L₀ рассчитывается также как для плоской катушки, где t – толщина намотки, D_cp – средний диаметр катушки, а значение поправки ∆ вычисляется по следующему выражению

где α – коэффициент, учитывающий отношение длины катушки l к её среднему диаметру D_CP;

γ – коэффициент, учитывающий отношение толщины намотки t к длине намотки l, γ < 1;

ρ – коэффициент, учитывающий отношение толщины намотки t к её среднему диаметру D_CP.

Пример. Рассчитаем индуктивность катушки длиной l = 5 мм, средним диаметром D_CP = 7 см, намотка толщиной t = 1 см, количество витков ω = 150.

Online расчёт индуктивности круговой катушки прямоугольного сечения.

Расчёт поправки на собственную индуктивность витков

Как я писал в начале статьи, полная индуктивность катушки L состоит из расчётной индуктивности L_P и поправки на изоляцию ∆L, которая в свои очередь состоит из поправки на собственную индуктивность витков ∆₁L и поправки на взаимную индуктивность витков ∆₂L

Данные поправки зависят от взаимного расположения витков в катушке. Для провода круглого сечения возможны следующие варианты заполнения катушки

Расположение провода круглого сечения в катушке индуктивности. s – диаметр провода с изоляцией, s_p – диаметр голого провода (без изоляции), p – шаг намотки по длине катушки, q – шаг намотки по толщине катушки.

В общем случае поправка на собственную индуктивность витков рассчитывается по следующему выражению

где μ₀ – магнитная постоянная, μ₀ = 4π•10^-7 Гн/м;

ω – число витков соленоида;

D_СР – средний диаметр катушки, м;

I – коэффициент, зависящий от расположения витков катушки.

Коэффициент I определяется в зависимости от расположения провода, варианты которого изображены на рисунке выше.

Для варианта а), провод намотан с небольшим коэффициентом заполнения

где s – диаметр провода с изоляцией, s_p – диаметр голого провода (без изоляции).

Для варианта б), провод намотан с большим коэффициентом заполнения

где s – диаметр провода с изоляцией, s_p – диаметр голого провода (без изоляции).

Для варианта в), провод намотан с шагом p по длине катушки и с шагом q по толщине катушки

где s – диаметр провода с изоляцией, s_p – диаметр голого провода (без изоляции).

Для варианта г), провод намотан в один слой по длине катушки с шагом p. В зависимости от способа вычисления расчётной индуктивности L_P

— если при вычислении расчётной индуктивности L_P толщина намотки t принята равной диаметру голого провода s_P, то коэффициент I будет равен

— если при вычислении расчётной индуктивности L_P толщина намотки t принята равной нулю (расcчитывалась как соленоид), то коэффициент I будет равен

где p – шаг намотки по длине катушки, s_p – диаметр голого провода (без изоляции).

Для варианта д), провод намотан в один слой по толщине намотки с шагом q, также возможно два случая

— если при вычислении расчётной индуктивности L_P длина намотки l принята равной диаметру голого провода s_P, то коэффициент I будет равен

— если при вычислении расчётной индуктивности L_P длина намотки l принята равной нулю (рассчитывалась как плоская катушка), то коэффициент I будет равен

где q – шаг намотки по толщине катушки, s_p – диаметр голого провода (без изоляции).

Расчёт поправки на взаимную индуктивность витков

В общем случае поправка на взаимную индуктивность витков ∆₂L катушки определяется выражением

где μ₀ – магнитная постоянная, μ₀ = 4π•10^-7 Гн/м;

ω – число витков соленоида;

D_СР – средний диаметр катушки, м;

J – коэффициент, зависящий формы катушки и от числа витков катушки.

1. Для катушки выполненной в один слой по длине катушки (соленоид):

а) при определении расчётной индуктивности L_P толщина намотки t принята равной шагу намотки р, то коэффициент J составит

где ω – количество витков катушки.

б) при определении расчётной индуктивности L_P толщина намотки t принята равной нулю (рассчитывается как соленоид), то коэффициент J составит

где ω – количество витков катушки.

2. Для катушки, выполненной в один слой по толщине намотки (плоская катушка):

а) при определении расчётной индуктивности L_P длина катушки l принята равной шагу намотки р, то коэффициент J составит

где ω – количество витков катушки.

б) при определении расчётной индуктивности L_P длина катушки l принята равной нулю (рассчитывается как плоская катушка), то коэффициент J составит

где ω – количество витков катушки.

На сегодня всё. В следующей статье я закончу с индуктивными элементами без сердечников.

Индуктивность соленоида

Соленоид —
длинная, тонкая катушка, то есть катушка,
длина которой намного больше, чем её
диаметр (также в дальнейших выкладках
здесь подразумевается, что толщина
обмотки намного меньше, чем диаметр
катушки). При этих условиях и без
использования магнитного материала
плотность магнитного потока внутри
катушки является фактически постоянной
и (приближенно) равна

где − магнитная
постоянная, −
число витков, −
ток и −
длина катушки. Пренебрегая краевыми
эффектами на концах соленоида, получим^[16],
что потокосцепление через катушку равно
плотности потока ,
умноженному на площадь поперечного
сечения и
число витков :

Отсюда
следует формула для индуктивности
соленоида (без сердечника):

Если
катушка внутри полностью заполнена
магнитным материалом (сердечником), то
индуктивность отличается на
множитель  — относительную
магнитную проницаемость^[17]сердечника:

В
случае, когда ,
можно (следует) под S понимать
площадь сечения сердечника и пользоваться
данной формулой даже при толстой намотке,
если только полная площадь сечения
катушки не превосходит площади сечения
сердечника во много раз.

Более точные формулы для соленоида конечного размера

Для
однослойного (с очень тонкой намоткой)
соленоида конечных размеров (не бесконечно
длинного) существуют более точные, хотя
и более сложные формулы^[18]:

где

 —
количество витков,

 —
радиус цилиндра,

 —
длина его образующей,

,

,

 — Эллиптические
интегралы.

Это
дает

• для 

• для 

1. Трансформатор.
   Энергия магнитного поля. Основы теории
   Максвелла. Уравнения Максвелла в
   интегральной форме.

1. Электрический
   колебательный контур. Затухающие
   электромагнитные колебания. Вынужденные
   электромагнитные колебания. Явление
   резонанса

Колебательный
контур — осциллятор,
представляющий собой электрическую
цепь,
содержащую соединённые катушку
индуктивности и конденсатор.
В такой цепи могут
возбуждаться колебания тока (и напряжения).

Колебательный
контур — простейшая система, в которой
могут происходить свободные электромагнитные колебания

Резонансная
частота контура
определяется так называемой формулой
Томсона:

Принцип действия

Пусть
конденсатор ёмкостью C заряжен
до напряжения . Энергия,
запасённая в конденсаторе составляет

При
соединении конденсатора с катушкой
индуктивности, в цепи потечёт ток ,
что вызовет в катушке электродвижущую
силу (ЭДС) самоиндукции,
направленную на уменьшение тока в цепи.
Ток, вызванный этой ЭДС (при отсутствии
потерь в индуктивности) в начальный
момент будет равен току разряда
конденсатора, то есть результирующий
ток будет равен нулю. Магнитная энергия
катушки в этот (начальный) момент равна
нулю.

Затем
результирующий ток в цепи будет
возрастать, а энергия из конденсатора
будет переходить в катушку до полного
разряда конденсатора. В этот момент
электрическая энергия конденсатора .
Магнитная же энергия, сосредоточенная
в катушке, напротив, максимальна и равна

,
где  — индуктивность катушки,  —
максимальное значение тока.

После
этого начнётся перезарядка конденсатора,
то есть заряд конденсатора напряжением
другой полярности. Перезарядка будет
проходить до тех пор, пока магнитная
энергия катушки не перейдёт в электрическую
энергию конденсатора. Конденсатор, в
этом случае, снова будет заряжен до
напряжения .

В
результате в цепи возникают колебания,
длительность которых будет обратно
пропорциональна потерям энергии в
контуре.

В
общем, описанные выше процессы в
параллельном колебательном контуре
называются резонанс
токов,
что означает, что
через индуктивность и ёмкость протекают
токи, больше тока проходящего через
весь контур, причем эти токи больше в
определённое число раз, которое
называется добротностью.
Эти большие токи не покидают пределов
контура, так как они противофазны и сами
себя компенсируют. Стоит также заметить,
что сопротивление параллельного
колебательного контура на резонансной
частоте стремится к бесконечности (в
отличие от последовательного колебательного
контура, сопротивление которого на
резонансной частоте стремится к нулю),
а это делает его незаменимым фильтром.

