Aniks-lift.ru

Подъемное оборудование
2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Разница между индуктивностью и емкостью

Индуктивность и емкость — два основных свойства цепей RLC. Катушки индуктивности и конденсаторы, которые связаны с индуктивностью и емкостью соответственно, обычно используются в генераторах сигналов и аналоговых фильтрах. Ключевое различие между индуктивностью и емкостью заключается в том, что индуктивность — это свойство проводника с током, которое создает магнитное поле вокруг проводника, тогда как емкость — это свойство устройства удерживать и накапливать электрические заряды.

1. Обзор и основные отличия

2. Что такое индуктивность

3. Что такое емкость

4. Сопоставление параллельно — индуктивность и емкость

Закон Ленца

Закон Ленца говорит нам, что индуцированный ток направлен так, чтобы препятствовать той причине, которая его вызвала. Например, подаём мы на катушку напряжение. В катушке образуется магнитное поле которое в момент включения пересекает витки катушки и наводит там электродвижущую силу самоиндукции. По закону Ленца индуцированная ЭДС самоиндукции будет направлена навстречу току который её вызвал.

Если подавать (а) и снимать (б) напряжение с катушки, то произойдёт следующее. Магнитное поле будет то появляться, то исчезать. В результате изменяющееся магнитное поле будет пересекать витки катушки и индуцировать в ней ЭДС.

Индуктивность и дроссели

Новое понятие ЭДС самоиндукции. Давайте рассмотрим её поподробнее.

Самоиндукция

Если через замкнутый контур пропускать переменный ток, можно зарегистрировать с помощью простых экспериментов магнитное поле в окружающей среде. Изменение силовых параметров сопровождается появлением в цепи наведенной электродвижущей силы. Данное явление называют самоиндукцией.

Величину ЭДС можно вычислить по формуле:

Это выражение показывает зависимость напряжения от изменения тока за единицу времени. Поправочный коэффициент (L) обозначает особенности проводника (индукционной катушки). Знак «-» характеризует инерционные свойства явления.

При пропускании синусоидального сигнала следует учитывать отставание напряжения (векторное выражение) от тока на 90 градусов. Амплитуда будет прямо пропорциональна частоте (w):

§ 5.7. Самоиндукция. Индуктивность

При самоиндукции проводящий контур играет двоякую роль: по нему протекает ток, вызывающий индукцию, и в нем же появляется ЭДС индукции. Изменяющееся магнитное поле индуцирует ЭДС в том самом проводнике, по которому течет ток, создающий это поле.

В момент нарастания тока напряженность вихревого электрического поля в соответствии с правилом Ленца направлена против тока. Следовательно, в этот момент вихревое поле препятствует нарастанию тока. Наоборот, в момент уменьшения тока вихревое поле поддерживает его.

Это приводит к тому, что при замыкании цепи, содержащей источник постоянной ЭДС, определенное значение силы тока устанавливается не сразу, а постепенно с течением времени (рис. 5.13). С другой стороны, при отключении источника ток в замкнутых контурах прекращается не мгновенно. Возникающая при этом ЭДС самоиндукции может превыыхать ЭДС источника, так как изменение тока и его магнитного поля при отключении источника происходит очень быстро.

Явление самоиндукции можно наблюдать на простых опытах. На рисунке 5.14 показана схема параллельного включения двух одинаковых ламп. Одну из них подключают к источнику через резистор R, а другую — последовательно с катушкой L с железным сердечником.

При замыкании ключа первая лампа вспыхивает практически сразу, а вторая — с заметным запозданием. ЭДС самоиндукции в цепи этой лампы велика, и сила тока не сразу достигает своего максимального значения.

Читайте так же:
Выбор сечения кабеля по току калькулятор

Появление ЭДС самоиндукции при размыкании можно наблюдать на опыте с цепью, схематически показанной на рисунке 5.15. При размыкании ключа в катушке L возникает ЭДС самоиндукции, поддерживающая первоначальный ток. В результате в момент размыкания через гальванометр течет ток (штриховая стрелка), направленный против начального тока до размыкания (сплошная стрелка). Причем сила тока при размыкании цепи превосходит силу тока, проходящего через гальванометр при замкнутом ключе. Это означает, что ЭДС самоиндукции Eis больше ЭДС E батареи элементов.

