"Si dice che all'accensione e con qualsiasi cambiamento nella corrente nel circuito elettrico dovuto all'intersezione del conduttore con il proprio campo magnetico, in esso si genera una forza elettromotrice indotta (EMF). Abbiamo chiamato questa autoinduzione EMF EMF. L'EMF autoinduttivo è di natura reattiva. Quindi, ad esempio, quando la corrente nel circuito aumenta, l'EMF autoinduttiva sarà diretta contro l'EMF della sorgente di tensione, e quindi la corrente nel circuito elettrico non può essere stabilito immediatamente E, viceversa, quando la corrente nel circuito diminuisce, la fem autoinduttiva viene indotta in una direzione tale che, impedendo alla corrente di scomparire, mantiene questa corrente decrescente.
Figura 1. Circuito CA contenente induttanza
Come già sappiamo, la forza elettromagnetica di autoinduzione dipende dalla velocità di variazione della corrente nel circuito e dall'induttanza di questo circuito (numero di spire, presenza di nuclei di acciaio).
In un circuito a corrente alternata, la fem autoinduttiva si verifica continuamente, poiché la corrente nel circuito cambia continuamente.
La Figura 1 mostra uno schema di un circuito di corrente alternata contenente un induttore l senza anima in acciaio. Per semplicità, supponiamo innanzitutto che la resistenza attiva della bobina sia molto piccola e possa essere trascurata.
Diamo uno sguardo più da vicino al cambiamento della corrente alternata durante un periodo. La Figura 2 mostra la curva della corrente alternata. La prima metà del periodo è divisa in piccole parti identiche.
Figura 2. Determinazione della velocità di variazione della corrente alternata
Per un periodo di tempo 0 - 1 il valore corrente è cambiato da zero a 1 - 1 ’. L'aumento della corrente durante questo periodo è uguale a UN.
Durante il tempo indicato dal segmento 1 - 2 , il valore istantaneo è aumentato a 2 - 2 ’, e l’aumento del valore corrente è pari a B.
Durante il tempo indicato dall'intervallo 2 - 3 , la corrente aumenta a 3 - 3 ’, l’aumento attuale viene mostrato dal segmento V e così via.
Pertanto, nel tempo, la corrente alternata aumenterà fino al suo massimo (a 90°). Ma, come si può vedere dal disegno, l'aumento di corrente diventa sempre meno, finché alla fine, al valore massimo della corrente, questo aumento diventa pari a zero.
Con un ulteriore cambiamento della corrente dal massimo allo zero, la diminuzione del valore della corrente diventa sempre maggiore, finché finalmente, vicino allo zero, la corrente, cambiando alla massima velocità, scompare, ma ricompare subito, scorrendo nella direzione opposta. .
Considerando la variazione della corrente in un periodo, vediamo che la corrente cambia con la massima velocità in prossimità dei suoi valori zero. In prossimità dei valori massimi, la velocità di variazione della corrente diminuisce e al valore massimo della corrente il suo aumento è pari a zero. Pertanto, la corrente alternata cambia non solo in intensità e direzione, ma anche nella velocità di variazione. La corrente alternata che passa attraverso le spire della bobina crea un campo magnetico alternato. Le linee magnetiche di questo campo, incrociando le spire della propria bobina, inducono in esse una fem autoinduttiva.
Nella curva della Figura 3 io mostra la variazione della corrente alternata nella bobina. Come già indicato, l'entità della forza elettromotrice di autoinduzione dipende dalla velocità di variazione della corrente e dall'induttanza della bobina. Ma poiché l'induttanza della bobina nel nostro caso rimane invariata, la fem autoinduttiva dipenderà solo dalla velocità di variazione della corrente. È stato dimostrato sopra che il tasso di variazione della corrente più elevato si verifica in prossimità di valori di corrente pari a zero. Di conseguenza, il cambiamento più grande nell'EMF di autoinduzione ha gli stessi momenti.
Figura 3. EMF autoinduttiva in una bobina collegata a un circuito di corrente alternata
Nel momento UN la corrente aumenta bruscamente e rapidamente da zero e quindi, come segue dalla formula sopra, la fem di autoinduzione (curva eL) ha un valore massimo negativo. Poiché la corrente aumenta, la fem autoinduttiva, secondo la regola di Lenz, dovrebbe impedire la variazione (in questo caso aumento) della corrente. Pertanto, la fem di autoinduzione all'aumentare della corrente avrà la direzione opposta alla corrente (posizione B), che consegue anch'esso dalla formula indicata. La velocità di variazione della corrente diminuisce man mano che si avvicina al massimo. Pertanto anche la fem di autoinduzione diminuisce finché, infine, alla massima corrente, quando le sue variazioni sono pari a zero, diventa pari a zero (posizione V).
La corrente alternata, raggiunta la sua massima, inizia a diminuire. Secondo la regola di Lenz, la fem autoinduttiva impedirà alla corrente di diminuire e, diretta nella direzione del flusso di corrente, la sosterrà (posizione G).
Con ulteriori modifiche, la corrente alternata diminuisce rapidamente fino a zero. Una forte diminuzione della corrente nella bobina comporterà anche una rapida diminuzione campo magnetico e come risultato dell'intersezione delle spire della bobina con linee magnetiche, in esse verrà indotta la più grande fem autoinduttiva (posizione D).
Figura 4. La corrente nella bobina porta la FEM di autoinduzione in fase di 90°
Nella seconda metà del periodo di cambiamento di corrente, l'immagine si ripete e ancora, all'aumentare della corrente, la fem di autoinduzione interferirà con essa, avendo una direzione opposta alla corrente (posizione e).
