Что называют индуктивностью проводника кратко

Обновлено: 05.07.2024

Величина, характеризующая соотношение между скоростью изменения тока и величиной, проявляющейся при этом в проводнике ЭДС самоиндукции, называется коэффициентом самоиндукции или индуктивностью проводника.

Индуктивность обозначается буквой L.

По-другому можно сказать, что индуктивность показывает, сколько энергии магнитного поля можно сохранить в проводнике.

При свертывании проводника в катушку его индуктивность увеличивается. Чем больше индуктивность проводника, тем больше (при одних и тех же изменениях тока) будет ЭДС самоиндукции.

Индуктивность измеряется единицей, называемой генри. Сокращенно генри обозначается Гн.

Индуктивностью в 1 генри обладает такая катушка, в которой при изменении силы тока на 1 ампер в течение одной секунды наводится ЭДС самоиндукции, равная 1 вольт.

Кроме генри для измерения индуктивности употребляются тысячная доля генри (миллигенри—мГн), миллионная доля генри (микрогенри — мкГн) и тысячная доля микрогенри (сантиметр — см) (не следует смешивать с единицами емкости и длины):

1 миллигенри (мГн ) =1/1000 Гн = 10-3 Гн;

1 микрогенги (мкГн) = 1/1000000 Гн = 1/1000 мГн =10-6 Гн

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Этим термином называют коэффициент, определяющий пропорциональное отношение между суммарным магнитным потоком (Фс) и электрическим током (I) в определенном контуре. Индуктивность проводника (L) и отмеченные параметры соединены в следующей формуле: Фc = I * L. Данная публикация поможет разобраться с тематическими вычислениями и применением теоретических знаний для расчета катушек, других специальных изделий.

Обозначение и единицы измерения

Из приведенных выражений видно, что индуктивность проводника зависит от силы тока, который за определенное значение времени способен образовать ЭДС в замкнутом контуре.

К сведению. Следует учитывать тот факт, что при рассмотрении высокочастотного диапазона влияние индуктивности значительно даже при работе с прямыми участками проводников.

Теоретическое обоснование

Рассматриваемое явление основано на способности генерации магнитного поля проводником при пропускании через соответствующий контур электрического тока. Для облегчения расчетов возможны следующие допущения:

слабость (медленное изменение) электрических полей;
постоянная сила тока в каждой части контура;
отсутствие емкостных составляющих проводника.

Для элементарно малых областей эксперимента берут точечное распределение токов (магнитных полей). Суммирование расчетных параметров позволяет уточнить зависимость векторного представления индукции (B) от потока, пронизывающего поверхность S. Ее край формирует контур, по которому пропускают ток.

Чтобы не усложнять вычисления, рассматривают суммарный поток, проходящий через S, без учета сложности определенной поверхности. Он будет примерно равен току. Уточняющий коэффициент (L) помогает узнать действительное значение.

К сведению. На основе приведенных рассуждений можно сделать промежуточный вывод о минимальном значении формы контура (при работе с низкими и средними частотами).

Свойства индуктивности

Следующие особенности индуктивности (L) надо учитывать в ходе подготовки конструкторской документации:

L > 0;
L зависит от размеров рабочего контура;
на L оказывают влияние магнитные свойства окружающей среды.

Индуктивность одновиткового контура и индуктивность катушки

По приведенным выше формулам несложно сделать расчет базовых параметров для одного витка. Общее значение Фс (потокосцепление) равно сумме потоков через каждый из контуров, при одинаковых размерах рабочих элементов Ln = L1 * N2, где N – количество витков.

Важно! В реальных условиях структура магнитных полей значительно отличается в центральной части и на краях катушки.

Индуктивность соленоида

Этим термином называют катушку с длиной, намного большей, по сравнению с диаметром. Такое соотношение геометрических размеров формирует параллельные силовые линии в центре конструкции. Для этой части индукция определяется по формуле:

В = m * N*I, где m (магнитная постоянная) = 4*π*10-7 Гн.

Индуктивность определяют с помощью выражения:

где:

S – площадь поперечного сечения катушки;
l – длина конструкции.

При установке внутрь сердечника с ферромагнитными свойствами дополнительно применяют поправочный множитель (m1), который определяет влияние соответствующего материала.

Индуктивность тороидальной катушки (катушки с кольцевым сердечником)

Для расчета изделий такой формы допустимо применять стандартную формулу со следующими поправками:

где r – радиус до центральной оси тора.

Индуктивность длинного прямого проводника

Такую конструкцию рассчитывают по формуле:

где mc (mi) – относительные проницаемости среды (материала проводника), соответственно.

При отсутствии внешних помех коэффициент mc берут равным единице.

Таблица индуктивностей

Датчики

Изменение напряжения на катушке индуктивности используют для контроля параметров окружающей среды. Такие датчики чутко реагируют на приближение изделий с ферромагнитными свойствами. Их применяют для бесконтактной фиксации положения отдельных частей механизмов, створок ворот и других изделий.

В соответствующем исполнении они хорошо противостоят неблагоприятным внешним воздействиям. Потенциальных потребителей привлекают простота, разумная стоимость, долговечность. Функциональный датчик несложно сделать собственными руками при необходимости. Такие приборы без проблем совмещаются с другими компонентами систем автоматизации.

Катушки индуктивности

Изделия этого типа используют для создания:

понижающих и повышающих трансформаторов;
колебательных контуров;
электромагнитных приводов;
нагревательных элементов;
приемных антенн.

К сведению. Катушку какой индуктивности надо включить для решения определенной задачи, вычисляют с помощью рассмотренных выше формул.

Взаимоиндукция

Так называют процесс возникновения электродвижущей силы в другом контуре при пропускании тока через первый.

Методы снижения нежелательной индуктивности

Для уменьшения негативных влияний применяют намотку катушек двойным проводом с последующим встречным соединением. Противоположное направление движения тока компенсируют паразитные поля. В линиях питания устанавливают компенсирующие реактивные нагрузки.

Видео

Индуктивность микрополосковой линии является распределенной и характеризуется значением индуктивности на единицу длины.

Индукти́вность (или коэффициент самоиндукции) — коэффициент пропорциональности между электрическим током, текущим в каком-либо замкнутом контуре, и магнитным потоком, создаваемым этим током через поверхность [1] , краем которой является этот контур. [2] [3] [4] .

$\displaystyle \Phi = LI$

— магнитный поток, — ток в контуре, — индуктивность.

Нередко говорят об индуктивности прямого длинного провода(см.). В этом случае и других (особенно - в не отвечающих квазистационарному приближению) случаях, когда замкнутый контур непросто адекватно и однозначно указать, приведенное выше определение требует особых уточнений; отчасти полезным для этого оказывается подход (упоминаемый ниже), связывающий индуктивность с энергией магнитного поля.

Через индуктивность выражается ЭДС самоиндукции в контуре, возникающая при изменении в нём тока [4] :

$\mathcal<E> _=-\frac<d\Phi >=-L\frac$
.

Из этой формулы следует, что индуктивность численно равна ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1 А за 1 с.

При заданной силе тока индуктивность определяет энергию магнитного поля, создаваемого этим током [4] :

$W = \frac<LI^2> $
.

Практически участки цепи со значительной индуктивностью выполняют в виде катушек индуктивности [4] . Элементами малой индуктивности (применяемыми для больших рабочих частот) могут быть одиночные (в том числе и неполные) витки или даже прямые проводники; при высоких рабочих частотах необходимо учитывать индуктивность всех проводников [5] .

Для имитации индуктивности, т.е. ЭДС на элементе, пропорциональной и противоположной по знаку скорости изменения тока через этот элемент, в электронике используются [6] и устройства, не основанные на электромагнитной индукции (см. Гиратор); такому элементу можно приписать определенную эффективную индуктивность, используемую в расчетах полностью (хотя вообще говоря с определенными ограничивающими условиями) аналогично тому, как используется обычная индуктивность.

Содержание

Обозначение и единицы измерения

В системе единиц СИ индуктивность измеряется в генри [7] , сокращенно Гн. Контур обладает индуктивностью в один генри, если при изменении тока на один ампер в секунду на выводах контура будет возникать напряжение в один вольт.

В вариантах системы СГС — системе СГСМ и в гауссовой системе индуктивность измеряется в сантиметрах ( 1 Гн = 10 9 см ; 1 см = 1 нГн ) [4] ; для сантиметров в качестве единиц индуктивности применяется также название абгенри. В системе СГСЭ единицу измерения индуктивности либо оставляют безымянной, либо иногда называют статгенри (1 статгенри ≈ 8,987552·10 11 генри, коэффициент перевода численно равен 10 −9 от квадрата скорости света, выраженной в см/с).

Символ L , используемый для обозначения индуктивности, был принят в честь Эмилия Христиановича Ленца (Heinrich Friedrich Emil Lenz) [8] [9] . Единица измерения индуктивности названа в честь Джозефа Генри (Joseph Henry) [10] . Сам термин индуктивность был предложен Оливером Хевисайдом (Oliver Heaviside) в феврале 1886 года [11] .

Теоретическое обоснование

Если в проводящем контуре течёт ток, то ток создаёт магнитное поле [4] .

Будем здесь вести рассмотрение в квазистатическом приближении, подразумевая, что переменные электрические поля не настолько сильны и быстры, чтобы ими нельзя было пренебречь в смысле порождения ими магнитного поля.

Ток считаем одинаковым по всей длине контура (пренебрегая емкостью проводника, которая позволяет накапливать заряды в разных его участках, что вызвало бы неодинаковость тока вдоль проводника и заметно усложнило бы картину).

По закону Био — Савара величина вектора магнитной индукции, создаваемой некоторым элементарным (в смысле геометрической малости участка проводника, рассматриваемого как элементарный источник магнитного поля) током в каждой точке пространства пропорциональна этому току. Суммируя поля, создаваемые каждым элементарным участком, приходим к тому, что и магнитное поле (вектор магнитной индукции), создаваемое всем проводником также пропорционально порождающему току.

Рассуждение выше верно для вакуума. В случае присутствия магнитной среды [12] (магнетика) с заметной (или даже большой) магнитной восприимчивостью вектор магнитной индукции (который и входит в выражение для магнитного потока) будет заметно (или даже во много раз) отличаться от того, каким бы он был в отсутствие магнетика (в вакууме). Мы ограничимся здесь линейным приближением, тогда вектор магнитной индукции, хотя, возможно, возросший (или уменьшившийся) в заметное количество раз по сравнению с отсутствием магнетика при том же контуре с током, тем не менее остается пропорциональным порождающему его току.

Тогда магнитный поток, то есть поток поля вектора магнитной индукции:

$\Phi = \int\limits_S \mathbf B\cdot \mathbf<dS> $

через любую конкретную фиксированную поверхность S (в частности и через интересующую нас поверхность, краем которой является наш контур с током) будет пропорционален току, так как пропорционально току B всюду под интегралом.

Итак, мы обосновали:

этого достаточно, чтобы утверждать, введя обозначение L для коэффициента пропорциональности, что

$\Phi = LI.$

В заключение теоретического обоснования покажем, что рассуждение корректно в том смысле, что магнитный поток не зависит от конкретной формы поверхности, натянутой на контур. (Действительно, даже на самый простой контур может быть натянута — в том смысле, что контур должен быть ее краем — не единственная поверхность, а разные, например, начав с двух совпадающих поверхностей, затем одну поверхность можно немного прогнуть, и она перестанет совпадать со второй). Поэтому надо показать, что магнитный поток одинаков для любых поверхностей, натянутых на один и тот же контур.

Но это действительно так: возьмем две такие поверхности. Вместе они будут составлять одну замкнутую поверхность. А мы знаем (из закона Гаусса для магнитного поля), что магнитный поток через любую замкнутую поверхность равен нулю. Это (с учетом знаков) означает, что поток через одну поверхность и другую поверхность — равны. Что доказывает корректность определения.