Аналогия между самоиндукцией и инерцией

Явление самоиндукции подобно явлению инерции в механике. Так, инерция приводит к тому, что под действием силы тело не мгновенно приобретает определенную скорость, а постепенно. Тело нельзя мгновенно затормозить, как бы велика ни была тормозящая сила. Точно так же за счет самоиндукции при замыкании цепи сила тока не сразу приобретает определенное значение, а нарастает постепенно. Выключая источник, мы не прекращаем ток сразу. Самоиндукция его поддерживает некоторое время, несмотря на наличие сопротивления цепи.

Далее, чтобы увеличить скорость тела, согласно законам механики, нужно совершить работу. При торможении тело само совершает положительную работу. Точно так же для создания тока нужно совершить работу против вихревого электрического поля, а при исчезновении тока это поле само совершает положительную работу.

Это не просто внешняя аналогия. Она имеет глубокий внутренний смысл. Ведь ток — это совокупность движущихся заряженных частиц. При увеличении скорости электронов создаваемое ими магнитное поле меняется и порождает вихревое электрическое поле, которое действует на сами электроны, препятствуя мгновенному увеличению их скорости под действием внешней силы. При торможении, напротив, вихревое поле стремится поддержать скорость электронов постоянной (правило Ленца). Таким образом, инертность электронов, а значит, и их масса, по крайней мере частично, имеет электромагнитное происхождение. Масса не может быть полностью электромагнитной, так как существуют электрически нейтральные частицы, обладающие массой (нейтроны и др.).

Индуктивность

Модуль в магнитной индукции, создаваемой током в любом замкнутом контуре, пропорционален силе тока. Так как магнитный поток Ф пропорционален В, то Ф — В — I.

Можно, следовательно, утверждать, что

где L — коэффициент пропорциональности между током в проводящем контуре и созданным им магнитным потоком, пронизывающим этот контур. Величину L называют индуктивностью контура или его коэффициентом самоиндукции.

Используя закон электромагнитной индукции и выражение (5.7.1), получим равенство:

если считать, что форма контура остается неизменной и поток меняется только за счет изменения тока.

Из формулы (5.7.2) следует, что индуктивность — это физическая величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1 А за 1 с.

Индуктивность, подобно электроемкости, зависит от геометрических факторов: размеров проводника и его формы, но не зависит непосредственно от силы тока в проводнике. Кроме геометрии проводника, индуктивность зависит от магнитных свойств среды, в которой находится проводник.

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

Взаимная индукция

Еще одним частным случаем электромагнитной индукции является взаимная индукция. Взаимной индукцией называют возникновение индукционного тока в замкнутом контуре (катушке) при изменении силы тока в соседнем контуре (катушке). Контуры при этом неподвижны друг относительно друга, как, например, катушки трансформатора.

Читайте так же:
Выбираем пылесос с циклонным фильтром

Количественно взаимная индукция характеризуется к о-эффициентом взаимной индукции, или взаимной индуктивностью.

На рисунке 5.16 изображены два контура. При изменении силы тока I1 в контуре 1 в контуре 2 возникает индукционный ток I2.

Поток магнитной индукции Ф1,2 созданный током в первом контуре и пронизывающий поверхность, ограниченную вторым контуром, пропорционален силе тока I1:

Коэффициент пропорциональности L1,2 называется взаимной индуктивностью. Он аналогичен индуктивности L.

ЭДС индукции во втором контуре, согласно закону электромагнитной индукции, равна:

Коэффициент L1,2 определяется геометрией обоих контуров, расстоянием между ними, их взаимным расположением и магнитными свойствами окружающей среды. Выражается взаимная индуктивность L1,2, как и индуктивность L, в генри.

Если сила тока меняется во втором контуре, то в первом контуре возникает ЭДС индукции

Глава 15 — Индукторы

Существует четыре основных фактора конструкции индуктора, определяющих величину индуктивности. Все эти факторы обусловливают индуктивность, влияя на то, как будет развиваться поток магнитного поля для заданного количества силы магнитного поля (ток через катушку индуктора):

КОЛИЧЕСТВО ПРОВОДОВ ПРОВОДОВ ИЛИ «ПОВОРОТ» В КОЛЬЦЕ: при прочих равных условиях большее число витков провода в катушке приводит к большей индуктивности; меньшее количество витков провода в катушке приводит к меньшей индуктивности.

