Меню

Взаимодействия индукционного тока с катушкой

Катушка индуктивности. Устройство и принцип работы.

Катушка индуктивности

Приветствую всех на нашем сайте!

Мы продолжаем изучать электронику с самых основ, и темой сегодняшней статьи будет катушка индуктивности. Забегая вперед скажу, что сначала мы обсудим теоретические аспекты, а несколько будущих статей посвятим целиком и полностью рассмотрению различных электрических схем, в которых используются катушки индуктивности, а также элементы, которые мы изучили ранее в рамках нашего курса – резисторы и конденсаторы.

Устройство и принцип работы катушки индуктивности.

Как уже понятно из названия элемента – катушка индуктивности, в первую очередь, представляет из себя именно катушку 🙂 То есть большое количество витков изолированного проводника. Причем наличие изоляции является важнейшим условием – витки катушки не должны замыкаться друг с другом. Чаще всего витки наматываются на цилиндрический или тороидальный каркас:

Катушки индуктивности

Важнейшей характеристикой катушки индуктивности является, естественно, индуктивность, иначе зачем бы ей дали такое название 🙂 Индуктивность – это способность преобразовывать энергию электрического поля в энергию магнитного поля. Это свойство катушки связано с тем, что при протекании по проводнику тока вокруг него возникает магнитное поле:

Магнитное поле проводника с током

А вот как выглядит магнитное поле, возникающее при прохождении тока через катушку:

Магнитное поле катушки индуктивности

В общем то, строго говоря, любой элемент в электрической цепи имеет индуктивность, даже обычный кусок провода. Но дело в том, что величина такой индуктивности является очень незначительной, в отличие от индуктивности катушек. Собственно, для того, чтобы охарактеризовать эту величину используется единица измерения Генри (Гн). 1 Генри – это на самом деле очень большая величина, поэтому чаще всего используются мкГн (микрогенри) и мГн (милигенри). Величину индуктивности катушки можно рассчитать по следующей формуле:

Давайте разберемся, что за величину входят в это выражение:

  • \mu_0 – магнитная проницаемость вакуума. Это табличная величина (константа) и равна она следующему значению: \mu_0 = 4 \pi \cdot 10^<-7>\medspace\frac <Гн>
  • \mu – магнитная проницаемость магнитного материала сердечника. А что это за сердечник и для чего он нужен? Сейчас выясним. Дело все в том, что если катушку намотать не просто на каркас (внутри которого воздух), а на магнитный сердечник, то индуктивность возрастет многократно. Посудите сами – магнитная проницаемость воздуха равна 1, а для никеля она может достигать величины 1100. Вот мы и получаем увеличение индуктивности более чем в 1000 раз
  • S – площадь поперечного сечения катушки
  • N – количество витков
  • l – длина катушки

Из формулы следует, что при увеличении числа витков или, к примеру, диаметра (а соответственно и площади поперечного сечения) катушки, индуктивность будет увеличиваться. А при увеличении длины – уменьшаться. Таким образом, витки на катушке стоит располагать как можно ближе друг к другу, поскольку это приведет к уменьшению длины катушки.

С устройством катушки индуктивности мы разобрались, пришло время рассмотреть физические процессы, которые протекают в этом элементе при прохождении электрического тока. Для этого мы рассмотрим две схемы – в одной будем пропускать через катушку постоянный ток, а в другой -переменный!

Катушка индуктивности в цепи постоянного тока.

Итак, в первую очередь, давайте разберемся, что же происходит в самой катушке при протекании тока. Если ток не изменяет своей величины, то катушка не оказывает на него никакого влияния. Значит ли это, что в случае постоянного тока использование катушек индуктивности и рассматривать не стоит? А вот и нет 🙂 Ведь постоянный ток можно включать/выключать, и как раз в моменты переключения и происходит все самое интересное. Давайте рассмотрим цепь:

Катушка индуктивности в цепи постоянного тока

Резистор выполняет в данном случае роль нагрузки, на его месте могла бы быть, к примеру, лампа. Помимо резистора и индуктивности в цепь включены источник постоянного тока и переключатель, с помощью которого мы будем замыкать и размыкать цепь. Что же произойдет в тот момент когда мы замкнем выключатель?

Ток через катушку начнет изменяться, поскольку в предыдущий момент времени он был равен 0. Изменение тока приведет к изменению магнитного потока внутри катушки, что, в свою очередь, вызовет возникновение ЭДС (электродвижущей силы) самоиндукции, которую можно выразить следующим образом:

Возникновение ЭДС приведет к появлению индукционного тока в катушке, который будет протекать в направлении, противоположном направлению тока источника питания. Таким образом, ЭДС самоиндукции будет препятствовать протеканию тока через катушку (индукционный ток будет компенсировать ток цепи из-за того, что их направления противоположны). А это значит, что в начальный момент времени (непосредственно после замыкания выключателя) ток через катушку I_L будет равен 0. В этот момент времени ЭДС самоиндукции максимальна. А что же произойдет дальше? Поскольку величина ЭДС прямо пропорциональна скорости изменения тока, то она будет постепенно ослабевать, а ток, соответственно, наоборот будет возрастать. Давайте посмотрим на графики, иллюстрирующие то, что мы обсудили:

Напряжение и ток катушки индуктивности

На первом графике мы видим входное напряжение цепи – изначально цепь разомкнута, а при замыкании переключателя появляется постоянное значение. На втором графике мы видим изменение величины тока через катушку индуктивности. Непосредственно после замыкания ключа ток отсутствует из-за возникновения ЭДС самоиндукции, а затем начинает плавно возрастать.