Стоит
заметить, что помимо простого колебательного
контура, есть ещё колебательные контуры
первого, второго и третьего рода, что
учитывают потери и имеют другие
особенности.

Вынужденными
электромагнитными колебаниями называют
периодические изменения силы тока и
напряжения в электрической цепи,
происходящие под действием переменной
ЭДС от внешнего источника. Внешним
источником ЭДС в электрических цепях
являются генераторы переменного тока,
работающие на электростанциях.

Принцип
действия генератора переменного тока
легко показать при рассмотрении
вращающейся рамки провода в магнитном
поле.

В
однородное магнитное поле с индукцией
В помещаем прямоугольную рамку,
образованную проводниками (abсd).

Пусть
плоскость рамки перпендикулярна индукции
магнитного поля В и ее площадь равна S.

Магнитный
поток в момент времени t₀ =
0 будет равен Ф = В*8.

При
равномерном вращении рамки вокруг оси
OO₁ с
угловой скоростью w магнитный поток,
пронизывающий рамку, будет изменяться
с течением времени по закону:

Изменение
магнитного потока возбуждает в рамке
ЭДС индукцию, равную

где
Е₀=
ВSw — амплитуда ЭДС.

Если
с помощью контактных колец и скользящих
по ним щеток соединить концы рамки с
электрической цепью, то под действием
ЭДС индукции, изменяющейся со временем
по гармоническому закону, в электрической
цепи возникнут вынужденные гармонические
колебания силы тока — переменный
ток.

На
практике синусоидальная ЭДС возбуждается
не путем вращения рамки в магнитном
поле, а путем вращения магнита или
электромагнита (ротора) внутри статора
— неподвижных обмоток, навитых на
сердечники из магнитомягкого материала.
В этих обмотках находится переменная
ЭДС, что позволяет избежать снятия
напряжения с помощью контактных колец. 

Явление
резонанса
относится к наиболее важным с практической
точки зрения свойствам электрических
цепей. Оно заключается в том, что
электрическая
цепь, имеющая реактивные элементы
обладает чисто резистивным сопротивлением.

Общее
условие резонанса
для любого двухполюсника можно
сформулировать в виде Im[Z]=0
или Im[Y]=0,
где Z
и Y
комплексное сопротивление и проводимость
двухполюсника. Следовательно, режим
резонанса полностью определяется
параметрами электрической цепи и не
зависит от внешнего воздействия на нее
со стороны источников электрической
энергии.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Способы расчёта

Существует несколько основных способов определить индуктивность катушки. Все формулы, которые будут использоваться в расчётах, легко можно найти в справочной литературе или интернете. Весь процесс вычисления довольно простой и не составит труда для людей, имеющих элементарные математические и физические знания.

Через силу тока

Этот расчёт считается самым простым способом определения индуктивности катушки. Формула через силу тока вытекает из самого термина. Какова индуктивность катушки — можно определить по формуле: L=Ф/I, где:

• L — индуктивность контура (в генри);
• Ф — величина магнитного потока, измеряемого в веберах;
• I — сила тока в катушке (в амперах).

Соленоид конечной длины

Соленоид представляет собой тонкую длинную катушку, где толщина обмотки значительно меньше диаметра. В этом случае расчёты ведутся по той же формуле, что и через силу тока, только величина магнитного потока будет определяться следующим образом: Ф=µ0NS/l, где:

• µ0 — магнитная проницаемость среды, определяющаяся по справочным таблицам (для воздуха, который принимается по умолчанию в большинстве расчётов, она равна 0,00000126 генри/метр);
• N — количество витков в катушке;
• S — площадь поперечного сечения витка, измеряемая в квадратных метрах;
• l — длина соленоида в метрах.

Коэффициент самоиндукции соленоида можно рассчитать и исходя из способа определения энергии магнитного потока поля. Это более простой вариант, но он требует наличия некоторых величин. Формула для нахождения индуктивности — L=2W/I 2 , где:

• W — энергия магнитного потока, измеряемая в джоулях;
• I — сила тока в амперах.

Катушка с тороидальным сердечником

В большинстве случаев тороидальная катушка наматывается на сердечник, изготовленный из материала, обладающего большой магнитной проницаемостью. В этом случае для расчётов индуктивности можно использовать формулу для прямого соленоида бесконечной длины. Она имеет такой вид: L=N µ0 µS/2 πr, где:

• N — число витков катушки;
• µ — относительная магнитная проницаемость;
• µ0 — магнитная постоянная;
• S — площадь сечения сердечника;
• π — математическая постоянная, равная 3,14;
• r — средний радиус тора.

Длинный проводник

Большинство таких квазилинейных проводников имеет круглое сечение. В этом случае величина коэффициента самоиндукции будет определяться по стандартной формуле для приближённых расчётов: L= µ0l (µelnl/r+ µi/4)/2 π. Здесь используются следующие обозначения:

• l — длина проводника в метрах;
• r — радиус сечения провода, измеряемый в метрах;
• µ0 — магнитная постоянная;
• µi — относительная магнитная проницаемость, характерная для материала, из которого изготовлен проводник;
• µe — относительная магнитная проницаемость внешней среды (чаще всего принимается значение для вакуума, которое равняется 1);
• π — число Пи;
• ln — обозначение логарифма.

Одновитковой контур и катушка

Индуктивность контура, представляющего виток провода, зависит от величины протекающего тока и магнитного потока, пронизывающего контур. Для индуктивности контура формула определяет параметр, соответственно, через поток и силу тока:

L=Ф/I.

Ослабление магнитного потока из-за диамагнитных свойств окружающей среды снижает индуктивность.

Параметр для многовитковой катушки пропорционален квадрату количества витков, поскольку увеличивается не только магнитный поток от каждого витка, но и потокосцепление:

L=L1∙N2.

Для того чтобы рассчитать индуктивность катушки формула должна учитывать не только количество витков, но и тип намотки и геометрические размеры.

Что такое индуктивность

Этим термином обозначают зависимость, которая устанавливается между силой тока в проводнике (I) и созданным магнитным потоком (Ф):

L = Ф/ I.

С учетом базового определения несложно понять зависимость индуктивности от свойств окружающей среды, оказывающей влияние на распределение силовых линий. Определенное значение имеют размеры и конфигурация проводящего элемента.

Индуктивность подобна механической инерции. Только в данном случае речь идет о действиях с электрическими величинами. Этим коэффициентом характеризуют способность рассматриваемого компонента противодействовать изменению проходящего через него тока.

ЭДС индукции

Разберемся детально, что такое понятие ЭДС индукции. При помещении в магнитное поле проводника и его движении с пересечением силовых линий поля, в проводнике появляется электродвижущая сила под названием ЭДС индукции. Также она возникает, если проводник остается в неподвижном состоянии, а магнитное поле перемещается и пересекается с проводником силовыми линиями.

Когда проводник, где происходит возникновение ЭДС, замыкается на вешнюю цепь, благодаря наличию данной ЭДС по цепи начинает протекать индукционный ток. Электромагнитная индукция предполагает явление индуктирования ЭДС в проводнике в момент его пересечения силовыми линиями магнитного поля.

Электромагнитная индукция являет собой обратный процесс трансформации механической энергии в электроток. Данное понятие и его закономерности широко используются в электротехнике, большинство электромашин основывается на данном явлении.

Применение катушек в технике

Явление электромагнитной индукции известно уже давно и широко применяется в технике. Примеры использования:

• сглаживание пульсаций и помех, накопление энергии;
• создание магнитных полей в различных устройствах;
• фильтры цепей обратной связи;
• создание колебательных контуров;
• трансформаторы (устройство из двух катушек, связанных индуктивно);
• силовая электротехника использует для ограничения тока при к. з. на ЛЭП (катушки индуктивности, называются реакторами);
• ограничение тока в сварочных аппаратах — катушки индуктивности делают его работу стабильнее, уменьшая дугу, что позволяет получить ровный сварочный шов, имеющий наибольшую прочность;
• применение катушек в качестве электромагнитов различных исполнительных механизмов;
• обмотки электромагнитных реле;
• индукционные печи;
• установление качества железных руд, исследование горных пород при помощи определения магнитной проницаемости минералов.