Объяснение: Больше оборотов провода означает, что катушка будет генерировать большее количество силы магнитного поля (измеренное в ампер-витках!) Для заданного количества тока катушки.

Image

ОБЛАСТЬ COIL: при прочих равных условиях большая площадь катушки (измеренная по длине через катушку в поперечном сечении сердечника) приводит к большей индуктивности; меньшая площадь катушки приводит к меньшей индуктивности.

Объяснение: Большая площадь обмотки меньше сопротивляется формированию магнитного потока магнитного поля при заданной величине силы поля (ампер-витки).

Image

ДЛИНА COIL: при прочих равных условиях, чем длиннее длина катушки, тем меньше индуктивность; чем короче длина катушки, тем больше индуктивность.

Объяснение: Более длинный путь для потока магнитного поля должен приводить к большему противодействию формированию этого потока для любого заданного количества силы поля (ампер-витки).

Image

CORE MATERIAL: При прочих равных условиях, чем больше магнитная проницаемость сердечника, вокруг которого обматывается катушка, тем больше индуктивность; чем меньше проницаемость сердечника, тем меньше индуктивность.

Объяснение: Материал сердечника с большей магнитной проницаемостью приводит к большему потоку магнитного поля для любого заданного количества силы поля (ампер-витков).

Image

С этой формулой можно найти аппроксимацию индуктивности для любой катушки провода:

Image

Следует понимать, что эта формула дает только приблизительные цифры. Одной из причин этого является тот факт, что проницаемость изменяется по мере изменения напряженности поля (помните нелинейные кривые «B / H» для разных материалов). Очевидно, что если проницаемость (μ) в уравнении неустойчива, то индуктивность (L) также будет в некоторой степени неустойчивой по мере изменения величины тока через катушку. Если гистерезис материала сердечника значителен, это также будет иметь странные эффекты на индуктивность катушки. Конструкторы индукторов пытаются минимизировать эти эффекты, сконструируя ядро ​​таким образом, что его плотность потока никогда не приближается к уровням насыщения, и поэтому индуктор работает в более линейной части кривой B / H.

Если индуктор сконструирован так, что любой из этих факторов может меняться по желанию, его индуктивность будет соответственно изменяться. Переменные индукторы обычно изготавливаются путем обеспечения возможности варьировать количество используемых витков проволоки в любой момент времени или путем изменения материала сердцевины (скользящего сердечника, который может перемещаться внутри и снаружи катушки). Пример предыдущей конструкции показан на этой фотографии:

Читайте так же:
Как использовать баллон монтажной пены без пистолета

Image

Этот блок использует скользящие медные контакты для подключения катушки в разных точках по длине. Показанное устройство представляет собой индуктор с воздушным сердечником, используемый в ранних радиоработах.

Индуктор с фиксированной величиной показан на следующей фотографии, еще один антикварный блок с воздушным сердечником, созданный для радиоприемников. Соединительные клеммы можно видеть внизу, а также несколько оборотов относительно толстого провода:

Image

Вот еще один индуктор (с большей индуктивностью), также предназначенный для радиоприложений. Его проволочная катушка намотана вокруг белой керамической трубки для большей жесткости:

Image

Индукторы также могут быть сделаны очень малыми для применений печатных плат. Внимательно изучите следующую фотографию и посмотрите, можете ли вы идентифицировать две индукторы рядом друг с другом:

Image

Два индуктора на этой монтажной плате обозначены как L 1 и L 2, и они расположены в правом центре платы. Два соседних компонента: R 3 (резистор) и C 16 (конденсатор). Эти индукторы называются «тороидальными», потому что их проволочные катушки намотаны вокруг сердечников в форме пончика («torus»).

Подобно резисторам и конденсаторам, индукторы могут быть упакованы как «устройства для поверхностного монтажа». Следующая фотография показывает, насколько мала индуктивность при упаковке как таковая:

Image

На этой монтажной плате видна пара индукторов, справа и в центре, представляющая собой небольшую черную микросхему с номером «100», напечатанным на обоих. Верхнюю этикетку индуктора можно увидеть на зеленой печатной плате как L 5 . Конечно, эти индукторы очень малы по индуктивному значению, но демонстрируют, насколько малы они могут быть изготовлены для удовлетворения определенных потребностей в проектировании схем.