Свойства индуктивности

Индуктивность [13] всегда положительна.
Индуктивность зависит только от геометрических размеров контура и магнитных свойств среды (сердечника). [14]

Индуктивность одновиткового контура и индуктивность катушки

Величина магнитного потока, пронизывающего одновитковый контур, связана с величиной тока следующим образом [4] :

$\displaystyle \Phi = LI$

где — индуктивность витка. В случае катушки, состоящей из N витков предыдущее выражение модифицируется к виду:

$\displaystyle \Psi = LI$

где ^<\Phi _>" width="" height="" />
— сумма магнитных потоков через все витки (это так называемый полный поток, называемый в электротехнике потокосцеплением, именно он фигурирует в качестве магнитного потока вообще в случае для катушки в общем определении индуктивности и в теоретическом рассмотрении выше; однако для упрощения и удобства для многовитковых катушек в электротехнике пользуются отдельным понятием и отдельным обозначением), а — уже индуктивность многовитковой катушки. называют потокосцеплением или полным магнитным потоком [15] . Коэффициент пропорциональности иначе называется коэффициентом самоиндукции контура или просто индуктивностью [4] .

Если поток, пронизывающий каждый из витков одинаков (что довольно часто можно считать верным для катушки в более или менее хорошем приближении), то . Соответственно, =L_N^2" width="" height="" />
(суммарный магнитный поток через каждый виток увеличивается в N раз — поскольку его создают теперь N единичных витков, и потокосцепление еще в N раз, так как это поток через N единичных витков). Но в реальных катушках магнитные поля в центре и на краях отличаются, поэтому используются более сложные формулы.

Индуктивность соленоида

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

$\displaystyle B = \mu_0 Ni/l,$

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

$\displaystyle \Psi = \mu_0N^2iS/l,$

Отсюда следует формула для индуктивности соленоида (без сердечника):

$\displaystyle L = \mu_0N^2S/l.$

$\mu$

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

$\displaystyle L = \mu_0\mu N^2S/l.$

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

Более точные формулы для соленоида конечного размера

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

$\mu_0\mu \frac<r^ N^>\left\< -8w + 4\frac>\left( K\left( \sqrt<\frac> \right) -\left( 1-m\right) E\left( \sqrt< \frac> \right) \right) \right\>$

$=\mu_0\mu \frac<r^2N^2\pi> \left\< 1-\frac<3\pi >+\sum_^ <\infty >\frac <\left( 2n\right)!^2>> \left( -1\right) ^w^\right\>,$

- количество витков, - радиус цилиндра, - длина его образующей, , , - Эллиптические интегралы.

$\mu_0\mu \frac <r^2N^2\pi> \left( 1 - \frac <3\pi>+ \frac - \frac + \frac - \frac + . \right),$

$\mu_0\mu rN^2 \left\< \left( 1 + \frac + O(\frac) \right) \ln - 1/2 + \frac + O(\frac) \right\>.$

Индуктивность тороидальной катушки (катушки с кольцевым сердечником)

Для тороидальной катушки, намотанной на сердечнике из материала с большой магнитной проницаемостью, можно приближенно пользоваться формулой для бесконечного прямого соленоида (см. выше):

$L = N^2 \cdot \frac<\mu_0\mu S> ,\,$

где - оценка длины соленоида ( - большой радиус тора).

Лучшее приближение дает формула

$L = N^2 \cdot \frac<\mu_0\mu h> \cdot \ln \frac,\,$

где предполагается сердечник прямоугольного сечения с наружным радиусом R и внутренним радиусом r, высотой h.

Индуктивность длинного прямого проводника

Для длинного прямого (или квазилинейного) провода кругового сечения индуктивность выражается приближенной формулой [19] :

$L = \frac<\mu_0> <2\pi>l \Big( \mu_e \mathrm\frac + \frac\mu_i \Big),$

где − магнитная постоянная, - относительная магнитная проницаемость внешней среды (которой заполнено пространство (для вакуума ), - относительная магнитная проницаемость материала проводника, - длина провода, - радиус его сечения.

Индуктивность единичного круглого витка

$L = \mu_0 R \Big( \mathrm<ln> Индуктивность витка в форме окружности [19] радиуса R из проводника круглого сечения радиусом r \frac - 2 + \frac\mu_i \Big),$

где − магнитная постоянная, - относительная магнитная проницаемость материала проводника.

Индуктивность прямоугольной рамки

Индуктивность прямоугольной рамки размерами из (достаточно тонкого) провода круглого сечения толщиной такова [20] :

$L = 4\cdot10^<-7> \cdot \Big( 0,434 \cdot \Big( a \mathrm\frac + b \mathrm\frac \Big) + 2d - 1.75\cdot(a+b) \Big),$

Самоиндукция.

Если по катушке идет переменный ток, то:
магнитный поток, пронизывающий катушку, меняется во времени,
а в катушке возникает ЭДС индукции .
Это явление называют самоиндукцией.

По правилу Ленца при увеличении тока напряженность вихревого электрического поля направлена против тока, т.е. вихревое поле препятствует нарастанию тока.
При уменьшения тока напряженность вихревого электрического поля и ток направлены одинаково, т.е.вихревое поле поддерживает ток.

На вышеприведенном рисунке:
при замыкании ключа первая лампа вспыхивает практически сразу, а вторая — с заметным запозданием, т.к. ЭДС самоиндукции в цепи второй лампы велика, и сила тока не сразу достигает своего максимального значения.

При размыкании ключа в катушке L возникает ЭДС самоиндукции, которая поддерживает уменьшающийся ток.
В момент размыкания через гальванометр идет ток размыкания, направленный против начального тока до размыкания.
Сила тока при размыкании может быть больше начального тока, т.е. ЭДС самоиндукции больше ЭДС источника тока.

Индуктивность

Величина индукции магнитного поля, создаваемого током, пропорционален силе тока, а магнитный поток пропорционален магнитной индукции.

Ф = LI

где L — индуктивность контура (иначе коэффициентом самоиндукции), т.е. это коэффициент пропорциональности между током в проводящем контуре и магнитным потоком.

Используя закон электромагнитной индукции, получаем равенство

Индуктивность — это физическая величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока в нем на 1 А за 1 с.

Индуктивность зависит от размеров проводника, его формы и магнитных свойств среды, в которой находится проводник, но не зависит от силы тока в проводнике.

Индуктивность катушки (соленоида) зависит от количества витков в ней.

Единицу индуктивности в СИ называется генри (1Гн).
Индуктивность проводника равна 1 Гн, если в нем при равномерном изменении силы тока на 1 А за 1 с возникает ЭДС самоиндукции 1 В.

Аналогия между самоиндукцией и инерцией.

Явление самоиндукции подобно явлению инерции в механике.

В механике:
Инерция приводит к тому, что под действием силы тело приобретает определенную скорость постепенно.
Тело нельзя мгновенно затормозить, как бы велика ни была тормозящая сила.

В электродинамике:
При замыкании цепи за счет самоиндукции сила тока нарастает постепенно.
При размыкании цепи самоиндукция поддерживает ток некоторое время, несмотря на сопротивление цепи.

Явление самоиндукции выполняет очень важную роль в электротехнике и радиотехнике.

Энергия магнитного поля тока

По закону сохранения энергии энергия магнитного поля, созданного током, равна той энергии, которую должен затратить источник тока (например, гальванический элемент) на создание тока.
При размыкании цепи эта энергия переходит в другие виды энергии.

При замыкании цепи ток нарастает.
В проводнике появляется вихревое электрическое поле, действующее против электрического поля, созданного источником тока.
Чтобы сила тока стала равной I, источник тока должен совершить работу против сил вихревого поля.
Эта работа идет на увеличение энергии магнитного поля тока.

При размыкании цепи ток исчезает.
Вихревое поле совершает положительную работу.
Запасенная током энергия выделяется.
Это обнаруживается, например, по мощной искре, возникающей при размыкании цепи с большой индуктивностью.

Энергия магнитного поля, созданного током, проходящим по участку цепи с индуктивностью L, определяется по формуле

Магнитное поле, созданное электрическим током, обладает энергией, прямо пропорциональной квадрату силы тока.

Плотность энергии магнитного поля (т. е. энергия единицы объема) пропорциональна квадрату магнитной индукции: w_м ~ В 2 ,
аналогично тому как плотность энергии электрического поля пропорциональна квадрату напряженности электрического поля w_э ~ Е 2 .

Электромагнитная индукция. Физика, учебник для 11 класса - Класс!ная физика

Читайте также:


Сериал папик о чем кратко

Что такое фибрин кратко

Геологическая деятельность рек кратко

Школа 1164 педагогический состав

Какая политика в сша получила название охоты на ведьм кратко