Соленоид

Соленоид отличается от обычной катушки по двум признакам:

• Длина обмотки превышает диаметр в несколько раз;
• Толщина обмотки меньше диаметра катушки также в несколько раз.

Соленоидальный тип катушки

Параметры соленоида можно узнать из такого выражения:

L=µ0N2S/l,

где:

• µ0 – магнитная постоянная;
• N – количество витков;
• S – площадь поперечного сечения обмотки;
• l – длина обмотки.

Важно! Приведенное выражение справедливо для соленоида без сердечника. В противном случае необходимо дополнительно внести множитель µ, который равен магнитной проницаемости сердечника

Чем большую магнитную проницаемость будет иметь сердечник, тем больше увеличится итоговое значение.

ÐагниÑное поле

ЭÑо ÑловоÑоÑеÑание знакомо нам Ñо ÑколÑной ÑкамÑи. Ðо многие Ñже забÑли о Ñом, ÑÑо оно ознаÑаеÑ. ХоÑÑ ÐºÐ°Ð¶Ð´Ñй из Ð½Ð°Ñ Ð¿Ð¾Ð¼Ð½Ð¸Ñ, ÑÑо магниÑное поле ÑпоÑобно воздейÑÑвоваÑÑ Ð½Ð° пÑедмеÑÑ, пÑиÑÑÐ³Ð¸Ð²Ð°Ñ Ð¸Ð»Ð¸ оÑÑÐ°Ð»ÐºÐ¸Ð²Ð°Ñ Ð¸Ñ. Ðо, помимо ÑÑого, Ñ Ð½ÐµÐ³Ð¾ еÑÑÑ Ð¸ дÑÑгие оÑобенноÑÑи: напÑимеÑ, магниÑное поле Ð¼Ð¾Ð¶ÐµÑ Ð²Ð¾Ð·Ð´ÐµÐ¹ÑÑвоваÑÑ Ð½Ð° ÑлекÑÑиÑеÑки заÑÑженнÑе обÑекÑÑ, а ÑÑо знаÑиÑ, ÑÑо ÑлекÑÑиÑеÑÑво и магнеÑизм ÑеÑно ÑвÑÐ·Ð°Ð½Ñ Ð¼ÐµÐ¶Ð´Ñ Ñобой, и одно Ñвление Ð¼Ð¾Ð¶ÐµÑ Ð¿Ð»Ð°Ð²Ð½Ð¾ пеÑеÑекаÑÑ Ð² дÑÑгое. УÑÑнÑе понÑли ÑÑо доÑÑаÑоÑно давно и поÑÑÐ¾Ð¼Ñ ÑÑали назÑваÑÑ Ð²Ñе ÑÑи пÑоÑеÑÑÑ Ð²Ð¼ÐµÑÑе одним Ñловом — «ÑлекÑÑомагниÑнÑе Ñвлениѻ. Ðа Ñамом деле ÑлекÑÑомагнеÑизм — доволÑно инÑеÑеÑÐ½Ð°Ñ Ð¸ еÑÑ Ð½Ðµ до конÑа изÑÑÐµÐ½Ð½Ð°Ñ Ð¾Ð±Ð»Ð°ÑÑÑ Ñизики. Ðна оÑÐµÐ½Ñ Ð¾Ð±ÑиÑна, и Ñе знаниÑ, ÑÑо Ð¼Ñ Ð¼Ð¾Ð¶ÐµÐ¼ здеÑÑ Ð¸Ð·Ð»Ð¾Ð¶Ð¸ÑÑ Ð²Ð°Ð¼, — ÑÑо оÑÐµÐ½Ñ Ð¼Ð°Ð»Ð°Ñ ÑаÑÑÑ Ñого, ÑÑо извеÑÑно ÑеловеÑеÑÑÐ²Ñ Ð¾ магнеÑизме ÑегоднÑ.

Ð ÑейÑÐ°Ñ Ð¿ÐµÑейдÑм непоÑÑедÑÑвенно к пÑедмеÑÑ Ð½Ð°Ñей ÑÑаÑÑи. СледÑÑÑий Ñаздел бÑÐ´ÐµÑ Ð¿Ð¾ÑвÑÑÑн ÑаÑÑмоÑÑÐµÐ½Ð¸Ñ Ð½ÐµÐ¿Ð¾ÑÑедÑÑвенно ÑÑÑÑойÑÑва каÑÑÑки индÑкÑивноÑÑи.

«Катушка ниток»

Катушка индуктивности представляет собой намотанную изолированную медную проволоку на твердое основание. Что касается изоляции, то выбор материала широк – это и лак, и проводная изоляция, и ткань. Величина магнитного потока зависит от площади цилиндра. Если увеличить ток в катушке, то магнитное поле будет становиться все больше и наоборот.

Если подать электрический ток на катушку, то в ней возникнет напряжение, противоположное напряжению тока, но оно внезапно исчезает. Такого рода напряжение называется электродвижущей силой самоиндукции. В момент включения напряжения на катушку сила тока меняет свое значение от 0 до некоего числа. Напряжение в этот момент тоже меняет значение, согласно закону Ома:

I = U : R,

где I характеризует силу тока, U – показывает напряжение, R – сопротивление катушки.

Еще одной особенной чертой катушки является следующий факт: если разомкнуть цепь «катушка – источник тока», то ЭДС добавится к напряжению. Ток тоже вначале вырастет, а потом пойдет на спад. Отсюда вытекает первый закон коммутации, в котором говорится, что сила тока в катушке индуктивности мгновенно не меняется.

Катушку можно разделить на два вида:

1. С магнитным наконечником. В роли материала сердца выступают ферриты и железо. Сердечники служат для повышения индуктивности.
2. С немагнитным. Используются в случаях, когда индуктивность не больше пяти миллиГенри.

Устройства различаются и по внешнему виду, и внутреннему строению. В зависимости от таких параметров находится индуктивность катушки. Формула в каждом случае разная. Например, для однослойной катушки индуктивность будет равна:

L = 10µ0ΠN2R2 : 9R + 10l.

А вот уже для многослойной другая формула:

L= µ0N2R2 :2Π(6R + 9l + 10w).

Основные выводы, связанные с работой катушек:

1. На цилиндрическом феррите самая большая индуктивность возникает в середине.
2. Для получения максимальной индуктивности необходимо близко наматывать витки на катушку.
3. Индуктивность тем меньше, чем меньше количество витков.
4. В тороидальном сердечнике расстояние между витками не играет роли катушки.
5. Значение индуктивности зависит от «витков в квадрате».
6. Если последовательно соединить индуктивности, то их общее значение равно сумме индуктивностей.
7. При параллельном соединении нужно следить, чтобы индуктивности были разнесены на плате. В противном случае их показания будут неправильными за счет взаимного влияния магнитных полей.

Основные формулы для вычисления вектора МИ

Вектор магнитной индукции, формула которого B = Fm/I*∆L, можно находить, применяя другие математические вычисления.

Закон Био-Савара-Лапласа

Описывает правила нахождения B→ магнитного поля, которое создаёт постоянный электроток. Это экспериментально установленная закономерность. Био и Савар в 1820 году выявили её на практике, Лапласу удалось сформулировать. Этот закон является основополагающим в магнитостатике. При практическом опыте рассматривался неподвижный провод с малым сечением, через который пропускали электроток. Для изучения выбирался малый участок провода, который характеризовался вектором dl. Его модуль соответствовал длине рассматриваемого участка, а направление совпадало с направлением тока.

Интересно. Лаплас Пьер Симон предложил считать током даже движение одного электрона и на этом утверждении, с помощью данного закона, доказал возможность определения МП продвигающегося точечного заряда.

Согласно этому физическому правилу, каждый сегмент dl проводника, по которому протекает электрический ток I, образовывает в пространстве вокруг себя на промежутке r и под углом α магнитное поле dB

dB = µ0 *I*dl*sin α /4*π*r2,

где

• dB – магнитная индукция, Тл;
• µ0 = 4 π*10-7 – магнитная постоянная, Гн/м;
• I – сила тока, А;
• dl – отрезок проводника, м;
• r – расстояние до точки нахождения магнитной индукции, м;
• α – угол, образованный r и вектором dl.

Важно! Согласно закону Био-Савара-Лапласа, суммируя векторы магнитных полей отдельных секторов, можно определить МП нужного тока. Оно будет равно векторной сумме

Закон Био-Савара-Лапласа

Существуют формулы, описывающие этот закон для отдельных случаев МП:

• поля прямого перемещения электронов;
• поля кругового движения заряженных частиц.

