Induktorit ja magneettikentät. Osa 2. Sähkömagneettinen induktio ja induktanssi

Artikkelin ensimmäinen osa: Induktorit ja magneettikentät

Sähkö- ja magneettikenttien suhde

Sähköisiä ja magneettisia ilmiöitä on tutkittu jo pitkään, mutta kenellekään ei koskaan tapahtunut tapaa suhteuttaa näitä tutkimuksia toisiinsa. Ja vasta vuonna 1820 havaittiin, että nykyinen johdin toimii kompassin neulalla. Tämä löytö kuului tanskalaiselle fyysikolle Hans Christian Oerstedille. Myöhemmin GHS-järjestelmän magneettikentän voimakkuuden mittayksikkö sai hänen nimensä: venäläinen merkintä E (Oersted), englanninkielinen merkintä Oe. Magneettikentällä on tällainen voimakkuus tyhjössä 1 Gaussin induktion aikana.

Tämä löytö ehdotti, että magneettikenttä voitaisiin saada sähkövirrasta. Mutta samaan aikaan heräsi ajatuksia käänteismuunnoksesta, nimittäin siitä, kuinka saada sähkövirta magneettikentästä. Itse asiassa monet luonnossa tapahtuvat prosessit ovat palautuvia: vedestä saadaan jäätä, joka voidaan jälleen sulataa veteen.

Oerstedin löytön jälkeen tämän nyt itsestään selvän fysiikan lain tutkiminen kesti jopa kaksikymmentäkaksi vuotta. Englantilainen tutkija Michael Faraday harjoitti sähkön saamista magneettikentältä. Valmistettiin erimuotoisia ja -kokoisia johtimia ja magneetteja ja etsittiin vaihtoehtoja keskinäiselle järjestelylle. Ja vain ilmeisesti sattumalta, tutkija huomasi, että EMF: n aikaansaamiseksi johtimen päissä tarvitaan vielä yksi termi - magneetin liike, ts. magneettikentän on oltava muuttuva.

Nyt tämä ei yllättä ketään. Näin kaikki sähkögeneraattorit toimivat - kun sitä pyöritetään jollain, sähköä syntyy, hehkulamppu paistaa. Pysähti, lopetti kääntymisen ja valo sammui.

Sähkömagneettinen induktio

Siten johdin päissä oleva EMF esiintyy vain, jos sitä liikutetaan tietyllä tavalla magneettikentässä. Tai tarkemmin sanottuna magneettikentän täytyy välttämättä muuttua, olla muuttuva. Tätä ilmiötä kutsutaan venäjän sähkömagneettisessa ohjauksessa sähkömagneettiseksi induktioksi: tässä tapauksessa he sanovat, että EMF indusoituu johtimessa. Jos kuorma on kytketty tällaiseen EMF-lähteeseen, virta virtaa piirissä.

Indusoidun EMF: n suuruus riippuu useista tekijöistä: johtimen pituudesta, magneettikentän B induktiosta ja suuressa määrin johtimen liikkeen nopeudesta magneettikentässä. Mitä nopeammin generaattorin roottori pyörii, sitä suurempi jännite on sen ulostulossa.

Huomaa: sähkömagneettista induktiota (EMF: n esiintymistä johtimen päissä vuorottelevassa magneettikentässä) ei pidä sekoittaa magneettiseen induktioon - vektorin fysikaaliseen määrään, joka kuvaa todellista magneettikenttää.

Kolme tapaa saada EMF

induktio

Tätä menetelmää on harkittu. artikkelin ensimmäisessä osassa. Riittää, kun siirrät johtimen kestomagneetin magneettikentässä, tai päinvastoin, jos haluat siirtää (melkein aina kiertämällä) magneettia johtimen lähellä. Molemmat vaihtoehdot antavat ehdottomasti mahdollisuuden saada vuorotteleva magneettikenttä. Tässä tapauksessa menetelmää EMF: n saamiseksi kutsutaan induktioksi. Se on induktio, jota käytetään saamaan EMF eri generaattoreissa. Faradayn vuonna 1831 suorittamissa kokeissa magneetti liikkui asteittain lankakelan sisällä.

Keskinäinen induktio

Tämä nimi viittaa siihen, että kaksi johtinta osallistuu tähän ilmiöön. Yhdessä niistä virtaa muuttuva virta, joka luo vuorotellen magneettikentän. Jos lähellä on toinen johdin, niin sen päissä on muuttuva EMF.

Tätä menetelmää EMF: n saamiseksi kutsutaan keskinäiseksi induktioksi.Kaikki muuntajat toimivat keskinäisen induktion periaatteella, vain niiden johtimet on valmistettu kelaina ja ferromagneettisista materiaaleista valmistettuja ytimiä käytetään parantamaan magneettista induktiota.

Jos ensimmäisen johtimen virta pysähtyy (avoin piiri) tai jopa muuttuu erittäin vahvaksi, mutta vakiona (muutoksia ei ole), toisen johtimen päissä ei saada EMF: ää. Siksi muuntajat toimivat vain vaihtovirralla: jos galvaaninen akku on kytketty ensiökäämiin, sekundaarikäämin ulostulossa ei ehdottomasti ole jännitettä.

Sekundäärikäämin EMF indusoituu vain, kun magneettikenttä muuttuu. Lisäksi mitä voimakkaampi muutosnopeus, nimittäin nopeus eikä absoluuttinen arvo, sitä suurempi indusoitu EMF on.

Itse induktio

Jos poistat toisen johtimen, niin ensimmäisen johtimen magneettikenttä tunkeutuu ympäröivän tilan lisäksi myös itse johtimeen. Siten johtimen indusoiman EMF-kentän kentän vaikutuksesta, jota kutsutaan itseinduktion EMF: ksi.

Venäläinen tiedemies Lenz tutki itsensä induktioiden ilmiöitä vuonna 1833. Näiden kokeiden perusteella löydettiin mielenkiintoinen malli: Itseinduktion EMF aina torjuu, kompensoi ulkoisen vaihtuvan magneettikentän, joka aiheuttaa tämän EMF: n. Tätä riippuvuutta kutsutaan Lenzin säännöksi (ei pidä sekoittaa Joule-Lenzin lakia).

Kaavan miinusmerkki merkitsee vain itse induktion EMF: n torjumista sen syiden perusteella. Jos kela on kytketty tasavirtalähteeseen, virta kasvaa melko hitaasti. Tämä on erittäin havaittavissa, kun muuntajan ensiökäämi on "valittu" osoittimen ohmmimittarilla: nuolen nopeus nolla-asteikon suuntaan on huomattavasti pienempi kuin vastuksia tarkistettaessa.

Kun kela irroitetaan virtalähteestä, itseinduktio EMF aiheuttaa relekoskettimien kipinöinnin. Tapauksessa, jossa kelaa ohjataan transistorilla, esimerkiksi relekelalla, diodi sijoitetaan sen suuntaisesti vastakkaiseen suuntaan virtalähteen suhteen. Tämä tehdään puolijohde-elementtien suojaamiseksi EMF: n itseinduktion vaikutuksilta, jotka voivat olla kymmeniä tai jopa satoja kertoja suuremmat kuin virtalähteen jännite.

Kokeiden suorittamiseksi Lenz rakensi mielenkiintoisen laitteen. Kaksi alumiinirengasta on kiinnitetty alumiinivipuvarsiin. Yksi rengas on kiinteä, ja toinen leikattiin. Keinuvipu pyörii vapaasti neulassa.

Kun kestomagneetti johdettiin kiinteään renkaaseen, se “karkasi” magneetista ja kun magneetti poistettiin, se halusi sen. Samat toimenpiteet leikatun renkaan kanssa eivät aiheuttaneet liikettä. Tämä johtuu siitä, että jatkuvassa renkaassa vaihtuvan magneettikentän vaikutuksesta syntyy virta, joka luo magneettikentän. Mutta avoimessa renkaassa ei ole virtaa, siksi ei ole myöskään magneettikenttää.

Tärkeä yksityiskohta tässä kokeessa on, että jos magneetti työnnetään renkaaseen ja pysyy paikallaan, niin alumiinirenkaan reaktiota magneetin läsnäoloon ei havaita. Tämä vahvistaa jälleen kerran, että induktiivinen EMF tapahtuu vain, jos magneettikentässä tapahtuu muutos, ja EMF: n suuruus riippuu muutoksen nopeudesta. Tässä tapauksessa yksinkertaisesti magneetin liikkumisen nopeudesta.

Sama voidaan sanoa keskinäisestä induktiosta ja itseinduktiosta, vain muutos magneettikentän voimakkuudessa, tarkemmin sanottuna sen muutosnopeus riippuu virran muutosnopeudesta. Tämän ilmiön havainnollistamiseksi voimme antaa esimerkin.