Напряжение на катушке наоборот в начальный момент времени максимально, а затем уменьшается. График напряжения на нагрузке будет по форме (но не по величине) совпадать с графиком тока через катушку (поскольку при последовательном соединении ток, протекающий через разные элементы цепи одинаковый). Таким образом, если в качестве нагрузки мы будем использовать лампу, то они загорится не сразу после замыкания переключателя, а с небольшой задержкой (в соответствии с графиком тока).

Аналогичный переходный процесс в цепи будет наблюдаться и при размыкании ключа. В катушке индуктивности возникнет ЭДС самоиндукции, но индукционный ток в случае размыкания будет направлен в том же самом направлении, что и ток в цепи, а не в противоположном, поэтому запасенная энергия катушки индуктивности пойдет на поддержание тока в цепи:

Напряжение и ток в катушке

После размыкания ключа возникает ЭДС самоиндукции, которая препятствует уменьшению тока через катушку, поэтому ток достигает нулевого значения не сразу, а по истечении некоторого времени. Напряжение же в катушке по форме идентично случаю замыкания переключателя, но противоположно по знаку. Это связано с тем, что изменение тока, а соответственно и ЭДС самоиндукции в первом и втором случаях противоположны по знаку (в первом случае ток возрастает, а во втором убывает).

Кстати, я упомянул, что величина ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения силы тока, так вот, коэффициентом пропорциональности является ни что иное как индуктивность катушки:

На этом мы заканчиваем с катушками индуктивности в цепях постоянного тока и переходим к цепям переменного тока.

Катушка индуктивности в цепи переменного тока.

Рассмотрим цепь, в которой на катушку индуктивности подается переменный ток:

Катушка индуктивности в цепи переменного тока

Давайте посмотрим на зависимости тока и ЭДС самоиндукции от времени, а затем уже разберемся, почему они выглядят именно так:

Зависимость тока и ЭДС самоиндукции в катушке в цепи переменного тока

Как мы уже выяснили ЭДС самоиндукции у нас прямо пропорциональна и противоположна по знаку скорости изменения тока:

Собственно, график нам и демонстрирует эту зависимость! Смотрите сами – между точками 1 и 2 ток у нас изменяется, причем чем ближе к точке 2, тем изменения меньше, а в точке 2 в течении какого-то небольшого промежутка времени ток и вовсе не изменяет своего значения. Соответственно скорость изменения тока максимальна в точке 1 и плавно уменьшается при приближении к точке 2, а в точке 2 равна 0, что мы и видим на графике ЭДС самоиндукции. Причем на всем промежутке 1-2 ток возрастает, а значит скорость его изменения положительна, в связи с этим на ЭДС на всем этом промежутке напротив принимает отрицательные значения.

Аналогично между точками 2 и 3 – ток уменьшается – скорость изменения тока отрицательная и увеличивается – ЭДС самоиндукции увеличивается и положительна. Не буду расписывать остальные участки графика – там все процессы протекают по такому же принципу 🙂

Кроме того, на графике можно заметить очень важный момент – при увеличении тока (участки 1-2 и 3-4) ЭДС самоиндукции и ток имеют разные знаки (участок 1-2: \varepsilon i > 0, участок 3-4: \varepsilon > 0, i w – круговая частота: w = 2 \pi f . [/latex]f[/latex] – это частота переменного тока. Таким образом, чем больше частота тока, тем большее сопротивление будет ему оказывать катушка индуктивности. А если ток постоянный ( f = 0), то реактивное сопротивление катушки равно 0, соответственно, она не оказывает влияния на протекающий ток.

Давайте вернемся к нашим графикам, которые мы построили для случая использования катушки индуктивности в цепи переменного тока. Мы определили ЭДС самоиндукции катушки, но каким же будет напряжение u ? Здесь все на самом деле просто! По 2-му закону Кирхгофа:

Построим на одном графике зависимости тока и напряжения в цепи от времени:

Сдвиг фаз при включении катушки индуктивности

Как видите ток и напряжение сдвинуты по фазе (ссылка) друг относительно друга, и это является одним из важнейших свойств цепей переменного тока, в которых используется катушка индуктивности:

Вот и с включением катушки в цепь переменного тока мы разобрались!

На этом, пожалуй, закончим сегодняшнюю статью, она получилась уже довольно объемной, поэтому разговор о катушках индуктивности мы продолжим в следующий раз. Так что до скорых встреч, будем рады видеть вас на нашем сайте!

Источник



Катушка индуктивности

Что такое катушка индуктивности

Что вы себе представляете под словом “катушка” ? Ну… это, наверное, какая-нибудь “фиговинка”, на которой намотаны нитки, леска, веревка, да что угодно! Катушка индуктивности представляет из себя точь-в-точь то же самое, но вместо нитки, лески или чего-нибудь еще там намотана обыкновенная медная проволока в изоляции.

Изоляция может быть из бесцветного лака, из ПВХ-изоляции и даже из матерчатой. Тут фишка такая, что хоть и провода в катушке индуктивности очень плотно прилегают к друг другу, они все равно изолированы друг от друга. Если будете мотать катушки индуктивности своими руками, ни в коем случае не вздумайте брать обычный медный голый провод!

Индуктивность

Любая катушка индуктивности обладает индуктивностью. Индуктивность катушки измеряется в Генри (Гн), обозначается буковкой L и замеряется с помощью LC – метра.

Что такое индуктивность? Если через провод пропустить электрический ток, то он вокруг себя создаст магнитное поле:

линии магнитного поля

В – магнитное поле, Вб

А давайте возьмем и намотаем в спиральку этот провод и подадим на его концы напряжение

И у нас получится вот такая картина с магнитными силовыми линиями:

катушка индуктивности магнитное поле

Грубо говоря, чем больше линий магнитного поля пересекут площадь этого соленоида, в нашем случае площадь цилиндра, тем больше будет магнитный поток (Ф). Так как через катушку течет электрический ток, значит, через нее проходит ток с Силой тока (I), а коэффициент между магнитным потоком и силой тока называется индуктивностью и вычисляется по формуле:

С научной же точки зрения, индуктивность – это способность извлекать энергию из источника электрического тока и сохранять ее в виде магнитного поля. Если ток в катушке увеличивается, магнитное поле вокруг катушки расширяется, а если ток уменьшается , то магнитное поле сжимается.

Самоиндукция

Катушка индуктивности обладает также очень интересным свойством. При подаче на катушку постоянного напряжения, в катушке возникает на короткий промежуток времени противоположное напряжение.

Это противоположное напряжение называется ЭДС самоиндукции. Эта ЭДС зависит от значения индуктивности катушки. Поэтому, в момент подачи напряжения на катушку сила тока в течение долей секунд плавно меняет свое значение от 0 до некоторого значения, потому что напряжение, в момент подачи электрического тока, также меняет свое значение от ноля и до установившегося значения. Согласно Закону Ома:

I – сила тока в катушке , А

U – напряжение в катушке, В

R – сопротивление катушки, Ом

Как мы видим по формуле, напряжение меняется от нуля и до напряжения, подаваемого в катушку, следовательно и ток тоже будет меняться от нуля и до какого то значения. Сопротивление катушки для постоянного тока также постоянное.

И второй феномен в катушке индуктивности заключается в том, что если мы разомкнем цепь катушка индуктивности – источник тока, то у нас ЭДС самоиндукции будет суммироваться к напряжению, которое мы уже подали на катушку.

То есть как только мы разрываем цепь, на катушке напряжение в этот момент может быть в разы больше, чем было до размыкания цепи, а сила тока в цепи катушки будет тихонько падать, так как ЭДС самоиндукции будет поддерживать убывающее напряжение.

Сделаем первые выводы о работе катушки индуктивности при подаче на нее постоянного тока. При подаче на катушку электрического тока, сила тока будет плавно увеличиваться, а при снятии электрического тока с катушки, сила тока будет плавно убывать до нуля. Короче говоря, сила тока в катушке мгновенно измениться не может.

Типы катушек индуктивности

Катушки индуктивности делятся в основном на два класса: с магнитным и немагнитным сердечником. Снизу на фото катушка с немагнитным сердечником.

Но где у нее сердечник? Воздух – это немагнитный сердечник :-). Такие катушки также могут быть намотаны на какой-нибудь цилиндрической бумажной трубочке. Индуктивность катушек с немагнитным сердечником используется, когда индуктивность не превышает 5 миллигенри.

А вот катушки индуктивности с сердечником:

В основном используют сердечники из феррита и железных пластин. Сердечники повышают индуктивность катушек в разы. Сердечники в виде кольца (тороидальные) позволяют получить большую индуктивность, нежели просто сердечники из цилиндра.

Для катушек средней индуктивности используются ферритовые сердечники:

Катушки с большой индуктивностью делают как трансформатор с железным сердечником, но с одной обмоткой, в отличие от трансформатора.

Дроссель

Также есть особый вид катушек индуктивностей. Это так называемые дроссели. Дроссель – это катушка индуктивности, задача которой состоит в том, чтобы создать в цепи большое сопротивление для переменного тока, чтобы подавить токи высоких частот.

Постоянный ток через дроссель проходит без проблем. Почему это происходит, можете прочитать в этой статье. Обычно дроссели включаются в цепях питания усилительных устройств. Дроссели предназначены для защиты источников питания от попадания в них высокочастотных сигналов (ВЧ-сигналов). На низких частотах (НЧ) они используются в фильтрах цепей питания и обычно имеют металлические или ферритовые сердечники. Ниже на фото силовые дроссели:

Также существует еще один особый вид дросселей – это сдвоенный дроссель. Он представляет из себя две встречно намотанных катушки индуктивности. За счет встречной намотки и взаимной индукции он более эффективен. Сдвоенные дроссели получили широкое распространение в качестве входных фильтров блоков питания, а также в звуковой технике.