Формула для МП первого типа имеет вид:

В = µ* µ0*2*I/4*π*r.

Для кругового движения она выглядит так:

В = µ*µ0*I/4*π*r.

В этих формулах µ – это магнитная проницаемость среды (относительная).

Рассматриваемый закон вытекает из уравнений Максвелла. Максвелл вывел два уравнения для МП, случай, где электрическое поле постоянно, как раз рассматривают Био и Савар.

Принцип суперпозиции

Для МП существует принцип, согласно которому общий вектор магнитной индукции в определённой точке равен векторной сумме всех векторов МИ, созданных разными токами в данной точке:

B→= B1→+ B2→+ B3→… + Bn→

Принцип суперпозиции

Теорема о циркуляции

Изначально в 1826 году Андре Ампер сформулировал данную теорему. Он разобрал случай с постоянными электрическими полями, его теорема применима к магнитостатике. Теорема гласит: циркуляция МП постоянного электричества по любому контуру соразмерна сумме сил всех токов, которые пронизывают этот контур.

Стоит знать! Тридцать пять лет спустя Д. Максвелл обобщил это утверждение, проведя параллели с гидродинамикой.

Другое название теоремы – закон Ампера, описывающий циркуляцию МП.

Математически теорема записывается следующим образом.

Математическая формула теоремы о циркуляции

где:

• B→– вектор магнитной индукции;
• j→ – плотность движения электронов.

Это интегральная форма записи теоремы. Здесь в левой части интегрируют по некоторому замкнутому контуру, в правой части – по натянутой поверхности на полученный контур.

Магнитный поток

Одна из физических величин, характеризующих уровень МП, пересекающего любую поверхность, – магнитный поток. Обозначается буквой φ и имеет единицу измерения вебер (Вб). Эта единица характерна для системы СИ. В  СГС магнитный поток измеряется в максвеллах (Мкс):

108 Мкс = 1 Вб.

Магнитный поток φ определяет величину МП, пронизывающую определённую поверхность. Поток φ зависит от угла, под которым поле пронизывает поверхность, и силы поля.

Формула для расчёта имеет вид:

φ = |B*S| = B*S*cosα,

где

• В – скалярная величина градиента магнитной индукции;
• S – площадь пересекаемой поверхности;
• α – угол, образованный потоком Ф и перпендикуляром к поверхности (нормалью).

Внимание! Поток Ф будет наибольшим, когда B→ совпадёт с нормалью по направлению (угол α = 00). Аналогично Ф = 0, когда он проходит параллельно нормали (угол α = 900)

Магнитный поток

Вектор магнитной индукции, или магнитная индукция, указывает направление поля. Применяя простые методы: правило буравчика, свободно ориентирующуюся магнитную стрелку или контур с током в магнитном поле, можно определить направление действия этого поля.

ÐÐ¸Ð´Ñ ÐºÐ°ÑÑÑек

Ðо ÑÑнкÑионалÑноÑÑи ÑазлиÑаÑÑ ÐºÐ¾Ð½ÑÑÑнÑе каÑÑÑки, наÑодÑÑие пÑименение в ÑадиоÑизике, каÑÑÑки ÑвÑзи, иÑполÑзÑемÑе в ÑÑанÑÑоÑмаÑоÑаÑ, и ваÑиомеÑÑÑ, Ñо еÑÑÑ ÐºÐ°ÑÑÑки, показаÑели коÑоÑÑÑ Ð¼Ð¾Ð¶Ð½Ð¾ ваÑÑиÑоваÑÑ Ð¸Ð·Ð¼ÐµÐ½ÐµÐ½Ð¸ÐµÐ¼ взаимного ÑаÑÐ¿Ð¾Ð»Ð¾Ð¶ÐµÐ½Ð¸Ñ ÐºÐ°ÑÑÑек.

Также ÑÑÑеÑÑвÑÐµÑ Ñакой вид каÑÑÑек, как дÑоÑÑели. ÐнÑÑÑи ÑÑого клаÑÑа Ñакже еÑÑÑ Ð´ÐµÐ»ÐµÐ½Ð¸Ðµ на обÑÑнÑе и ÑдвоеннÑе. Ðни имеÑÑ Ð²ÑÑокое ÑопÑоÑивление пеÑÐµÐ¼ÐµÐ½Ð½Ð¾Ð¼Ñ ÑÐ¾ÐºÑ Ð¸ оÑÐµÐ½Ñ Ð½Ð¸Ð·ÐºÐ¾Ðµ — поÑÑоÑнномÑ, благодаÑÑ ÑÐµÐ¼Ñ Ð¼Ð¾Ð³ÑÑ ÑлÑжиÑÑ ÑоÑоÑим ÑилÑÑÑом, пÑопÑÑкаÑÑим поÑÑоÑннÑй Ñок и задеÑживаÑÑим пеÑеменнÑй. СдвоеннÑе дÑоÑÑели оÑлиÑаÑÑÑÑ Ð±Ð¾Ð»ÑÑей ÑÑÑекÑивноÑÑÑÑ Ð¿Ñи болÑÑÐ¸Ñ ÑÐ¾ÐºÐ°Ñ Ð¸ ÑаÑÑоÑÐ°Ñ Ð¿Ð¾ ÑÑÐ°Ð²Ð½ÐµÐ½Ð¸Ñ Ñ Ð¾Ð±ÑÑнÑми.

Основные уравнения

Поскольку вектор магнитной индукции является одной из основных фундаментальных физических величин в теории электромагнетизма, он входит в огромное множество уравнений, иногда непосредственно, иногда через связанную с ним напряжённость магнитного поля. По сути, единственная область в классической теории электромагнетизма, где он отсутствует, это пожалуй разве только чистая электростатика.

(Здесь формулы приведем в СИ, в виде для вакуума, где есть варианты для вакуума — для среды; запись в другом виде и подробности — см. по ссылкам).

В магнитостатике

В магнитостатическом пределе наиболее важными являются:

• Закон Био — Савара — Лапласа: играет в магнитостатике ту же роль, что закон Кулона в электростатике:

  B→(r→)=μ4π∫L1I(r→1)dL1→×(r→−r→1)|r→−r→1|3,{displaystyle {vec {B}}left({vec {r}}right)={mu _{0} over 4pi }int limits _{L_{1}}{frac {Ileft({vec {r}}_{1}right){vec {dL_{1}}}times left({vec {r}}-{vec {r}}_{1}right)}{left|{vec {r}}-{vec {r}}_{1}right|^{3}}},}

  B→(r→)=μ4π∫j→(r→1)dV1×(r→−r→1)|r→−r→1|3,{displaystyle {vec {B}}left({vec {r}}right)={mu _{0} over 4pi }int {frac {{vec {j}}left({vec {r}}_{1}right)dV_{1}times left({vec {r}}-{vec {r}}_{1}right)}{left|{vec {r}}-{vec {r}}_{1}right|^{3}}},}

• Теорема Ампера о циркуляции магнитного поля:

  ∮∂S⁡B→⋅dl→=μIS≡μ∫Sj→⋅dS→,{displaystyle oint limits _{partial S}{vec {B}}cdot {vec {dl}}=mu _{0}I_{S}equiv mu _{0}int limits _{S}{vec {j}}cdot {vec {dS}},}

  rotB→≡∇→×B→=μj→.{displaystyle mathrm {rot} ,{vec {B}}equiv {vec {nabla }}times {vec {B}}=mu _{0}{vec {j}}.}

В общем случае

Основные уравнения (классической) электродинамики общего случая (то есть независимо от ограничений магнитостатики), в которых участвует вектор магнитной индукции B→{displaystyle {vec {B}}}:

Три из четырех уравнений Максвелла (основных уравнений электродинамики)

divE→=ρε,   rotE→=−∂B→∂t{displaystyle mathrm {div} ,{vec {E}}={frac {rho }{varepsilon _{0}}}, mathrm {rot} ,{vec {E}}=-{frac {partial {vec {B}}}{partial t}}}

divB→=,    rotB→=μj→+1c2∂E→∂t{displaystyle mathrm {div} ,{vec {B}}=0, ,mathrm {rot} ,{vec {B}}=mu _{0}{vec {j}}+{frac {1}{c^{2}}}{frac {partial {vec {E}}}{partial t}}}

а именно:

Закон отсутствия монополя:

divB→=,{displaystyle mathrm {div} ,{vec {B}}=0,}

Закон электромагнитной индукции Фарадея:

rotE→=−∂B→∂t,{displaystyle mathrm {rot} ,{vec {E}}=-{frac {partial {vec {B}}}{partial t}},}

Закон Ампера — Максвелла:

rotB→=μj→+1c2∂E→∂t.{displaystyle mathrm {rot} ,{vec {B}}=mu _{0}{vec {j}}+{frac {1}{c^{2}}}{frac {partial {vec {E}}}{partial t}}.}

Формула силы Лоренца:

F→=qE→+qv→×B→,{displaystyle {vec {F}}=q{vec {E}}+qleft,}

Следствия из неё, такие как

Выражение для силы Ампера, действующей со стороны магнитного поля на ток (участок провода с током)

dF→=Idl→×B→,{displaystyle d{vec {F}}=left,}

dF→=j→dV×B→,{displaystyle d{vec {F}}=left,}

выражение для момента силы, действующего со стороны магнитного поля на магнитный диполь (виток с током, катушку или постоянный магнит):

M→=m→×B→,{displaystyle {vec {M}}={vec {m}}times {vec {B}},}

выражение для потенциальной энергии магнитного диполя в магнитном поле:

U=−m→⋅B→,{displaystyle U=-{vec {m}}cdot {vec {B}},}

• а также следующих из них выражения для силы, действующей на магнитный диполь в неоднородном магнитном поле и т. д..
• Выражение для силы, действующей со стороны магнитного поля на точечный магнитный заряд:

F→=Kqmr→r3.{displaystyle {vec {F}}=K{frac {q_{m}{vec {r}}}{r^{3}}}.}

(это выражение, точно соответствующее обычному закону Кулона, широко используется для формальных вычислений, для которых ценна его простота, несмотря на то, что реальных магнитных зарядов в природе не обнаружено; также может прямо применяться к вычислению силы, действующей со стороны магнитного поля на полюс длинного тонкого магнита или соленоида).

Выражение для плотности энергии магнитного поля

w=B22μ{displaystyle w={frac {B^{2}}{2mu _{0}}}}

Оно в свою очередь входит (вместе с энергией электрического поля) и в выражение для энергии электромагнитного поля и в лагранжиан электромагнитного поля и в его действие. Последнее же с современной точки зрения является фундаментальной основой электродинамики (как классической, так в принципе и квантовой).

Вариометр

Что такое катушка, показано выше на простых примерах. На практике для обозначения однотипных групп применяют специфическую терминологию. Вариометром, например, называют деталь с переменной индуктивностью. В типовой конструкции применяют две катушки, установленные одна внутри другой. Необходимый результат получают регулировкой взаимного положения функциональных компонентов. Для перемещения применяют ручной привод или автоматизированный механизм с внешней схемой управления.

К сведению. Не следует путать определения. Мультипликаторная катушка, например, – это приспособление для рыбной ловли. Такое устройство будет обладать индуктивностью при наматывании лески из проводящего материала. Однако в радиотехнических схемах подобные устройства не используют.

Мультипликаторные катушки

Особенности других конструкций:

• Дроссель обеспечивает высокое сопротивление цепи переменному току, поэтому такой пассивный индуктивный элемент часто применяют для создания фильтров. При подключении к сети питания 220В/ 50 Гц используют железные сердечники. При повышении частоты – ферритовые аналоги.
• Контурные катушки магнитные устанавливают в комбинации с конденсаторами для создания схем с определенной полосой пропускания.
• Электрическим реактором называют крупные конструкции, которые применяют в силовых сетях.
• Сдвоенные катушки применяют для разделения цепей по постоянной составляющей.

Токовый реактор ограничивает сильный ток, предотвращает развитие аварийной ситуации при КЗ

Выше отмечены типовые области применения элементов с индуктивными характеристиками. Они пригодны для создания фильтров, ограничения тока и разделения цепи прохождения постоянных и переменных составляющих сигнала. Магнитное поле катушки с током распространяется в пространстве. Чтобы предотвратить паразитное воздействие, отдельные компоненты размещают на достаточном расстоянии.

ÐÑÑоÑиÑ

ÐагнеÑизм наÑÐ¸Ð½Ð°ÐµÑ ÑÐ²Ð¾Ñ Ð¸ÑÑоÑÐ¸Ñ ÐµÑÑ Ñ ÐÑевнего ÐиÑÐ°Ñ Ð¸ ÐÑевней ÐÑеÑии. ÐÑкÑÑÑÑй в ÐиÑае магниÑнÑй железнÑк иÑполÑзовалÑÑ Ñогда в каÑеÑÑве ÑÑÑелки компаÑа, ÑказÑваÑÑей на ÑевеÑ. ÐÑÑÑ ÑпоминаниÑ, ÑÑо киÑайÑкий импеÑаÑÐ¾Ñ Ð¸ÑполÑзовал его во вÑÐµÐ¼Ñ Ð±Ð¸ÑвÑ.

Ðднако вплоÑÑ Ð´Ð¾ 1820 года магнеÑизм ÑаÑÑмаÑÑивалÑÑ Ð»Ð¸ÑÑ ÐºÐ°Ðº Ñвление. ÐÑÑ ÐµÐ³Ð¾ пÑакÑиÑеÑкое пÑименение бÑло заклÑÑено в Ñказании ÑÑÑелки компаÑа на ÑевеÑ. Ðднако в 1820 Ð³Ð¾Ð´Ñ Ð­ÑÑÑед пÑовÑл Ñвой опÑÑ Ñ Ð¼Ð°Ð³Ð½Ð¸Ñной ÑÑÑелкой, показÑваÑÑий влиÑние ÑлекÑÑиÑеÑкого Ð¿Ð¾Ð»Ñ Ð½Ð° магниÑ. ЭÑÐ¾Ñ Ð¾Ð¿ÑÑ Ð¿Ð¾ÑлÑжил ÑолÑком Ð´Ð»Ñ Ð½ÐµÐºÐ¾ÑоÑÑÑ ÑÑÑнÑÑ, взÑвÑиÑÑÑ Ð·Ð° ÑÑо вÑеÑÑÑз, ÑÑÐ¾Ð±Ñ ÑазÑабоÑаÑÑ ÑеоÑÐ¸Ñ Ð¼Ð°Ð³Ð½Ð¸Ñного полÑ.

СпÑÑÑÑ Ð²Ñего 11 леÑ, в 1831 годÑ, ФаÑадей оÑкÑÑл закон ÑлекÑÑомагниÑной индÑкÑии и ввÑл в обиÑод Ñизиков понÑÑие «Ð¼Ð°Ð³Ð½Ð¸Ñное поле». Ðменно ÑÑÐ¾Ñ Ð·Ð°ÐºÐ¾Ð½ поÑлÑжил оÑновой Ð´Ð»Ñ ÑÐ¾Ð·Ð´Ð°Ð½Ð¸Ñ ÐºÐ°ÑÑÑек индÑкÑивноÑÑи, о коÑоÑÑÑ ÑÐµÐ³Ð¾Ð´Ð½Ñ Ð¸ пойдÑÑ ÑеÑÑ.

РпÑежде Ñем пÑиÑÑÑпиÑÑ Ðº ÑаÑÑмоÑÑÐµÐ½Ð¸Ñ Ñамого ÑÑÑÑойÑÑва ÑÑÐ¸Ñ ÐºÐ°ÑÑÑек, оÑвежим в голове понÑÑие магниÑного полÑ.

Общие сведения

Для того чтобы понять, от чего зависит индуктивность катушки, необходимо подробно изучить всю информацию об этой физической величине. Первым делом следует рассмотреть принятое международное обозначение параметра, его назначение, характеристики и единицы измерения.

Первая буква фамилии другого знаменитого физика — Эмилия Ленца — была взята в качестве обозначения индуктивности в формулах и при проведении расчётов. В наше время символ L продолжает использоваться при упоминании этого параметра.

Выдающийся американский физик Джозеф Генри первым обнаружил явление индуктивности. В его честь физики назвали единицу измерения в международной СИ, которая чаще всего используется в расчётах. В других системах (гауссова и СГС) индуктивность измеряют в сантиметрах. Для упрощения вычислений было принято соотношение, в котором 1 см равняется 1 наногенри. Очень редко используемая система СГСЭ оставляет коэффициент самоиндукции без каких-либо единиц измерения или использует величину статгенри. Она зависит от нескольких параметров и приблизительно равняется 89875520000 генри.

Среди основных свойств индуктивности выделяются:

1. Величина параметра никогда не может быть меньше нуля.
2. Показатель зависит только от магнитных свойств сердечника катушки, а также от геометрических размеров контура.

Свойства магнетизма

Магнитное поле, как и любое другое физическое явление на Земле, имеет свои характеристики:

1. Источник возникновения – движущиеся электрические заряды.
2. Индукция магнитного поля – основная силовая его характеристика, которая существует в каждой отдельной его точке и является направленной.
3. Его влияние ограничивается магнитами, движущимися зарядами и проводниками тока.
4. Оно разделяется учеными на два типа: постоянное и переменное.
5. Человек без специальных приборов не может почувствовать воздействие магнетизма.
6. Это электродинамическое явление, ведь источник его происхождения – движущиеся частицы электрического тока. И только такие же частицы могут быть подвержены влиянию магнитного поля.
7. Траектория движения заряженных частиц может быть лишь перпендикулярной.

Линии магнитной индукции

Сама индукция магнитного поля характеризуется определенным направлением, представляющим собой линии, отображаемые графически. Эти линии, также получили название магнитных линий, или линий магнитных полей. Так же, как и магнитная индукция, ее линии имеют собственное определение. Они представляют собой линии, к которым проведены касательные во всех точках поля. Эти касательные и вектор магнитной индукции совпадают между собой.

Однородное магнитное поле отличается параллельными линиями магнитной индукции, совпадающими с направлением вектора во всех точках.

Если же магнитное поле является неоднородным, произойдет изменение вектора электромагнитной индукции в каждой пространственной точке, расположенной вокруг проводника. Касательные, проведенные к этому вектору, приведут к созданию концентрических окружностей вокруг проводника. Таким образом, в данном случае, линии индукции будут выглядеть в виде расширяющихся окружностей.

Материал сердечника

Как и в предыдущем примере, для вычисления индукции катушки с сердечником в представленные выше формулы добавляют множитель относительной магнитной проницаемости «m

L = m0 * m * N2 * (S/l) = m0 * m * n2 * V.

С помощью этого коэффициента учитывают ферромагнитные свойства определенного материала.

Если для примера взять бесконечный (очень длинный) прямой провод с круглым сечением, то он будет обладать определенной индуктивностью:

L = (m0/2π) * l *(mc * ln(l/r) +1/4m,

где:

• mc – магнитная проницаемость (относительная) среды;
• r – радиус, который намного меньше длины (l) проводника.

Однако простые зависимости действуют только до определенной частоты. С определенного уровня волны малой длины начинают распространяться в поверхностной части проводников (скин-эффект). Дополнительно приходится учитывать влияние вихревых составляющих, экранирующих излучение и меняющих силовые параметры поля.

Современные магнитные материалы

Катушка будет работать в точном соответствии с расчетом, если правильно подобраны все функциональные компоненты конструкции. Как показано выше, существенное значение имеют параметры сердечника. Ниже отмечены важные особенности соответствующих материалов:

• Сталь с низким содержанием примесей стоит недорого. Ее рекомендуется применять в цепях постоянного тока, так как при повышении частоты значительно увеличиваются потери.
• В специальные сорта (трансформаторную сталь) добавляют кремний. Для уменьшения вредного влияния поверхностных эффектов сердечник собирают из пластин. Однако и такие решения не следует использовать при частоте более 1 кГц.
• Сплавы из железа с никелем отличаются увеличенной магнитной проницаемостью. Рабочий диапазон – до 80-120 кГц.
• Порошковые материалы создают со слоем диэлектрика на поверхностях отдельных микроскопических гранул. Они хорошо приспособлены для работы с высокочастотными сигналами, однако не обладают большой магнитной проницаемостью.
• Ферриты – это материалы, созданные на основе керамических компонентов. Они отличаются хорошими техническими характеристиками, малыми потерями. Следует учитывать значительную зависимость от температуры, а также ухудшение рабочих параметров при длительной эксплуатации.

Измерение индуктивности катушки, созданной из медного провода на ферритовом сердечнике

Как найти активную, реактивную и полную мощность

Активная мощность относится к энергии, которая необратимо расходуется источником за единицу времени для выполнения потребителем какой-либо полезной работы. В процессе потребления, как уже было отмечено, она преобразуется в другие виды энергии.

В цепи переменного тока значение активной мощности определяется, как средний показатель мгновенной мощности за установленный период времени. Следовательно, среднее значение за этот период будет зависеть от угла сдвига фаз между током и напряжением и не будет равной нулю, при условии присутствия на данном участке цепи активного сопротивления. Последний фактор и определяет название активной мощности. Именно через активное сопротивление электроэнергия необратимо преобразуется в другие виды энергии.

При выполнении расчетов электрических цепей широко используется понятие реактивной мощности. С ее участием происходят такие процессы, как обмен энергией между источниками и реактивными элементами цепи. Данный параметр численно будет равен амплитуде, которой обладает переменная составляющая мгновенной мощности цепи.

Существует определенная зависимость реактивной мощности от знака угла ф, отображенного на рисунке. В связи с этим, она будет иметь положительное или отрицательное значение. В отличие от активной мощности, измеряемой в ваттах, реактивная мощность измеряется в вар – вольт-амперах реактивных. Итоговое значение реактивной мощности в разветвленных электрических цепях представляет собой алгебраическую сумму таких же мощностей у каждого элемента цепи с учетом их индивидуальных характеристик.

Основной составляющей полной мощности является максимально возможная активная мощность при заранее известных токе и напряжении. При этом, cosф равен 1, когда отсутствует сдвиг фаз между током и напряжением. В состав полной мощности входит и реактивная составляющая, что хорошо видно из формулы, представленной выше. Единицей измерения данного параметра служит вольт-ампер (ВА).

Что такое активная и реактивная электроэнергия, мощность

Как найти реактивную мощность

Активное и реактивное сопротивление

Компенсация реактивной мощности в электрических сетях

Активное и индуктивное сопротивление кабелей – таблица

Онлайн калькулятор расчета тока по мощности

ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ИНДУКТИВНОСТИ СОЛЕНОИДА

Цель работы —
определение индуктивности соленоида по его сопротивлению переменному току.

Приборы и
принадлежности: исследуемый соленоид, звуковой генератор, электронный
осциллограф, миллиамперметр переменного тока, соединительные провода.

Явление самоиндукции. Индуктивность

Явление электромагнитной индукции наблюдается во всех
случаях, когда изменяется магнитный поток, пронизывающий проводящий контур. В
частности, если электрический ток течет в проводящем контуре, то он создает
пронизывающий этот контур магнитный поток Ф.

При изменении силы тока I в любом контуре изменяется и
магнитный поток Ф, вследствие этого в контуре возникает электродвижущая сила
(ЭДС) индукции, которая вызывает дополнительный ток (рис. 1, где 1 —
проводящий замкнутый контур, 2 — силовые линии магнитного поля, создаваемого
током контура). Это явление называется самоиндукцией,
а дополнительный ток, вызываемый ЭДС самоиндукции, – экстратоком самоиндукции.

Явление самоиндукции наблюдается в любой замкнутой электрической
цепи, в которой протекает элетрический ток, при замыкании или размыкании этой
цепи.

Рассмотрим, от чего зависит величина ЭДС ε_s самоиндукции.
Магнитный поток Ф, пронизывающий замкнутый проводящий контур, пропорционален
магнитной индукции В магнитного поля, создаваемого током, протекающим в
контуре, а индукция В пропорциональна силе тока.

Рис. 1

Тогда магнитный поток Ф пропорционален силе тока, т.е.

Ф = L · I,                                            (1)

где L — индуктивность контура, Гн
(Генри).

Из (1) получим

L =
Ф/I .                                              (2)

Индуктивностью контура
L называется скалярная физическая величина, равная отношению магнитного
потока Ф, пронизывающего данный контур, к величине силы тока, текущего в
контуре.

Генри — это индуктивность такого контура, в котором при силе тока в 1А
возникает магнитный поток 1Вб, т.е. 1 Гн = 1.

Согласно закону электромагнитной индукции

.                                                    (3)

Подставляя (1) в (3), получим ЭДС самоиндукции:

.                                                  (4)

Формула (4) справедлива при L=const.

Опыт показывает, что при увеличении индуктивности L в
электрической цепи сила тока в цепи увеличивается постепенно (см. рис. 2), а
при уменьшении L сила тока уменьшается так же медленно (рис. 3).

Сила тока в электрической цепи при замыкании изменяется по
закону , а при размыкании – по закону .

Кривые изменения силы тока показаны на рис. 2 и 3.

Рис. 2                                     Рис.3

Индуктивность контура зависит от формы, размеров и
деформации контура, от магнитного состояния среды, в которой находится
контур, а также от других факторов.

Найдем индуктивность соленоида. Соленоид — это цилиндрическая трубка, изготовленная из
немагнитного непроводящего материала, на которую плотно, виток к витку,  намотана тонкая металлическая проводящая
проволока. На рис. 4 показан разрез соленоида вдоль цилиндрической трубки по
диаметру (1 — силовые линии магнитного поля).

Рис. 4

Длина l соленоида намного
больше, чем диаметр d,
т.е.
l>> d. Если l< d, то соленоид можно рассматривать как
короткую катушку.

Диаметр тонкой проволоки намного меньше, чем диаметр соленоида. Для
увеличения индуктивности внутрь соленоида помещают ферромагнитный сердечник с
магнитной проницаемостью μ. Если l>>d, то при протекании
тока внутри соленоида возбуждается однородное магнитное поле, индукция
которого определяется формулой

В=μ_о μnI,                                                   (5)

где μ_о = 4π·10^-7 Гн/м – магнитная
постоянная; n = N/l – число витков единицы длины соленоида; N – число витков соленоида.

Вне соленоида магнитное поле практически равно нулю.
Поскольку соленоид имеет N витков,
то полный магнитный поток ψ
(потокосцепление), пронизывающий поперечное сечение S соленоида, равен

Ψ = NФ = NВS,                                         (6)

где Ф = BS – поток, пронизывающий один виток соленоида.

Подставляя (5) в (6) и с учётом того, что N = nl,
получим

Ψ = μ_о μn² lSI .                                          (7)

С другой стороны,

Ψ = LI .                                                      (8)

Сравнивая (7) и (8), получим

L = μ_о μn²
lS = μ_о μS.                                     (9)

Площадь сечения соленоида равна

.                                          (10)

С учётом (10) формула (9) запишется в виде

L = μ_о
μ.                                 (11)

Определить индуктивность соленоида можно, подключив
соленоид в электрическую цепь переменного тока с частотой ω. Тогда
полное сопротивление (импеданс) определится формулой

,                                (12)

Если в электрической цепи
отсутствует конденсатор, т.е. электроёмкость цепи мала, то х_с<< х_L и формула (12) будет иметь вид

 .                                            (13)

Тогда закон Ома для переменного
тока запишется в виде

,                                           (14)

где I_m , U_m –
амплитудные значения силы тока и напряжения.

Так как ω = 2πν, где ν
– частота колебаний переменного тока, то (14) примет вид

.                                       (15)

Из (15) получим рабочую формулу
для определения индуктивности:

.                                          (16)

Ход работы

Для выполнения работы собрать цепь по схеме рис. 5.

1. Установить на звуковом генераторе частоту колебаний,
указанную преподавателем.

2. Измерить с помощью осциллографа амплитуду напряжения U_m и частоту .

3. С помощью миллиамперметра определить действующее
значение силы тока в цепи ; пользуясь соотношением  и решая его
относительно I_e,
определить амплитуду тока в цепи.

Рис. 5

4. Данные занести в таблицу.

Таблица

6. По формуле (16) рассчитать
индуктивность соленоида.

7. По формуле (11) рассчитать проверочное значение
индуктивности соленоида, исходя из его геометрии и числа витков.

Справочные данные: активное сопротивление соленоида
R = 56 Ом; длина
соленоида l = 40 см; диаметр соленоида
d = 2 см;
число витков соленоида N = 2000.

Рекомендуемая частота переменного тока .

Вопросы для допуска к работе

1.     
Сформулируйте цель работы.

2.     
Дайте определение индуктивности?

3.     
Какова единица измерения индуктивности?

4.   Запишите
рабочую формулу для определения индуктивности соленоида.

Вопросы для защиты работы

1. Получите формулу для определения индуктивности
соленоида, исходя из его геометрических размеров и числа витков.

2. Что называется импедансом?

3. Как связаны между собой максимальное и действующее
значения силы тока и напряжения в цепи переменного тока?

4. Выведите рабочую формулу индуктивности соленоида.

5. Опишите явление самоиндукции.

6. Каков физический смысл индуктивности?

Содержание:

Индуктивность и ее расчет:

Основным соотношением для магнитного поля является принцип непрерывности магнитного потока:

На рис. 1.12, а и б проиллюстрировано различие между потоком и
потокосцеплением, причем число линий в условном масштабе равно
величине потока.

Индукция измеряется в тесла (тл), магнитный поток и потокосцепление — в веберах (вб).
Индуктивность уединенного контура, равная отношению потокосцепления к току:

пропорциональна магнитной проницаемости среды, в которой он находится, и определяется конфигурацией контура. Единицей индуктивности является генри (гн).
Для расчета индуктивности контура необходимо предварительно рассчитать его магнитное поле по основному соотношению — закону полного тока:

устанавливающему связь между напряженностью магнитного поля и полным током I — алгебраической суммой токов, сцепляющихся с путем интегрирования. При этом положительное направление тока I связано с направлением dI обхода правилом правого винта.
Напряженность магнитного поля измеряется в а/м, магнитная проницаемость — в гн/м.
Если потокосцепление контура изменяется во времени, то в контуре появляется э. д. с. индукции е, величина и направление которой определяется законом электромагнитной индукции:

где Е — вектор напряженности наведенного в контуре электрического поля.
Таким образом, закон электромагнитной индукции связывает между собой изменение магнитного поля с возникающим электрическим полем.
Максвеллом было постулировано обобщение этого закона, заключающееся в том, что электрическое поле возникает при изменении магнитного поля в любой среде, а не только в проводящем контуре.

Закон электромагнитной индукции, открытый Фарадеем в 1831 г., был дополнен Ленцем в 1832— 1834 гг. Им было установлено общее правило: з. д. с. индукции всегда стремится создать ток, направленный так, чтобы препятствовать изменению потока, сцепляющегося с контуром.
При изменении тока в контуре изменяется потокосцепление ψ_L созданное этим током, и в контуре наводится э. д. с. самоиндукции

Индуктивность тороида и соленоида

Если на кольцевой сердечник — тороид, выполненный из материала проницаемостью µ > µ₀, нанести обмотку не по всей его длине (рис. 1.13), то только часть потока проходит по сердечнику, остальная часть — поток рассеяния — замыкается в воздухе. Тороид же, содержащий витки, плотно и равномерно распределенные по всей длине сердечника (рис. 1.14), замечателен тем, что практически весь магнитный поток сосредоточивается в сердечнике, т. е. потока рассеяния нет. Линии вектора напряженности поля представляют собой окружности, сцепляющиеся со всеми витками. Ввиду симметрии напряженность поля в каждой точке окружности по величине постоянна; по направлению она совпадает с касательной к окружности.

Тороиды широко применяются в трансформаторах, магнитных усилителях и электроизмерительных приборах.

Пусть тороид имеет прямоугольное сечение высотой Н, с радиусами г₁ и г₂, магнитная проницаемость материала µ.

По закону полного тока для окружности с радиусом

откуда

т. е. напряженность поля убывает по мере приближения к наружному краю тороида. Это в равной мере относится и к индукции

Поток в сердечнике тороида

а потокосцепление

Отсюда индуктивность тороида

Если расчет вести для средней линии I и приближенно считать поле в тороиде распределенным равномерно, то напряженность

где w₀ — число витков на единицу длины, а магнитный поток и индуктивность, соответственно,

Обычно в реальных тороидах отношение что приводит при этих приближенных формулах к погрешности, не превышающей 1,2 %. Последняя формула для индуктивности может быть применена и к длинному соленоиду, рассматриваемому как часть тороида бесконечно большого радиуса. Для соленоида конечной длины µ=µ₀

где k < 1 — коэффициент, учитывающий, что в таком соленоиде не весь поток пронизывает все витки.