Явление в проводниках

физика вектор магнитной индукции

Значение индукции в физике позволяет нам, при помощи ряда других знаний о природе тока, определять, что процесс перераспределения зарядов внутри металлов, имеющих высокий показатель проводимости, в условиях воздействия внешнего эл. поля, будет протекать до момента его полной взаимной компенсации. А также это приведет к появлению разно заряженных наведенных зарядов, расположенных на противоположных концах самого проводника.

Рассмотрение такого явления важно при решении задач по физике. Индукция электростатической природы используется для их заряжения. Это можно показать, если заземленный проводник подвергнуть воздействию тела с отрицательным зарядом, путем их сближения. С учетом отсутствия их соприкосновения, некоторая часть «-» зарядов отправится в землю, замещаясь при этом зарядами «+». Теперь, если мы уберем заземление и тело, имеющее заряд, последнее все равно будет заряжено положительно. Такие же действия, но в отсутствии заземления, обусловят индуцированное перераспределение зарядов внутри проводника. Это приведет к тому, что каждая его часть обретет нейтральную форму.

В опыте по индукции, когда изменялось магнитное поле, образованное током, протекающим в катушке Л, витки катушки также подвергались действию этого поля. По закону индукции в них должна наводиться э. д. с. индукции. Это явление действительно происходит и называется самоиндукцией, а наведенная в витках катушки А э. д. с. — электродвижущей силой самоиндукции.

Читайте так же:
В чем измеряется эдс в физике

Самоиндукцию в простейших случаях замыкания и размыкания цепи постоянного тока можно показать на следующих опытах. При замыкании цепи (рис., а) две лампочки подключены параллельно к батарее Б через ключ К: Л1 — последовательно с катушкой L с железным сердечником, Л2 — последовательно с реостатом Р, равным по сопротивлению катушке.

При замыкании цепи лампочка Л2 загорается сразу, лам почка Л1 — с небольшим запаздыванием. Причиной является то, что при появлении тока в катушке в ней наводится э. д. с. самоиндукции, противодействующая приложенному напряжению. В результате взаимодействия приложенного напряжения и электродвижущей силы самоиндукции ток IL в цепи нарастает постепенно (рис., а — верхний график), что и вызывает запаздывание накала лампочки.

При размыкании цепи (рис., б) лампочка накаливания Л включена параллельно катушке L с большим числом витков и железным сердечником, подключенной через ключ К к батарее Б. При замкнутой цепи накал лампочки незначителен, при размыкании же ключа К лампочка ярко вспыхивает. Это объясняется тем, что при размыкании цепи и быстром убывании тока в витках катушки наводится э. д. с. самоиндукции, под действием которой через лампочку проходит ток, значительно больший, чем ток от батареи (см. график на рис. 262, б).

Электродвижущая сила самоиндукции

Электродвижущая сила самоиндукции катушки аналогична э. д. с. индукции, следовательно, к ней также относятся и правило Ленца и приведенная выше формула. Для практики, однако, удобнее связать величину э. д. с. самоиндукции не с магнитным потоком, а с током, протекающим по контуру. При прочих равных условиях магнитный поток Ф прямо пропорционален току I, который его образует:

Ф = βI.

Тогда электродвижущая сила самоиндукции в контуре:

EL = — k(∆Ф)(∆t) = —k(β∆I/∆t) = — L(∆I/∆t)

где — есть скорость изменения силы тока. Таким образом, электродвижущая сила самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения тока в контуре.

Коэффициент пропорциональности L называется коэффициентом самоиндукции или индуктивностью контура.

В чем измеряют самоиндукцию

В системе СИ индуктивность измеряют в генри (гн). Генри есть индуктивность контура, в котором при равномерном изменении тока на I а за 1 сек возникает э. д. с. самоиндукции в 1 в: гн=всек/а.