Quando la corrente diminuisce, il campo elettromagnetico di autoinduzione, avendo una direzione verso la corrente, la sosterrà, non permettendole di scomparire immediatamente (posizione H).
La figura mostra che l'EMF di autoinduzione ritarda in fase rispetto alla corrente di 90° o ¼ di periodo. Poiché il flusso magnetico è in fase con la corrente, possiamo dire che la fem indotta dal flusso magnetico è sfasata rispetto ad essa di 90° o ¼ di periodo.
Sappiamo già che due sinusoidi, spostati l'uno rispetto all'altro di 90°, possono essere rappresentati da vettori situati ad un angolo di 90° (Figura 4).
Poiché la fem autoindotta nei circuiti a corrente alternata contrasta continuamente i cambiamenti di corrente, per consentire alla corrente di fluire attraverso le spire della bobina, la tensione di rete deve bilanciare la fem autoinduttiva. In altre parole, la tensione di rete in ogni momento deve essere uguale e opposta all'EMF di autoinduzione.
Figura 5. La tensione di rete applicata alla bobina anticipa la corrente di 90° ed è opposta alla fem di autoinduzione
Vettore di tensione di rete uguale e opposto alla fem autoinduttiva eL, indichiamo con U(Figura 5). Solo a condizione che ai terminali della bobina sia applicata una tensione di rete, uguale e contraria alla fem di autoinduzione, e quindi questa sia la tensione di rete U bilancerà la fem di autoinduzione eL, la corrente alternata può passare attraverso la bobina IO.
Ma in questo caso la tensione di rete U porterà in fase la corrente IO a 90°.
Pertanto, nei circuiti a corrente alternata, la fem di autoinduzione, che si presenta continuamente, provoca uno sfasamento tra corrente e tensione. Tornando alla Figura 3, vediamo che la corrente io passerà attraverso la bobina anche quando la tensione di rete (curva u L) è uguale a zero (posizione V), e anche quando la tensione di rete è diretta in senso opposto alla corrente (posizione G E H).
Quindi, notiamo che in un circuito a corrente alternata, quando non è presente una fem autoinduttiva, la tensione e la corrente di rete sono in fase. Un carico induttivo nei circuiti a corrente alternata (avvolgimenti di motori elettrici e generatori, avvolgimenti di trasformatori, bobine induttive) provoca sempre uno sfasamento tra corrente e tensione.
Si può dimostrare che la velocità di variazione della corrente è proporzionale alla frequenza angolare ω. Pertanto, il valore effettivo della fem di autoinduzione eL può essere trovato dalla formula:
eL = ω × l × IO= 2 × π × F × l × IO .
Come notato sopra, la tensione applicata ai terminali di un circuito contenente induttanza in ogni momento deve essere uguale in grandezza alla fem autoinduttiva:
u L = eL.
u L= 2 × π × F × l × IO .
Indicando 2 × π × F × l = xL, noi abbiamo
u L = xL × IO .
La formula della legge di Ohm per un circuito di corrente alternata contenente induttanza sarà:
Grandezza xL chiamato reattanza induttiva del circuito, O reattanza di induttanza, e si misura in ohm. Pertanto, la reattanza induttiva è una sorta di ostacolo che il circuito fornisce ai cambiamenti nella corrente al suo interno. È uguale al prodotto dell'induttanza e della frequenza angolare. La formula della reattanza induttiva è:
xL = ω × l .
La reattanza induttiva di un conduttore dipende dalla frequenza della corrente alternata e dall'induttanza del conduttore. Pertanto, la reattanza induttiva di una bobina inclusa in un circuito di correnti di frequenze diverse sarà diversa. Ad esempio, se è presente una bobina con un'induttanza di 0,05 H, calcolando la reattanza induttiva si troverà che in un circuito con una frequenza di 50 Hz la sua reattanza induttiva sarà:
xL1= 2 × π × F 1× l= 2 × 3,14 × 50 × 0,05 = 15,7 Ohm,
e in un circuito elettrico con una frequenza di 400 Hz
xL2= 2 × π × F 2× l= 2 × 3,14 × 400 × 0,05 = 125,6 ohm.
Viene chiamata quella parte della tensione di rete che va a superare (bilanciare) il campo elettromagnetico di autoinduzione caduta di tensione induttiva O componente di tensione reattiva.
u L = xL × IO .
Consideriamo ora quanta energia viene consumata da una sorgente di tensione alternata se ai suoi terminali è collegata un'induttanza.
Figura 6. Curve istantanee di tensione, corrente e potenza per un circuito contenente induttanza
La Figura 6 mostra le curve istantanee di tensione, corrente e potenza per questo caso. Il valore della potenza istantanea è pari al prodotto dei valori di tensione e corrente istantanei:
P = tu × io .
Dal disegno è chiaro che se tu E io hanno gli stessi segni, quindi la curva P positivo e situato sopra l'asse ω T. Se tu E io Avere segni diversi, quindi la curva P negativo e situato sotto l'asse ω T.
Nel primo quarto del periodo aumenta la corrente e con essa il flusso magnetico della bobina. La bobina prende energia dalla rete. Area racchiusa tra una curva P e l'asse ω T, c'è lavoro (energia) della corrente elettrica. Durante il primo quarto del periodo, l'energia prelevata dalla rete va a creare un campo magnetico attorno alle spire della bobina (potenza positiva). La quantità di energia immagazzinata nel campo magnetico durante l'aumento di corrente può essere determinata dalla formula:
Nel secondo trimestre del periodo la corrente diminuisce. La fem di autoinduzione, che nel primo trimestre del periodo ha cercato di impedire l'aumento della corrente, ora, quando la corrente inizierà a diminuire, ne impedirà la diminuzione. La bobina stessa diventa come un generatore di energia elettrica. Restituisce alla rete l'energia immagazzinata nel suo campo magnetico. La potenza è negativa e nella Figura 6 la curva P situato sotto l'asse ω T.
Nella seconda metà del periodo il fenomeno si ripete. Pertanto, la potenza viene scambiata tra la sorgente di tensione CA e la bobina contenente l'induttanza. Durante il primo e il terzo quarto del periodo, la potenza viene assorbita dalla bobina; durante il secondo e il quarto trimestre, la potenza viene restituita alla sorgente.
In questo caso, in media, non ci sarà alcun consumo di energia, nonostante sia presente tensione ai terminali del circuito U e la corrente scorre nel circuito IO.
Otteniamo lo stesso risultato se calcoliamo la potenza media o attiva utilizzando la formula sopra riportata:
P = U × IO×cos φ .
Nel nostro caso si ha uno sfasamento di 90° tra tensione e corrente e cos φ = 90° = 0.
Pertanto anche la potenza attiva è pari a zero, ovvero non vi è alcun consumo di energia.
Nell'articolo vedremo il concetto di induttanza, cos'è una bobina di induttanza, analizzeremo in dettaglio la legge di Neumann o in altre parole “mutua induttanza”, mostreremo tutto utilizzando un esempio con formule.
Mutua induttanza, formula di Neumann
Supponiamo di avere due circuiti conduttori, il circuito numero uno che interagisce con esso e il circuito numero due che causa il flusso magnetico in esso, utilizzando l'uguaglianza dell'induzione del campo magnetico e la definizione di induzione del campo magnetico in termini di potenziale vettoriale del campo magnetico e variazione l'integrale in questo flusso sulla superficie, limitato da un contorno chiuso, all'integrale lungo il contorno, quindi:
Dalla magnetostatica, il potenziale magnetico vettoriale del campo magnetico dal primo circuito è definito come:
(2)
Se sostituiamo la formula per il potenziale magnetico vettoriale (2) nella formula per il flusso magnetico limitato da qualsiasi contorno arbitrario (1) , Quello:
(3)
È ovvio che la formula (3) dopo aver riorganizzato gli integrali circolari in un unico posto, è equivalente a:
(4)
Qui R è la distanza reciproca: dl(1) da dl(2)
Formula (4) può essere memorizzato come divisione della costante M 12, quindi:
(6)
Formula per la dimensione della mutua induzione (6) è simmetrico a causa dell'aggiustamento di dl(1) da dl(2), cioè la mutua induzione dopo questo cambiamento non cambia, è simmetrica. Ovviamente non dipende dal tempo. Il valore di M_12 nella formula (6) Questo La formula di Neumann. Se sostituiamo la formula (5) nella formula integrale di Faraday per il primo ciclo, analogamente per il secondo ciclo, allora lo schema di mutua induzione del secondo circuito rispetto al primo circuito per la forza elettromotrice per due circuiti è espresso nelle formule:
(7)
(8)
Vediamo che gli schemi della forza elettromagnetica sono gli stessi, ma dipendono dai cambiamenti nella durata della corrente elettrica nel secondo circuito (formula (7) ) o nel circuito primario (formula (8) ).
Autoinduttanza
Qui avremo a che fare con un solo circuito, che interagisce magneticamente con se stesso.
Legge di Faraday e induzione intrinseca
Abbiamo a che fare con l'induttanza quando lo stesso circuito interagisce con lo stesso circuito mediante il magnetismo, cioè un caso speciale induttanza reciproca. Scriviamo la formula per questa situazione:
Ô = L*I(9)
Quindi la formula per la forza elettromagnetica appare dopo aver sostituito la formula (9) V:
La formula per L è la stessa della formula di Neumann (6) , viene utilizzata solo la doppia integrazione sullo stesso perimetro, ovvero la geometria viene applicata a un solo circuito.
Autoenergia del sistema magnetico
La forza generata contro la FEM nell'induttanza di un autocircuito dipende dalla forza elettromotrice causata dall'autoinduzione se in essa scorre corrente e dal fatto che il suo lavoro viene svolto contro la forza elettromagnetica della FEM per unità tempo, pari a:
Utilizzando la definizione di forza elettromotrice dovuta all'autoinduttanza (10) , che segue da Legge dell'induttanza di Faraday, ci chiediamo se il lavoro è stato svolto dal sistema quando la corrente nel sistema con induttanza L di I è pari a zero fino a un valore diverso da zero, quindi arriviamo alla conclusione:
Lavoro svolto contro la fem nel sistema di induttanza L, dopo aver riscritto l'applicazione finale (12) , è espresso:
Ciò non dipende da quanto tempo scorre la corrente, ma solo dalla geometria del sistema e dalla corrente che scorre nel nostro circuito, che interagisce con se stessa per effetto del campo magnetico.
Induttore (bobina)
Definizione e teoria degli induttori
Induttore(bobina) - una bobina di conduttore isolato a spirale, che ha un'induttanza significativa con una capacità relativamente piccola e una bassa resistenza attiva, in grado di accumulare energia elettromagnetica nel proprio campo magnetico. Denotato da - l . Aspetto potrebbe essere diverso, ma se lo avvolgi tu stesso, sarà simile a questo:
Il valore dell'induttanza si misura in Henry [Gn].
1 Henry è un valore molto grande, quindi gli induttori utilizzati nella tecnologia hanno i seguenti valori: microhenry - 10 -6 (μH) e millihenry - 10 -3 (mH).
Nella figura sono mostrati i processi che si verificano nell'induttore (di seguito denominato induttore) su un grafico temporale quando l'induttanza è collegata a una sorgente di segnale unipolare rettangolare.
Dalla figura a lato si vede che la reazione dell'induttanza all'influenza della corrente elettrica è assolutamente opposta alla reazione di un condensatore (capacità). Nel momento in cui viene applicato l'impulso rettangolare della sorgente di corrente (rosso), la corrente di induttanza (viola) è inizialmente zero e aumenta esponenzialmente nel tempo: l'induttanza accumula energia, nel momento iniziale la sua resistenza interna è massima. La tensione ai terminali dell'induttanza (verde), al contrario, è inizialmente massima, ma poi, man mano che l'energia si accumula, diminuisce esponenzialmente fino a zero. Quando l'impulso di ingresso scompare, poiché l'induttanza è un elemento inerziale, la tensione ai terminali dell'induttanza cambia bruscamente la polarità inizialmente al massimo e la corrente continua a fluire nella stessa direzione, diminuendo in modo esponenziale: l'energia immagazzinata nell'induttanza scorre fuori. Anche la tensione dalla regione negativa tende esponenzialmente a zero. La velocità di variazione della tensione e della corrente dipende dal valore dell'induttanza. Maggiore è l'induttanza, più lentamente cambiano (l'esponenziale è più lungo nel tempo). La tensione e la corrente attraverso il resistore di carico si comportano allo stesso modo e vengono tracciate su un grafico temporale arancia. Se lo confronti con un condensatore, è l’esatto contrario. Anche la relazione tra corrente e tensione nell'induttanza è descritta dalla legge di Ohm, tenendo conto della reattanza dell'induttanza.
In effetti, abbiamo esaminato un "quadripolo" costituito da un induttore e un resistore, chiamato circuito integratore.
Catena di integrazione più spesso utilizzato per formare impulsi a dente di sega in qualsiasi apparecchiatura radio e ritardo temporaneo (enfasi sulla "o") degli impulsi rettangolari. Per renderlo più chiaro, sono rappresentate la catena di integrazione e la produzione di un impulso a dente di sega immagine successiva. Per ottenere quest'ultimo viene utilizzata la sezione più semplice dell'impulso integrato, ovvero il suo inizio, che viene “tagliato” nel tempo o nell'ampiezza (soglia).
Per ritardare gli impulsi viene utilizzato un dispositivo a soglia. Quando l'ampiezza del segnale passato attraverso la catena di integrazione raggiunge un certo valore (soglia), il dispositivo a soglia trasmette il segnale di ingresso all'uscita. Successivamente, il segnale viene amplificato da un amplificatore al valore richiesto. Per ridurre le dimensioni (eliminare l'ingombro), il circuito di formazione degli impulsi a dente di sega e il circuito di ritardo degli impulsi sono più efficienti da utilizzare su un circuito integrato costituito da un resistore e un condensatore.
Oltre alla funzione di conversione degli impulsi rettangolari, è possibile utilizzare la catena di integrazione come filtro passa basso (LPF). L'induttanza è un elemento inerte. Se all'acceleratore con grande valore Se si applica una tensione alternata ad alta frequenza all'induttanza, a causa della sua inerzia, l'induttanza non sarà in grado di far passare la corrente attraverso se stessa, poiché l'induttanza dovrà prima immagazzinare energia nel proprio nucleo e quindi rilasciare questa energia. Viene chiamata la proprietà dell'induttanza di resistere alla corrente elettrica alternata reattanza di induttanza, che viene utilizzato nella progettazione di filtri di frequenza e circuiti oscillatori. La reattanza di induttanza è designata X L O ZL e si misura in Ohm. La reattanza dell'induttanza è legata alla frequenza della corrente dall'espressione:
La formula mostra che la reattanza di induttanza è direttamente proporzionale alla frequenza. In altre parole, maggiore è la frequenza, maggiore è la reattanza induttiva.
Immaginiamo ora che il circuito integratore sia il partitore di tensione descritto sul sito, dove al posto del primo resistore c'è un'induttanza. E ora sappiamo dalla formula che l'induttanza trasmette facilmente le basse frequenze - la sua resistenza è minima e trasmette male le alte frequenze - la sua resistenza è massima. Senza modificare il testo, ripeto: nella radioelettronica, quando si calcolano i filtri di frequenza, si considera la caratteristica del filtro la frequenza di taglio, che è definita come il valore della frequenza del segnale al quale l'ampiezza del segnale di uscita diminuisce (attenua ) ad un valore di 0,7 dal segnale di ingresso. Per renderlo più chiaro, lo rappresenterò in un disegno.
Ciò che viene mostrato si chiama risposta in ampiezza-frequenza, o in breve - risposta in frequenza. Per un filtro passa-alto, la risposta in frequenza corrisponde a viola e la frequenza di taglio è uguale al valore f2 .
Metodo di misurazione dell'induttanza
Sicuramente, dopo aver letto questo articolo, un lettore competente penserà: "Hmm, la teoria è certamente buona, ma come si misura nella pratica il valore dell'induttanza con le mani?" Un giorno mi sono posto questa domanda e ho raccolto diagramma semplice per controllare le induttanze.
L'induttanza caratterizza le proprietà magnetiche di un circuito di corrente. È direttamente proporzionale al flusso magnetico e inversamente proporzionale alla corrente nel circuito.
La corrente elettrica scorre attraverso il circuito e forma un campo magnetico. L'induttanza è la capacità di ricevere energia da una fonte di corrente e creare da essa un campo magnetico.
Quando la corrente nell'avvolgimento aumenta, il campo magnetico aumenta e quando diminuisce diminuisce. Una bobina è una bobina elicoidale a forma di spirale composta da filo isolato, con induttanza, con bassa capacità e resistenza, che ha un'unità di misura Gn (Henry) ed è determinata dalla formula:
L = Φ/I, Dove l– induttanza della bobina, IO– forza attuale, Φ - flusso magnetico.
Il mulinello ha alcune caratteristiche speciali. Quando gli viene applicata una tensione costante, in esso si forma una tensione di segno opposto che dura un periodo di tempo molto breve. Questo fenomeno è stato chiamato fem autoindotta. La FEM è la forza elettromotrice.
Quando il circuito si apre, la tensione e la FEM si sommano, quindi la corrente inizialmente raddoppierà il valore e poi scenderà a zero. Il tempo in cui la corrente diminuisce dipende dall'entità dell'induttanza della bobina.
Tipi di bobine
Le bobine possono essere suddivise in tipologie:
Con nucleo magnetico. Il suo materiale può essere acciaio, nucleo di ferrite. Sono progettati per aumentare la quantità di induttanza.
Senza nucleo. Le bobine sono avvolte a spirale su un tubo di carta. Utilizzato per creare una bassa induttanza (fino a 5 mH).
Molto spesso, per ridurre le correnti parassite, vengono utilizzati nuclei costituiti da piastre di acciaio elettrico, nonché nuclei sotto forma di anelli di ferrite di varie dimensioni (toroidali), che garantiscono la creazione di un'induttanza significativa, a differenza dei nuclei cilindrici convenzionali.
Le bobine con una quantità significativa di induttanza sono realizzate sotto forma di un trasformatore con un nucleo metallico. Differiscono da un trasformatore convenzionale per il numero di avvolgimenti. In una bobina di questo tipo è presente un avvolgimento primario, ma non quello secondario.
Peculiarità
- Quando si collegano più bobine in un circuito parallelo, è necessario assicurarsi che siano posizionate il più lontano possibile l'una dall'altra sulla scheda, per evitare influenza reciproca si avvolgono l'una sull'altra mediante campi magnetici.
- La distanza tra le spire di un nucleo toroidale non influisce sulle proprietà della bobina induttiva.
- Per creare la massima induttanza, le spire della bobina devono essere avvolte strettamente insieme.
- Quando si utilizza un cilindro di ferrite come nucleo, il centro avrà l'induttanza più alta.
- Come meno numero accende le bobine, minore è la loro induttanza.
- Quando si collegano le bobine in serie, l'induttanza totale del circuito è la somma delle induttanze di ciascuna bobina.
Capacità della bobina
Le spire dell'avvolgimento della bobina sono separate l'una dall'altra da uno strato dielettrico, quindi formano una sorta di condensatore, caratterizzato dalla sua capacità. Nelle bobine con diversi strati di avvolgimento, si forma capacità tra gli strati. Di conseguenza, la bobina ha la proprietà non solo dell'induttanza, ma anche della capacità.
Molto spesso, la capacità della bobina ha un effetto negativo sugli elementi del circuito elettrico. Pertanto, la capacità della bobina viene smaltita diversi modi. Ad esempio, il telaio della bobina ha una forma speciale e le spire vengono avvolte utilizzando una tecnologia speciale. Quando la bobina viene avvolta da un giro all'altro, anche la sua capacità aumenta.
Circuito oscillatorio
Se colleghi un condensatore e una bobina secondo lo schema mostrato in figura, otterrai un circuito di oscillazione ampiamente utilizzato nei dispositivi di radioingegneria.
Se induci un campo elettromagnetico in una bobina o carichi un condensatore, nel circuito si verificheranno alcuni processi oscillatori. Quando è scarico, il condensatore eccita un campo magnetico nell'induttore. Quando la carica del condensatore è esaurita, la bobina restituisce energia al condensatore, ma con il segno opposto, utilizzando la fem di autoinduzione. Questo processo si ripete sotto forma di oscillazioni elettromagnetiche sinusoidali.
La frequenza di tali oscillazioni è la frequenza di risonanza, che dipende dall'induttanza della bobina e dalla capacità del condensatore. Un circuito oscillatorio collegato in parallelo presenta una resistenza significativa alla frequenza di risonanza. Ciò ne consente l'utilizzo per la selettività di frequenza nei circuiti di ingresso di apparecchiature radio, nonché negli amplificatori di frequenza e nei circuiti generatori di frequenza.
Con un circuito parallelo che collega il circuito di oscillazione, ci sono due elementi reattivi che hanno intensità di reattività diverse. L'uso di questo tipo di circuito ci consente di concludere che quando si collegano elementi in parallelo, è necessario sommare solo la loro conduttività e non le loro resistenze. Alla frequenza di risonanza la somma delle conduttività degli elementi del circuito è zero, il che ci permette di parlare di resistenza alla corrente alternata tendente all'infinito.