Что влияет на индуктивность?

От каких факторов зависит индуктивность катушки? Давайте проведем несколько опытов. Я намотал катушку с немагнитным сердечником. Ее индуктивность настолько мала, что LC – метр мне показывает ноль.

LC-метр и катушка индуктивности

Имеется ферритовый сердечник

Катушка индуктивности

Начинаю вводить катушку в сердечник на самый край

катушка индуктивности измеряем индуктивность

LC-метр показывает 21 микрогенри.

Ввожу катушку на середину феррита

Катушка индуктивности

35 микрогенри. Уже лучше.

Продолжаю вводить катушку на правый край феррита

Катушка индуктивности

20 микрогенри. Делаем вывод, самая большая индуктивность на цилиндрическом феррите возникает в его середине. Поэтому, если будете мотать на цилиндрике, старайтесь мотать в середине феррита. Это свойство используется для плавного изменения индуктивности в переменных катушках индуктивности:

1 – это каркас катушки

2 – это витки катушки

3 – сердечник, у которого сверху пазик под маленькую отвертку. Вкручивая или выкручивая сердечник, мы тем самым изменяем индуктивность катушки.

Экспериментируем дальше. Давайте попробуем сжимать и разжимать витки катушки. Для начала ставим ее в середину и начинаем сжимать витки

Катушка индуктивности

Индуктивность стала почти 50 микрогенри!

А давайте-ка попробуем расправим витки по всему ферриту

Катушка индуктивности

13 микрогенри. Делаем вывод: для максимальной индуктивности мотать катушку надо “виток к витку”.

Убавим витки катушки в два раза. Было 24 витка, стало 12.

Катушка индуктивности

Совсем маленькая индуктивность. Убавил количество витков в 2 раза, индуктивность уменьшилась в 10 раз. Вывод: чем меньше количество витков – тем меньше индуктивность и наоборот. Индуктивность меняется не прямолинейно виткам.

Давайте поэкспериментируем с ферритовым кольцом.

тороидальная катушка индуктивности

Катушка индуктивности

Отдалим витки катушки друг от друга

Катушка индуктивности

Катушка индуктивности

Хм, также 15 микрогенри. Делаем вывод: расстояние от витка до витка не играет никакой роли в катушке индуктивности тороидального исполнения.

Мотнем побольше витков. Было 3 витка, стало 9.

Катушка индуктивности

Катушка индуктивности

Офигеть! Увеличил количество витков в 3 раза, а индуктивность увеличилась в 12 раз! Вывод: индуктивность меняется не прямолинейно виткам.

Если верить формулам для расчета индуктивностей, индуктивность зависит от “витков в квадрате”. Эти формулы я здесь выкладывать не буду, потому как не вижу надобности. Скажу только, что индуктивность зависит еще от таких параметров, как сердечник (из какого материала он сделан), площадь поперечного сечения сердечника, длина катушки.

Обозначение на схемах

Последовательное и параллельное соединение катушек индуктивности

При последовательном соединении индуктивностей, их общая индуктивность будет равняться сумме индуктивностей.

А при параллельном соединении получаем вот так:

При соединении индуктивностей должно выполняться правило, чтобы они были пространственно разнесены на плате. Это связано с тем, что при близком расположении друг друга их магнитные поля будут влиять с друг другом, и поэтому показания индуктивностей будут неверны. Не ставьте на одну железную ось две и более тороидальных катушек. Это может привести к неправильным показаниям общей индуктивности.

Резюме

Катушка индуктивности играет в электронике очень большую роль, особенно в приемопередающей аппаратуре. На катушках индуктивности строятся также различные фильтры для электронной радиоаппаратуры, а в электротехнике ее используют также в качестве ограничителя скачка силы тока.

Ребята из Паяльника забабахали очень неплохой видос про катушку индуктивности. Советую посмотреть в обязательном порядке:

Источник

Применение катушек индуктивности

Если хорошо подумать, то всевозможных применений для такой простой на первый взгляд вещи как катушка индуктивности просто не счесть. В рамках одной статьи мы вспомним лишь некоторые из них. А между тем, человеческие изобретательность и талант не устают творчески проявлять себя, придумывая и разрабатывая все новые и новые устройства и механизмы на базе катушки индуктивности.

Казалось бы, что тут можно соорудить? Бесхитростный моток проволоки, может быть сердечник определенной формы, и ток, проходящий по проводу в постоянной, переменной или импульсной форме. А между тем, без катушек индуктивности вся современная электротехника просто не могла бы существовать. Давайте внимательно приглядимся.

Применение катушек индуктивности

Грузоподъемный электромагнит

Грузоподъемники в форме шайб-элекромагнитов применяют по всему миру на протяжении многих лет для погрузки ферромагнитных отходов. Подав в рабочую обмотку электрическую мощность в 18кВт, можно удержать и погрузить за раз более 2 тонн железа, тогда как развиваемое при данной мощности отрывное усилие превышает 25 тонн.

Грузоподъемный электромагнит

Электромагнит диаметром примерно 1,5 метра просто цепляется крюком подъемного крана, запитывается, как правило, трехфазным переменным напряжением, и можно оперативно вести погрузку ферромагнитных материалов или каких-нибудь железных изделий. Секционированные обмотки нескольких катушек индуктивности получают ток, намагничивая сердечник из специального сплава, а он в свою очередь притягивает, допустим, металлолом, который требуется погрузить в вагоны.

Электромагнитное реле

Электромагнитное реле

Что если вам понадобилось периодически включать и выключать питание какой-нибудь электрической цепи, как-будто вы нажимаете на кнопку механического выключателя, при этом ставить полупроводниковый ключ не целесообразно, а механический выключатель или тумблер — не удобно и не эстетично?

Допустим, вам необходимо просто прикоснуться пальцем к сенсору, а результатом должен стать процесс подключения к (или отключения от) сети мощной нагрузки, например лампы или двигателя. На помощь приходят электромагнитные реле. Благодаря реле вы можете отказаться от огромных кнопок выключателей, вместо этого теперь можно просто дотрагиваться до микрокнопок, на которые будет реагировать электронная схема, функция которой — подавать питание на обмотку реле или снимать с нее питание. Обмотка реле — это обмотка электромагнита (опять же катушка индуктивности), который притягивает подпружиненный контакт, выполняющий роль механического выключателя.

Трансформатор

Трансформатор

Для преобразования переменного напряжения и тока одной величины в переменное напряжение и ток другой величины, используют трансформаторы. Первичная и вторичная обмотки трансформатора, установленные на ферромагнитном сердечнике, — это катушки индуктивности.

Первичная обмотка при прохождении по ее проводу переменного тока, создает в объеме сердечника переменный магнитный поток, который пронизывает витки вторичной обмотки, и наводит в ней ЭДС, создает напряжение вторичной обмотки. Трансформаторы повышают напряжение электростанций и подают их на ЛЭП, а затем понижают напряжение от ЛЭП, и подают его в наши дома.

Не было бы трансформаторов (катушек индуктивности в роли первичной и вторичной обмоток) — не было бы ни передачи, ни распределения электроэнергии. Не говоря уже о лабораторных автотрансформаторах, сварочных трансформаторах, трансформаторах на феррите в импульсных блоках питания, и конечно ни о каких катушках зажигания в автомобилях речи бы не шло, а ведь катушки зажигания — это тоже особые, но трансформаторы, то есть снова катушки индуктивности.

Дроссель

Дроссель

Для преобразования электроэнергии в импульсных источниках питания используются специальные катушки индуктивности — дроссели. Функция такой катушки — сначала накопить энергию в форме магнитного поля в сердечнике, запасти ее там, потом — отдать нагрузке. Если трансформатор в одно и то же время преобразует электроэнергию, то дроссель — сначала энергию принимает, потом — отдает.

Процесс преобразования электроэнергии у дросселя разделен во времени. Тем не менее, вот вам снова применение катушки индуктивности, главного ее свойства. Импульс тока подается на обмотку дросселя, дроссель запасает энергию в магнитном поле. Затем импульс тока уже не действует, но к дросселю подключена нагрузка, и ток дросселя устремляется через нагрузку, но уже при другом напряжении, зависящем от временных характеристик схемы управления преобразователем. Так катушка индуктивности сплошь и рядом, например в энергосберегающих лампах, работает совместно с полупроводниковыми ключами.

Индукционные печи и индукционные плиты

Индукционный нагреватель

Катушка индуктивности — это катушка с сердечником. А что если в качестве сердечника внутрь катушки, в ее поле действия, ввести какую-нибудь заготовку из ферромагнитного материала, который требуется нагреть вихревыми токами? Именно так работают индукционные печи и индукционные плиты. Катушка индукционного нагревателя выступает для ферромагнитной заготовки индуктором, наводя в ней вихревые токи высокой частоты, приводящие к разогреву заготовки вплоть до плавления.

Похожим образом действует и индукционная плита. Дно посуды разогревается вихревым током, словно сердечник катушки индуктивности, обмотка которой скрыта внутри панели индукционной плиты. Кстати, в схемах питания индукционных плит тоже используются катушки индуктивности — в роли импульсных трансформаторов и дросселей.

Фильтр ВЧ-помех

Фильтр ВЧ-помех

Катушка индуктивности обладает свойством препятствовать изменению тока, она проявляет своего рода электромагнитную инерционность, заставляя ток как-бы просачиваться сквозь себя, потому что пока ток нарастает через катушку, создаваемое им магнитное поле не может изменяться мгновенно, изменение требует времени, катушка индуктивности словно тормозит своим магнитным полем изменение тока в собственном проводе.

Данное свойство — препятствовать изменению тока — используется в индуктивных фильтрах ВЧ-помех. Для постоянного тока катушка не является сопротивлением, разве что сопротивление ее провода выступает активным сопротивлением, а вот для тока переменного, да высокочастотного (коим являются например коммутационные помехи) — катушка станет препятствием. Так фильтры на базе катушек индуктивности защищают сети и схемы от помех.

В составе колебательного контура

Колебательный контур

Колебательный контур — это катушка, в частности — катушка индуктивности (с сердечником), соединенная с конденсатором. Колебательный контур как таковой служит обычно осциллирующей системой. Он имеет собственную резонансную частоту, и может поэтому выступать задающим звеном для получения или приема колебаний определенной частоты, например в радиосвязи.

Кстати, индукционные нагреватели зачастую имеют индуктор, соединенный параллельно с конденсатором, в таких условиях катушка индуктора тоже является составной частью колебательного контура. Кроме того, сам резонансный контур может выступать в качестве фильтра — пропускать и усиливать токи частот близких к собственной резонансной частоте, и подавлять частоты далекие от нее. В радиоприемниках антенны на феррите — тоже являются частью перестраиваемого колебательного контура.

Роторы и статоры двигателей и генераторов

Генератор

В двигателях и генераторах статор и ротор — это модифицированные катушки индуктивности. Ротор автомобильного генератора с обмоткой возбуждения и полюсными наконечниками — чем не катушка индуктивности?

Статор этого же генератора имеет трехфазную обмотку — это своего рода модификация катушки индуктивности. Даже асинхронный двигатель — и тот имеет обмотку статора, которую можно тоже назвать катушкой индуктивности. Мало того, индуктивности этих статорных катушек учитываются как таковые при подборе рабочих конденсаторов, например когда трехфазный двигатель необходимо адаптировать к питанию от однофазной цепи.

Датчики перемещения и положения

Индуктивный датчик

Индуктивные датчики перемещения и положения — это катушки индуктивности с модифицированными сердечниками. Часть сердечника катушки в форме пластины, перемещаясь изменяет индуктивность катушки, и частотные параметры схемы изменяются из-за изменения индуктивности. Так фиксируется наличие объекта в поле действия датчика. Или цилиндрический сердечник в форме штока может смещаться по мере движения связанного с ним объекта, и по частотным параметрам, связанным с изменяемой индуктивностью катушки, сердечник которой двигается, считывается информация о положении объекта.

Направление луча в ЭЛТ

Электронно-лучевая трубка

В некоторых мониторах с электронно-лучевыми трубками поток заряженных частиц фокусируется и отклоняется специальными катушками отклоняющей системы. Катушки индуктивности отклоняющей системы установлены на ферритовом сердечнике особой формы, в который вставляется электронно-лучевая трубка. Регулируя ток в обмотках, схема изменяет параметры суммарного магнитного поля всех катушек системы, в результате лучу создается определенный путь для попадания в точно рассчитанное место на экране.

Электроклапан, электрозамок, втягивающее реле

Втягивающее реле автомобильного стартера

Подобно магниту, который притягивает железные предметы, катушка способна втянуть в себя ферромагнитный сердечник той или иной формы. Приблизительно по такому принципу работают некоторые электрические замки, электромагнитные клапана и, как пример, втягивающее реле автомобильного стартера, перемещающее бендикс, и удерживающее его некоторое время в рабочем положении, пока двигатель не будет пущен. Мощная катушка сначала втягивает якорь, затем удерживает его. По выключении тока, бендикс возвращается на место пружиной.

Катушки магнитного удержания плазмы

Токамак

Токамаки — установки термоядерного синтеза, в которых удержание плазмы осуществляется путем создания вокруг нее магнитного поля, чтобы плазма двигалась бы только вдоль силовых линий, но не могла бы вырваться поперек них и нарушить процесс. Внутри определенной конфигурации сверхпроводящих катушек, в самом простом случае — нанизанных по кругу на тор, плазма могла бы гипотетически кружить практически вечно. Как видно, катушки индуктивности нашли себя и в токамаках — тороидальных камерах с магнитными катушками. Название установки говорит само за себя.

Катушка Тесла

Катушка Тесла

Говоря о катушках индуктивности, нельзя не вспомнить о легендарной катушке (или резонансном трансформаторе) Тесла. В данном случае катушка индуктивности работает одновременно и как трансформатор, и как колебательный контур, и как приемная антенна с открытой емкостью. Здесь нет конденсатора параллельно резонирующей катушке, как в индукционном нагревателе, но есть уединенная емкость в виде тороида.

Каждая катушка кроме параметра «индуктивность», обладает еще и емкостью, и собственным волновым сопротивлением. Все эти параметры учитываются при настройке трансформатора Тесла. Казалось бы, просто заземленная катушка индуктивности с тороидом наверху, введенная в собственный резонанс. Но как эффектно смотрится!

Источник

Правило Ленца

теория по физике 🧲 магнетизм

Если присоединить катушку, в которой возникает индукционный ток, к гальванометру, можно обнаружить, что направление этого тока зависит от того, приближается ли магнит к катушке, или удаляется от нее. Причем возникающий индукционный ток взаимодействует с магнитом — притягивает или отталкивает его.

Катушка с протекающей по ней током подобна магниту с двумя полюсами — северным и южным. Направление индукционного тока определяет, какой конец катушки играет роль северного полюса, из которого выходят линии магнитной индукции. В каких случаях катушка будет притягивать магнит, а в каких отталкивать, можно предсказать, опираясь на закон сохранения энергии.

Взаимодействие индукционного тока с магнитом

Если магнит приближать к катушке, то в ней появится индукционный ток такого направления, что магнит обязательно отталкивается. Для сближения магнита и катушки при этом нужно совершить положительную работу. Катушка становится подобной магниту, обращенному одноименным полюсом к приближающемуся к ней магниту. Одноименные же полюсы отталкиваются. При удалении магнита, наоборот, в катушке возникает ток такого направления, чтобы появилась притягивающая магнит сила.

Представьте, что все было бы иначе. Тогда при введении магнита в катушку он сам бы устремлялся в нее. Это противоречит закону сохранения энергии, так как при этом увеличилась бы кинетическая энергия при одновременном возникновении индукционного тока, который также затрачивает часть энергии. Кинетическая энергия и энергия тока в этом случае возникали бы из ничего, без затрат энергии, что невозможно.

Справедливость вывода можно подтвердить с помощью следующего опыта. Пусть на свободно вращающемся стержне закреплены два алюминиевых кольца: с разрезом и без разреза. Если поднести магнит к кольцу без разреза, оно будет отталкиваться. Если поднести его к кольцу с разрезом, ничего не произойдет. Это связано с тем, что в нем не возникает индукционный ток. Этому препятствует разрез. Но если отдалять магнит от кольца без разреза, то оно начнет притягиваться.

Опыты показывают, что притягивание или отталкивание кольца с индукционным током зависит от того, удаляется магнит, или притягивается. А различаются они характером изменения линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность, ограниченную кольцом. В первом случае (рис. а) магнитный поток увеличивается, во втором (рис. б) — уменьшается. То же самое можно наблюдать в опытах с магнитом и проводящей катушкой.

Причем в первом случае линии индукции B’ магнитного поля, созданного возникшем в катушке индукционным током, выходят из верхнего конца катушки, та как катушка отталкивает магнит. Во втором же случае напротив, они входят в этот конец.

Правило Ленца

Описанные выше опыты позволяют делать вывод, что при увеличении магнитного потока через витки катушки индукционный ток имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует нарастанию магнитного потока через витки катушки. Если же магнитный поток через катушку ослабевает, то индукционный ток создает магнитное поле с такой индукцией, которая увеличивает магнитный поток через витки катушки.

Правило направления индукционного тока носит название правила Ленца.

Возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван.

Применять правило Ленца для нахождения направления индукционного тока I i в контуре надо так:

  1. Установить направление линий магнитной индукции → B внешнего магнитного поля.
  2. Выяснить, увеличивается ли поток магнитной индукции этого поля через поверхность, ограниченную контуром ( Δ Φ > 0 ), или уменьшается ( Δ Φ 0 ).
  3. Установить направление линий магнитной индукции → B ‘ магнитного поля индукционного тока I i . Эти линии должны быть согласно правилу Ленца направлены противоположно линиям → B при Δ Φ > 0 и иметь одинаковое с ними направление при Δ Φ 0 .
  4. Зная направление линий магнитной индукции → B ‘ , найти направление индукционного тока I i , пользуясь правилом правой руки.

Пример №1. Найти направление индукционного тока, возникающего в кольце во время приближения к нему магнита (см. рисунок).

Линии магнитной индукции магнита обращены в сторону кольца, так как он направлен к нему северным полюсом. Так как магнит приближается к кольцу, магнитный поток увеличивается. Следовательно, кольцо отталкивается. Тогда оно обращено к магниту одноименным — северным — полюсом. Применим правило правой руки. Так как линии магнитной индукции выходят из северного полюса, направим к нему большой палец. Теперь четыре пальца руки покажут направление индукционного тока. В нашем случае он будет направлен против направления хода часовой стрелки.

Медное кольцо на горизонтальном коромысле поворачивается вокруг вертикальной оси ОВ под действием движущегося магнита С. Установите соответствие между направлением движения магнита, вращением коромысла с кольцом и направлением индукционного тока в кольце.

К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго столбца и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

МАГНИТ ПОВОРОТ КОРОМЫСЛА И ТОК В КОЛЬЦЕ
А) движется по направлению к кольцу, северный полюс обращён к кольцу 1) коромысло с кольцом поворачивается, отталкиваясь от магнита, ток идёт по часовой стрелке
Б) движется к кольцу, к кольцу обращён южный полюс 2) коромысло с кольцом поворачивается, отталкиваясь от магнита, ток идёт против часовой стрелки
3) коромысло с кольцом поворачивается, притягиваясь к магниту, ток идёт по часовой стрелке
4) коромысло с кольцом поворачивается, притягиваясь к магниту, ток идёт против часовой стрелки

Алгоритм решения

  1. Записать правило Ленца.
  2. В соответствии с правилом Ленца установить, что произойдет, если к кольцу поднести магнит северным полюсом.
  3. В соответствии с правилом Ленца установить, что произойдет, если к кольцу поднести магнит южным полюсом.

Решение

Запишем правило Ленца:

Возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван.

Следовательно, если поднести к кольцу магнит северным полюсом, линии магнитной индукции поля, образованного магнитом, будут направлены в сторону кольца (т.к. они выходят из северного полюса). Тогда в кольце образуется такой ток, при котором с той стороны, с которой подносят магнит, тоже сформируется северный полюс. Используем правило правой руки и расположим большой палец правой руки так, чтобы он указывал в сторону северного полюса кольца с индукционным током. Тогда четыре пальца покажут направление этого тока. Следовательно, индукционный ток направлен по часовой стрелке.

Если поднести к кольцу магнит южным полюсом, линии магнитной индукции поля, образованного магнитом, будут направлены в сторону от кольца (т.к. они выходят из северного полюса). Тогда в кольце образуется такой ток, при котором с той стороны, с которой подносят магнит, тоже сформируется южный полюс. Используем правило правой руки и получим, что в этом случае индукционный ток будет направлен против часовой стрелки.

Так как магнит подносят к кольцу, а не отодвигают от него, то кольцо всегда будет отталкиваться, поскольку в нем возникают силы противодействия. Следовательно, позиции А соответствует строка 1, а позиции Б — строка 2.

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

На рисунке запечатлён тот момент демонстрации по проверке правила Ленца, когда все предметы неподвижны. Южный полюс магнита находится вблизи сплошного металлического кольца. Если магнит выдвигать из алюминиевого кольца, то кольцо перемещается вслед за магнитом. Это движение кольца – результат действия

а) силы гравитационного взаимодействия между кольцом и магнитом

б) силы Ампера, действующей со стороны магнитного поля магнита на кольцо, по которому идёт индукционный ток

в) кулоновских (электростатических) сил, которые возникают при движении магнита относительно кольца

г) воздушных потоков, вызванных движением руки и магнита

Алгоритм решения

  1. Проанализировать предложенные варианты ответа.
  2. Установить природу взаимодействия магнита и кольца.
  3. Выбрать верный ответ.

Решение

Гравитационные силы между магнитом и кольцом ничтожно малы при данных массах и расстояниях, поэтому они не могли вызвать притяжения кольца к магниту.

Кулоновские силы характеризуют силу электростатического взаимодействия зарядов. Поскольку магнит не имеет заряда, между ним и кольцом такие силы не возникают.

Металлическое кольцо достаточно тяжелое для того, чтобы заставить его стремительно двигаться вслед за магнитом.

Но вариант с силой Ампера подходит, так как сила Ампера — это сила, с которой действует магнитное поле на проводник с током. В момент, когда магнит двигают в стороны от кольца, магнитный поток, пронизывающий его, меняется. Это вызывает образование в кольце индукционного тока, который также порождает магнитное поле, противодействующее магнитному полю постоянного магнита.

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Катушка № «>№ 1 включена в электрическую цепь, состоящую из источника напряжения и реостата. Катушка № «>№ 2 помещена внутрь катушки № «>№ 1 и замкнута (см. рисунок).

Из приведённого ниже списка выберите два правильных утверждения, характеризующих процессы в цепи и катушках при перемещении ползунка реостата вправо.

А) Сила тока в катушке № 1 увеличивается.

Б) Вектор индукции магнитного поля, созданного катушкой № 1, всюду увеличивается.

В) Магнитный поток, пронизывающий катушку № 2, увеличивается.

Г) Вектор индукции магнитного поля, созданного катушкой № 2, в центре этой катушки направлен от наблюдателя.

Д) В катушке № 2 индукционный ток направлен по часовой стрелке.

Алгоритм решения

  1. Проверить истинность каждого утверждения.
  2. Выбрать только истинные утверждения.

Решение

Согласно утверждению А, при перемещении ползунка реостата вправо сила тока в катушке №1 увеличивается. Перемещая ползунок реостата вправо, мы увеличиваем сопротивление. Следовательно, сила тока уменьшается. Утверждение А — неверно.

Согласно утверждению Б, при перемещении ползунка реостата вправо вектор индукции магнитного поля, созданного катушкой №1, всюду увеличивается. Так как сила тока уменьшается, вектор индукции магнитного поля ослабевает. Утверждение Б — неверно.

Согласно утверждению В, при перемещении ползунка реостата вправо магнитный поток, пронизывающий катушку №2, увеличивается. Так как магнитное поле ослабевает, будет уменьшаться и магнитный поток, пронизывающий катушку № 2. Утверждение В — неверно.

Согласно утверждению Г, при перемещении ползунка реостата вправо вектор индукции магнитного поля, созданного катушкой №2, в центре этой катушки направлен от наблюдателя. В катушке №1 ток течёт по часовой стрелке, и по правилу буравчика эта катушка будет создавать магнитное поле, направленное от наблюдателя. В силу того, что сила тока в цепи уменьшается, будет уменьшаться и магнитный поток, пронизывающий вторую катушку. При этом согласно правилу Ленца во второй катушке будет создаваться индукционный ток, который направлен так, чтобы своим магнитным полем противодействовать изменению магнитного потока, которым он вызван. В этом случае вектор индукции магнитного поля, созданного катушкой №2, в центре этой катушки сонаправлен с внешним полем и направлен от наблюдателя. Утверждение Г — верно.

Согласно утверждению Д, при перемещении ползунка реостата вправо в катушке №2 индукционный ток направлен по часовой стрелке. По правилу правой руки, индукционный ток в катушке 2 направлен по часовой стрелке. Утверждение Д — верно.

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Источник

Читайте также:  Принцип действия тягового двигателя постоянного тока