Anna suurten virtojen kulkea kahden riittävän suuren samanlaisen kelan läpi: ensimmäisen kelan 10A ja toisen läpi jopa 1000, virtausten kasvaessa lineaarisesti molemmissa kelaissa. Oletetaan, että ensimmäisessä kelassa virta muuttui sekunnissa 10: stä 15A: seen ja toisessa 1000: sta 1001A: iin, mikä aiheutti itsesähköisen EMF: n esiintymisen molemmissa käämeissä.

Mutta huolimatta toisen kelan virran niin suuresta arvosta, itse induktio EMF on suurempi ensimmäisessä, koska siellä virran muutosnopeus on 5A / s ja toisessa se on vain 1A / s. Itse itseinduktion EMF riippuu virran (esimerkiksi magneettikentän lukeman) nousunopeudesta, ei sen absoluuttisesta arvosta.

induktanssi

Käämin magneettiset ominaisuudet virralla riippuvat kierrosten lukumäärästä, geometrisista mitoista. Merkittävä lisäys magneettikentässä voidaan saavuttaa tuomalla ferromagneettinen ydin kelaan. Kelan magneettiset ominaisuudet voidaan arvioida riittävän tarkasti induktion, keskinäisen induktion tai itseinduktion EMF-arvon perusteella. Kaikkia näitä ilmiöitä tarkasteltiin edellä.

Tätä puhuvan kelan ominaisuutta kutsutaan induktanssikertoimeksi (itseinduktioksi) tai yksinkertaisesti induktanssiksi. Kaavoissa induktanssi merkitään kirjaimella L, ja kaavioissa sama kirjain tarkoittaa induktanssikäämejä.

Induktiivisuuden yksikkö on Henry (GN). Induktiivisuus 1H sisältää kelan, jossa virran muuttuessa 1A sekunnissa syntyy 1 V EMF. Tämä arvo on melko suuri: riittävän voimakkaiden muuntajien verkkokäämitysten induktanssi on yksi tai useampi GN.

Siksi he käyttävät melko usein pienemmän luokan arvoja, toisin sanoen milli- ja mikro-henryä (mH ja μH). Tällaisia ​​käämejä käytetään elektronisissa piireissä. Yksi kelojen sovelluksista on värähtelypiirit radiolaitteissa.

Käämejä käytetään myös kuristimina, joiden päätarkoitus on ohittaa tasavirta ilman häviöitä heikentäen vaihtovirtaa (suodattimet) virtalähteissä). Yleensä mitä korkeampi toimintataajuus, sitä vähemmän induktanssikäämejä vaaditaan.

reaktanssi

Jos otat riittävän tehokkaan verkkomuuntajan ja mittaa yleismittarilla Ensiökäämin vastus osoittautuu, että se on vain muutama ohmi ja jopa lähellä nollaa. Osoittautuu, että tällaisen käämin läpi kulkeva virta on erittäin suuri ja jopa taipuvainen äärettömään. Oikosulku näyttää olevan väistämätöntä! Joten miksi hän ei ole?

Yksi induktorien pääominaisuuksista on induktiivinen resistanssi, joka riippuu induktanssista ja kelaan kytketyn vaihtovirran taajuudesta.

On helppo nähdä, että taajuuden ja induktanssin kasvaessa induktiivinen vastus kasvaa, ja tasavirralla se yleensä muuttuu nollaksi. Siksi mitattaessa kelojen resistanssia yleismittarilla, mitataan vain langan aktiivinen resistanssi.

Induktorien suunnittelu on hyvin monipuolinen ja riippuu käämin toimintataajuuksista. Esimerkiksi työssä radioaaltojen desimetrialueella käytetään melko usein painetulla johdotuksella valmistettuja keloja. Massatuotannossa tämä menetelmä on erittäin kätevä.

Kelan induktanssi riippuu sen geometrisista mitoista, ytimestä, kerrosten lukumäärästä ja muodosta. Tällä hetkellä valmistetaan riittävä määrä standardi-induktoreita, samanlaisia ​​kuin perinteiset vastukset, joissa on johdot. Tällaisten kelojen merkinnät suoritetaan värillisillä renkailla. On myös pinta-asennuskeloja, joita käytetään kuristimina. Tällaisten käämien induktanssi on useita milligeenejä.