Durante 1 periodo di oscillazione del circuito, l'energia viene scambiata tra la bobina e il condensatore. In questo caso si forma una corrente di circuito che supera significativamente la corrente nel circuito esterno.
Induttanza e condensatore
Le parti sotto tensione di vari dispositivi possono formare induttanze. Tali parti sono fusibili, sbarre, terminali di collegamento e altre parti simili. Se si collegano inoltre le sbarre collettrici al condensatore, si forma un'induttanza che influisce sul funzionamento del circuito elettrico. Inoltre, le prestazioni del circuito sono influenzate dalla capacità e dalla resistenza.
L'induttanza formata alla frequenza di risonanza si calcola con la formula:
C e = C / (1 – 4 Π 2F 2l C), Dove C eè la capacità del condensatore (effettiva), F- frequenza attuale, l– induttanza della bobina, CON– capacità effettiva, P-Pi".
La quantità di induttanza deve essere sempre presa in considerazione nei circuiti con condensatori di grande potenza. Nei circuiti con condensatori a impulsi fattore importanteè il valore della propria induttanza. La scarica di tali condensatori avviene in circuiti induttivi, suddivisi in tipologie:
- Oscillatorio.
- Aperiodico.
In un condensatore l'induttanza dipende dal tipo di connessione degli elementi nel circuito. In un circuito parallelo, questo valore è la somma delle induttanze degli elementi del circuito. Per ridurre l'induttanza di un dispositivo elettrico, è necessario disporre le parti del condensatore che trasportano corrente in modo tale che i flussi magnetici siano compensati, cioè i conduttori con una direzione di corrente siano posizionati il più lontano possibile da ciascuno altro, e quelli con la direzione opposta si trovano uno accanto all'altro.
Avvicinando le parti che trasportano corrente e riducendo lo strato dielettrico, è possibile ridurre l'induttanza della sezione del condensatore. Ciò si ottiene dividendo una sezione in diversi piccoli contenitori.
Cosa intendi con la parola “bobina”? Beh... questo è probabilmente una specie di "fico" su cui si trovano fili, lenza, corda, qualunque cosa! Una bobina dell'induttore è esattamente la stessa cosa, ma invece di un filo, una lenza o qualsiasi altra cosa, lì viene avvolto un normale filo di rame nell'isolamento.
L'isolamento può essere realizzato con vernice trasparente, isolamento in PVC o persino tessuto. Il trucco qui è che anche se i fili nell'induttore sono molto vicini tra loro, rimangono fermi isolati gli uni dagli altri. Se avvolgi le bobine dell'induttore con le tue mani, non pensare in nessun caso all'utilizzo di un normale filo di rame nudo!
Induttanza
Qualsiasi induttore ha induttanza. Viene misurata l'induttanza della bobina Enrico(Gn), indicato da una lettera l e viene misurato utilizzando un misuratore LC.
Cos'è l'induttanza? Se una corrente elettrica viene fatta passare attraverso un filo, creerà un campo magnetico attorno a sé:
Dove
B — campo magnetico, Wb
IO-
Prendiamo questo filo e avvolgiamolo a spirale e applichiamo tensione alle sue estremità
E otteniamo questa immagine con linee di forza magnetiche:
In parole povere, quanto più linee di campo magnetico attraversano l’area di questo solenoide, nel nostro caso l’area del cilindro, tanto maggiore sarà il flusso magnetico (F). Poiché attraverso la bobina scorre una corrente elettrica, significa che la attraversa una corrente con l'intensità di corrente (IO), e il coefficiente tra il flusso magnetico e l'intensità della corrente è chiamato induttanza e si calcola con la formula:
Da un punto di vista scientifico, l'induttanza è la capacità di estrarre energia da una fonte di corrente elettrica e immagazzinarla sotto forma di campo magnetico. Se la corrente nella bobina aumenta, il campo magnetico attorno alla bobina si espande, mentre se la corrente diminuisce il campo magnetico si contrae.
Autoinduzione
Anche l'induttore ha una proprietà molto interessante. Quando viene applicata una tensione costante alla bobina, nella bobina appare una tensione opposta per un breve periodo di tempo.
Questa tensione opposta viene chiamata Fem autoindotta. Questo dipende dal valore di induttanza della bobina. Pertanto, nel momento in cui si applica la tensione alla bobina, la corrente cambia gradualmente il suo valore da 0 ad un certo valore in una frazione di secondo, perché anche la tensione, nel momento in cui viene applicata la corrente elettrica, cambia il suo valore da zero a un valore costante. Secondo la legge di Ohm:
Dove
IO- intensità di corrente nella bobina, A
U— tensione nella bobina, V
R— resistenza della bobina, Ohm
Come possiamo vedere dalla formula, la tensione cambia da zero alla tensione fornita alla bobina, quindi anche la corrente cambierà da zero a un certo valore. Anche la resistenza della bobina per la CC è costante.
E il secondo fenomeno nell'induttore è che se apriamo il circuito tra l'induttore e la sorgente di corrente, la nostra fem di autoinduzione verrà aggiunta alla tensione che abbiamo già applicato alla bobina.
Cioè, non appena interrompiamo il circuito, la tensione sulla bobina in quel momento può essere molte volte maggiore di quanto non fosse prima che il circuito fosse interrotto e la corrente nel circuito della bobina diminuirà silenziosamente, poiché l'autoinduzione emf manterrà la tensione decrescente.
Traiamo le prime conclusioni sul funzionamento dell'induttore quando gli viene fornita corrente continua. Quando la corrente elettrica viene fornita alla bobina, l'intensità della corrente aumenterà gradualmente e quando la corrente elettrica viene rimossa dalla bobina, l'intensità della corrente diminuirà gradualmente fino a zero. In breve, la forza attuale nella bobina non può cambiare istantaneamente.
Tipi di induttori
Gli induttori si dividono principalmente in due classi: con nucleo magnetico e non magnetico. Sotto nella foto c'è una bobina con un nucleo non magnetico.
Ma dov’è il suo nucleo? L'aria è un nucleo non magnetico :-). Tali bobine possono anche essere avvolte su un tubo cilindrico di carta. Le bobine di induttanza con nucleo non magnetico vengono utilizzate quando l'induttanza non supera i 5 millihenry.
Ed ecco gli induttori con un nucleo:
Vengono utilizzati principalmente nuclei costituiti da ferrite e piastre di ferro. I nuclei aumentano significativamente l'induttanza delle bobine. I nuclei a forma di anello (toroidale) consentono di ottenere un'induttanza maggiore rispetto ai semplici nuclei cilindrici.
Per le bobine a media induttanza vengono utilizzati nuclei di ferrite:
Le bobine ad alta induttanza sono realizzate come un trasformatore con un nucleo di ferro, ma con un avvolgimento, a differenza di un trasformatore.
Strozzatori
C'è anche tipo speciale induttori. Questi sono i cosiddetti. Un induttore è un induttore il cui compito è creare un'elevata resistenza alla corrente alternata in un circuito per sopprimere le correnti ad alta frequenza.
La corrente continua passa attraverso l'induttore senza problemi. Puoi leggere il motivo per cui ciò accade in questo articolo. Tipicamente, le induttanze sono collegate nei circuiti di alimentazione dei dispositivi di amplificazione. Le induttanze sono progettate per proteggere gli alimentatori dai segnali ad alta frequenza (segnali RF). Alle basse frequenze (LF) vengono utilizzati nei circuiti di alimentazione e solitamente hanno nuclei metallici o in ferrite. Sotto nella foto ci sono le induttanze di potenza:
Esiste anche un altro tipo speciale di strozzatori: questo. È costituito da due induttori contro-avvolti. Grazie al controavvolgimento e all'induzione reciproca, è più efficiente. Le induttanze doppie sono ampiamente utilizzate come filtri di ingresso per gli alimentatori, nonché nella tecnologia audio.
Esperimenti con una bobina
Da quali fattori dipende l'induttanza della bobina? Facciamo alcuni esperimenti. Ho avvolto una bobina con un nucleo non magnetico. La sua induttanza è così piccola che il misuratore LC mi mostra zero.
Ha un nucleo di ferrite
Comincio a inserire la bobina nel nucleo fino al bordo
Il misuratore LC legge 21 microhenry.
Inserisco la bobina al centro della ferrite
35 microhenry. Già meglio.
Continuo ad inserire la bobina sul bordo destro della ferrite
20 microhenry. Concludiamo La maggiore induttanza su una ferrite cilindrica si verifica al centro. Pertanto, se si avvolge su un cilindro, provare ad avvolgere al centro della ferrite. Questa proprietà viene utilizzata per modificare gradualmente l'induttanza negli induttori variabili:
Dove
1 è il telaio della bobina
2 - queste sono le spire della bobina
3 - nucleo, che ha una scanalatura sulla parte superiore per un piccolo cacciavite. Avvitando o svitando il nucleo, modifichiamo così l'induttanza della bobina.
L'induttanza è diventata quasi 50 microhenry!
Proviamo a raddrizzare le curve in tutta la ferrite
13 microhenry. Concludiamo: Per la massima induttanza, la bobina deve essere avvolta “giro per giro”.
Riduciamo della metà i giri della bobina. C'erano 24 orbite, ora ce ne sono 12.
Induttanza molto bassa. Ho ridotto il numero di giri di 2 volte, l'induttanza è diminuita di 10 volte. Conclusione: minore è il numero di spire, minore è l'induttanza e viceversa. L'induttanza non cambia linearmente tra le spire.
Sperimentiamo con un anello di ferrite.
Misuriamo l'induttanza
15 microhenry
Allontaniamo le spire della bobina l'una dall'altra
Misuriamo di nuovo
Hmm, anche 15 microhenry. Concludiamo: La distanza da una svolta all'altra non gioca alcun ruolo in un induttore toroidale.
Facciamo più giri. C'erano 3 turni, ora sono 9.
Misuriamo
Oh! Aumentato il numero di giri di 3 volte e l'induttanza aumentata di 12 volte! Conclusione: L'induttanza non cambia linearmente tra le spire.
Se credi alle formule per il calcolo delle induttanze, l'induttanza dipende dalle “spire al quadrato”. Non pubblicherò qui queste formule perché non ne vedo la necessità. Dirò solo che l'induttanza dipende anche da parametri come il nucleo (di che materiale è fatto), l'area della sezione trasversale del nucleo e la lunghezza della bobina.
Designazione sui diagrammi
Collegamento in serie e in parallelo delle bobine
A collegamento in serie di induttori, la loro induttanza totale sarà pari alla somma delle induttanze.
E quando collegamento parallelo otteniamo questo:
Quando si collegano le induttanze, è necessario eseguire quanto segue: La regola è che dovrebbero essere spazialmente distanziati sul tabellone. Questo perché se sono vicini tra loro i loro campi magnetici si influenzeranno a vicenda e quindi le letture delle induttanze risulteranno errate. Non posizionare due o più bobine toroidali su un asse di ferro. Ciò potrebbe comportare letture errate dell'induttanza totale.
Riepilogo
L'induttore svolge un ruolo molto importante nell'elettronica, specialmente nelle apparecchiature ricetrasmittenti. Vari tipi di apparecchiature radio elettroniche sono inoltre costruiti su bobine di induttori e nell'ingegneria elettrica vengono utilizzati anche come limitatore di sovratensione.
I ragazzi di Soldering Iron hanno realizzato un ottimo video su un induttore. Consiglio vivamente di guardare:
Oggi vedremo un induttore in un circuito a corrente alternata, scopriremo quale sarebbe la differenza se il circuito fosse alimentato a corrente continua, e anche molto caratteristiche interessanti questo semplice ma importantissimo elemento radio.
Innanzitutto, definiamo lo scopo di questa parte, nonché i concetti di base e i termini ad essa associati.
Cos'è un induttore
Un induttore è un elemento radio utilizzato in vari circuiti per quanto segue:
- Battere il livellamento;
- Soppressione delle interferenze;
- Limitazione della corrente CA;
- Accumulo di energia e altro ancora.
Rappresenta questo elemento una bobina elicoidale, elicoidale o elicoidale costituita da un conduttore isolato. Il componente ha una capacità relativamente piccola e una bassa resistenza attiva, mentre ha un'elevata induttanza, ovvero la capacità di generare EMF (forza elettromotrice) nel conduttore quando la corrente elettrica scorre nel circuito.
- L'induttore, a seconda del luogo e dello scopo dell'applicazione, può avere altri nomi. Ad esempio, se l'elemento viene utilizzato per l'isolamento ad alta frequenza in parti differenti circuiti, accumulo di energia dal campo magnetico del nucleo, attenuazione delle increspature e soppressione delle interferenze, la bobina è chiamata strozzatura o reattore (il secondo nome è usato raramente).
- Se parliamo di ingegneria elettrica di potenza, è stato stabilito il nome rettore: viene utilizzato quando è necessario limitare la corrente, ad esempio se si verifica un cortocircuito sulla linea elettrica.
- Esistono anche induttori cilindrici chiamati solenoidi. La lunghezza di un tale cilindro è molte volte maggiore del suo diametro.
Interessante da sapere! Il campo magnetico all'interno del solenoide è uniforme. Questo campo magnetico può eseguire lavoro meccanico attirando il nucleo di ferrite.
- Gli induttori vengono utilizzati anche nei relè elettromagnetici, dove sono chiamati avvolgimenti dei relè.
- Elementi simili sono installati anche nei riscaldatori a induzione: qui sono chiamati induttori di riscaldamento.
- Potresti anche sentire termini come accumulatore a induzione o soffocamento cumulativo se stiamo parlando sui dispositivi di stabilizzazione della tensione di impulso.
Caratteristiche del progetto
Strutturalmente, l'induttore è un conduttore isolato a nucleo singolo o a trefolo (solitamente filo di rame verniciato) avvolto a spirale o a vite attorno a un nucleo dielettrico (telaio). La forma del nucleo può essere rotonda, toroidale, rettangolare, quadrata. I materiali utilizzati per il nucleo hanno una permeabilità magnetica superiore a quella dell'aria, che inoltre trattiene il campo magnetico vicino alla bobina, il che significa che l'induttanza aumenta.
Esistono anche bobine che non hanno alcun nucleo, oppure sono regolabili, il che consente di modificare l'induttanza della parte.
L'avvolgimento del conduttore può essere monostrato, è anche chiamato ordinario con un gradino o multistrato (vengono utilizzati i nomi universale, pile-on, ordinario). La distanza tra le curve è chiamata passo.
Applicazione
Le bobine vengono utilizzate nell'elaborazione del segnale e nei circuiti analogici. Se combinati con condensatori e altri componenti radio, possono formare sezioni di circuiti che amplificano o filtrano determinati segnali.
Le induttanze sono ampiamente utilizzate negli alimentatori, dove, insieme ai condensatori di filtro, sono progettate per eliminare il rumore residuo e altre fluttuazioni che si verificano all'uscita.
Se due bobine sono collegate da un campo magnetico, si ottiene un trasformatore, un dispositivo in grado di trasmettere elettricità da una parte all'altra del circuito, a causa di induzione elettromagnetica, modificando contemporaneamente il valore della tensione.
Per riferimento! I trasformatori sono in grado di funzionare solo con corrente alternata.
Principali caratteristiche degli induttori
Prima di capire come si comporta la corrente quando passa attraverso un induttore in un circuito, scopriamo innanzitutto le caratteristiche principali di questo elemento.
- Prima di tutto, siamo interessati all'induttanza, un valore espresso numericamente dal rapporto tra il flusso del campo magnetico, creato dalla corrente che scorre, e la forza di questa corrente stessa. Questo parametro si misura in Henry (H).
- Più precisamente in un linguaggio semplice, allora questo fenomeno può essere descritto come segue. Quando la corrente scorre attraverso l'induttore, viene creato un campo elettromagnetico, direttamente correlato alla fem, che contrasta la variazione della tensione alternata, cioè nel circuito appare una corrente che scorre nella direzione opposta a quella principale.
- Misurando la corrente sull'induttore e la tensione alternata si resiste a questa forza, o meglio al contrario. Questa proprietà dell'elemento è chiamata reattanza induttiva, che è in antifase rispetto alla reattanza capacitiva di un condensatore collegato a un circuito di corrente alternata.