Как показывает точный расчет, этот коэффициент зависит от отношения диаметра D катушки к ее длине I (рис. 1.15). При = 0,1 коэффициент k — 0,96, поэтому при < 0 ,1 приближенно принимают k = 1.

Индуктивность двухпроводной линии

Двухпроводная линия (рис. 1.16, а) состоит из двух параллельных проводов одинакового радиуса г₀, имеющих большую длину I по сравнению с расстоянием d между ними. Магнитная проницаемость материала проводов (г, окружающей среды — µ₀. Токи I в прямом и обратном проводах отличаются лишь направлением; начало координат взято в центре сечения левого провода.

Для отдельного провода ввиду его осевой симметрии, при пренебрежении искажением поля у его концов, применение закона полного тока к окружности радиуса дает:

При интегрировании по окружности, лежащей внутри отдельного провода охватывается лишь часть L_Х всего тока, протекающая внутри круга радиуса х, равная при равномерном распределении тока по сечению

В воздухе между проводами на линии, соединяющей центры их сечений направления полей, создаваемых обоими токами согласно правилу правого винта, совпадают и напряженности поля и индукции складываются:

Эти же формулы справедливы и для т. е. снаружи линии, но здесь они дают разность полей.

Внутри левого провода линии напряженность поля и индукция от обоих проводов будут:

Внутри правого провода соответственно,

На рис. 1.16, б представлено распределение напряженности поля и индукции вдоль оси х для магнитной проницаемости материала проводов µ > µ₀. Посередине между проводами поле минимально, но в нуль не обращается. Поле также не равно нулю на осях проводов.

На внутренней стороне проводов напряженность поля и индукция больше, чем на внешней. В отличие от напряженности поля индукция имеет разрыв у поверхности проводов. Для вычисления индуктивности линии необходимо найти потокосцепление. Элементарный поток, проходящий через площадку Idx в воздухе между проводами,

Весь поток между проводами — внешний поток

одновременно является внешним потокосцеплением, так как сцепляется с контуром один раз. Поэтому

а соответствующая ему внешняя индуктивность

Для большинства линий расстояние d между проводами значительно превышает радиус r₀ проводов. В этом случае

Для определения внутренней индуктивности, соответствующей внутреннему потоку, при d > r₀ поле внутри провода линии может вычисляться как поле уединенного провода, так как поле, создаваемое вторым проводом внутри первого, по сравнению с полем первого, пренебрежимо мало. Тогда элементарный поток внутри провода

Так как поток dФ_i охватывает не весь ток, а только его часть [см. формулу (1.3)], элементарное потокосцепление

Весь поток между проводами — внешний поток

Соответственно, внутренняя индуктивность

Суммарная индуктивность линии

При медных или алюминиевых проводах () в большинстве случаев вторым членом можно пренебречь по сравнению с первым и тогда

Для стальных проводов () основной частью потока является
внутренний поток и индуктивность

практически не будет зависеть от расстояния между проводами.

Взаимоиндуктивность и ее расчет

Для двух контуров, имеющих w₁ и w₂ витков с токами I₁ и I₂ (рис. 1.17), поток первого контура, определяемый током этого контура, — поток самоиндукции Ф_1l—может быть разложен на поток рассеяния Ф_1s, пронизывающий только этот контур, и поток взаимоиндукции Ф_1m, пронизывающий также и второй контур:

Потокосцепление, соответствующее потоку Ф₁₁ (при условии, что этот поток пронизывает все витки первого контура, равно

а потокосцепление рассеяния

Аналогично для второго контура

Потокосцепление второго контура, определяемое током первого,

а потокосцепление первого контура, определяемое током второго,

Можно показать, что

Величина M называется взаимоиндуктивностью и определяется конфигурацией контуров, их взаимным расположением и магнитной проницаемостью среды. Взаимоиндуктивность также измеряется в генри (гн).
Суммарный поток, пронизывающий первый контур,

Суммарное потокосцепление первого контура

и соответственно для второго контура

В этих алгебраических суммах первый член всегда положителен, а знак перед вторым членом определяется направлением токов в контурах; положительный знак соответствует случаю совпадения направлений потоков Ф_1м и Ф_2м (см. рис. 1.17).
Из изложенного видно, что

Таким образом, взаимоиндуктивность и индуктивности всегда удовлетворяют неравенству

а используемый в технических расчетах коэффициент связи двух контуров

Аналогично, в системе многих контуров потокосцепление контура определяется токами всех контуров:

где L_q — индуктивность q-то контура, М_qp = М_рq — взаимоиндуктивность q- и р-го контуров. Общий прием расчета взаимоиндуктивности контуров заключается
в нахождении потокосцепления, пронизывающего контур q, но созданного током р-го контура, и делении его на этот ток.

Взаимоиндуктивность двух параллельных двухпроводных линий

Пусть две параллельные двухпроводные линии расположены симметрично так, как это было показано на рис. 1.4. При условии d> г₀ внутренним потоком в проводах по сравнению с внешним можно пренебречь.
Магнитный поток, пронизывающий первую линию и созданный током I₂ второй, может быть найден как сумма потоков, создаваемых каждым из проводов второй линии в отдельности.
Тогда магнитный поток, пронизывающий первую линию,

расстояния от провода линии 1 до проводов линии 2 .

Магнитный поток Ф одновременно является потокосцеплением первой линии, так как сцепляется с ней один раз; поэтому

а взаимоиндуктивность

Для уменьшения коэффициента связи между линиями связи l и передачи 2 применяют транспозицию линии связи, заключающуюся в перекрещивании проводов линии связи через равные расстояния; тогда суммарное потокосцепление будет равно нулю.

Линейные и нелинейные катушки индуктивности

У линейных материалов магнитная проницаемость µ, не зависит от напряженности поля и характеристика для них изображается прямой линией (рис. 1.18, а). Магнитная проницаемость пропорциональна тангенсу угла а наклона этой прямой:

где k — масштабный коэффициент.

К нелинейным материалам относятся ферромагнетик и — железо, никель, кобальт и гадолиний. Важное значение в электротехнике имеют первые три элемента, главным образом в виде сплавов. У нелинейных материалов магнитная проницаемость очень велика и зависит от напряженности поля.

Подобно нелинейным диэлектрикам по кривой первоначальногo намагничивания В (Н) (рис. 1.18, б) могут быть определены статическая магнитная проницаемость

и дифференциальная, а при быстрых изменениях поля — динамическая магнитная проницаемость

На рис. 1.18, б эти проницаемости представлены в функции напряженности поля. Максимальные значения магнитной проницаемости в очень чистом железе и в некоторых сплавах, например в пермаллое (сплав железа и-никеля с различными присадками), в сотни тысяч раз превышают магнитную постоянную равную

магнитной проницаемости вакуума.

В переменных магнитных полях в ферромагнетиках имеет место явление магнитного гистерезиса (рис. 1.19), заключающееся в несовпадении кривой В (Н) при возрастании напряженности поля с кривой при убывании поля.

Кривая, соединяющая вершины петель гистерезиса, называется основной кривой намагничивания и практически совпадает с кривой первоначального намагничивания, Ферромагнитные свойства зависят от температуры и проявляются лишь в определенном ее интервале.

Для тороида и веберамперные характеристики ψ (I) в соответствующем масштабе совпадают с кривыми В (H); поэтому прямая и кривые на рис. 1.18 а и б соответствуют также веберамперным характеристикам при величинах, указанных в скобках.

Для нелинейных тороидов вводятся понятия статической индуктивности

и дифференциальной, а также динамической индуктивности

являющихся функциями тока (см. рис. 1.18, б); для линейных тороидов эти индуктивности совпадают.

Аналогично индуктивностям в нелинейных системах контуров вводятся статическая взаимоиндуктивность

и дифференциальная, взаимоиндуктивность, а также динамическая

Индуктивность нелинейного тороида

Расчет нелинейного тороида может быть произведен, если задана зависимость В (H) или µ(H). Так как эти зависимости теоретически не выводятся, то для приближенного решения подбирают по кривой В(H) аппроксимирующую функцию.

Пусть аппроксимирующая функция для характеристики В (H) (рис. 1.20)
материала сердечника тороида будет

где а и b — постоянные.

Так как для тороида с ферромагнитным однородным cердечником напряженность поля по-прежнему определяется формулой 

то индукция будет равна

а потокосцепление

откуда статическая индуктивность

а дифференциальная индуктивность

Кривые зависимости этих индуктивностей от тока представлены
на рис. 1.20.