Физически индуктивность — это величина, которая характеризует свойства контура (или вообще электрической цепи), обусловливающие величину Ф магнитного потока, связанного с контуром, при данной силе I тока в нем

Индуктивность катушки зависит в первую очередь от числа п витков и вещества сердечника (относительной магнитной проницаемости μ), а также от площади S витков и длины l катушки. В единицах системы

СИ Ln=μ μ (n 2 /l) S.π

В системе СГС единица индуктивности называется сантиметром, практически она почти не употребляется.

Формулу для э. д. с. индукции можно представить также в виде где М называют коэффициентом взаимоиндукции и измеряют также в генри.

Генри входит в размерность магнитной постоянной μ = 4π • 10 -7 гн/м.

Можно показать, что это соответствует размерности н/а 2 , : гн/м=всек/(а • м)=дж/(а 2 • м)=н •м1(а 2 • м)=н/а 2 .

Индукционная катушка

Индукционная катушка

Индукционная катушка в настоящее время сохранилась только как лабораторный прибор для спектральных, физиологических и других исследований. Индукционная катушка (рис. 2, а — принципиальная схема, рис. 2, б — общий вид) состоит из двух катушек: первичной П с небольшим числом витков и вторичной В из большого числа витков с общим сердечником в виде пучка железных проволок.

Читайте так же:
Выбираем светодиодные лампы для дома

В цепь первичной катушки, которая питается током от аккумулятора Б, включен электромагнитный прерыватель тока М, состоящий из упругой пластинки с железным якорем на конце, расположенным против сердечника С катушки. На пластинке имеется контакт, касающийся регулировочного винта Р и через который замыкается цепь питания первичной катушки.

При замыкании выключателя К ток проходит через первичную катушку и намагничивает сердечник. Якорь прерывателя тока М притягивается к сердечнику и контакт с витком размыкается. Цепь тока прерывается, сердечник размагничивается и вследствие упругости пластинки прерыватель возвращается в исходное положение. Контакт с винтом Р вновь замыкается, в первичной катушке проходит ток, якорь притягивается, вновь происходит размыкание цепи и т. д.

Вследствие самоиндукции первичной катушки ток в ней имеет форму импульсов. Частоту прерывания тока можно регулировать винтом Р, приближая или удаляя якорь прерывателя от сердечника С. Параллельно контакту с винтом Р включен конденсатор И, который уменьшает искрение в контакте.

При замыкании и размыкании тока в первичной катушке во вторичной возникают импульсы э. д. с. индукции: при замыкании—сравнительно продолжительный импульс невысокого напряжения, в момент размыкания— кратковременный импульс, значительный по напряжению . Эти импульсы, называемые в медицине фарадическим током, использовались для раздражения мышц. В настоящее время они заменяются тетанизирующим током.

Регулировка напряжения во вторичной катушке осуществляется путем смещения вторичной катушки по отношению к первичной. Для этого она часто делается на подвижных салазках, а весь прибор называют санным аппаратом.

Вихревые токи

Электромагнитная индукция, которую рассматривали выше применительно к проводнику, витку или катушке, будет иметь также место, если в магнитное поле, изменяющееся по напряженности, поместить сплошную проводящую ток массу, например металлический брус или пластинку. В этом случае индукцион ные токи имеют характер замкнутых в массе проводника круговых вихрей, охватывающих силовые линии поля и расположенных в плоскостях, им перпендикулярных. Соответственно они и называются вихревыми токами.

О наличии вихревых токов можно судить главным образом по нагреванию металла. Вихревые токи имеют значение преимущественно в цепях переменного тока, когда мощность их может достигать значительной величины.

Вихревые токи под действием переменного магнитного поля возникают также и в растворе электролита . Однако мощность этих токов, а следовательно, и нагревание раствора будут невысокими в связи с низкой электропроводностью раствора по сравнению с электропроводностью металла.

Эффективность нагревания раствора электролита путем индукции может быть значительно повышена применением переменного тока высокой частоты. Этот принцип используется в медицине с лечебной целью.

Для предупреждения затраты энергии и нагревания металлических масс вследствие индукции вихревых токов в машинах и аппаратах, работающих при переменном токе, соответствующие части, например сердечники электромагнитов, трансформаторов и т. п., делаются из тонких листов, изолированных между собой пленкой окисла или лаковым покрытием и расположенных перпендикулярно плоскостям, в которых замыкаются вихревые токи.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector