Die Induktivität ist ein Maß für die Fähigkeit von Bauteilen in einem Stromkreis, Magnetfeldenergie aufzunehmen. Sie ist auch ein Maß für das Verhältnis zwischen Strom und Magnetfeld. Sie wird auch mit der Trägheit der Elektrizität verglichen, wie dies bei der Masse als Maß für die Trägheit mechanischer Körper der Fall ist.
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Das Phänomen der Selbstinduktion
Das Phänomen der Selbstinduktion tritt auf, wenn der Strom, der durch einen Stromkreis fließt, in seiner Größe variiert. In diesem Fall ändert sich der magnetische Fluss durch den Stromkreis, und an den Ausgängen des Stromkreises entsteht eine EMK, die so genannte Selbstinduktions-EMK. Diese EMK verläuft entgegengesetzt zur Stromrichtung und ist gleich:
ε=-∆F/∆t=-L*(∆I/∆t)
Offensichtlich ist die Selbstinduktions-EMK gleich der Änderungsrate des magnetischen Flusses, die durch die Änderung des durch den Stromkreis fließenden Stroms verursacht wird, und ist auch proportional zur Änderungsrate des Stroms. Der Proportionalitätskoeffizient zwischen der EMK der Selbstinduktion und der Stromänderungsrate wird als Induktivität bezeichnet und mit L bezeichnet. Dieser Wert ist immer positiv und hat eine SI-Einheit von 1 Henry (1 Gn). Es werden auch gebrochene Brüche - Milligenerien und Mikrogenerien - verwendet. Von einer Induktivität von 1 Henry kann gesprochen werden, wenn eine Stromänderung von 1 Ampere eine EMK von 1 Volt Selbstinduktion verursacht. Nicht nur ein Stromkreis hat eine Induktivität, sondern auch ein einzelner Leiter und eine Spule, die man sich als eine Vielzahl von Stromkreisen in Reihe vorstellen kann.
Energie wird in der Induktivität gespeichert, die sich wie folgt berechnen lässt: W=L*I2/2, wobei:
- W - Energie, J;
- L - Induktivität, Gn;
- I ist der Strom in der Spule, A.
Hier ist die Energie direkt proportional zur Induktivität der Spule.
Wichtig! In der Technik bezieht sich die Induktivität auch auf die Vorrichtung, in der das elektrische Feld gespeichert wird. Das Element, das dieser Definition am nächsten kommt, ist die Induktionsspule.
Die allgemeine Formel zur Berechnung der Induktivität einer physikalischen Spule ist komplex und für praktische Berechnungen unpraktisch. Es ist nützlich, sich daran zu erinnern, dass die Induktivität proportional zur Anzahl der Windungen und dem Durchmesser der Spule ist und von der geometrischen Form abhängt. Die Induktivität wird auch von der magnetischen Permeabilität des Kerns, auf dem die Spule sitzt, beeinflusst, nicht aber von dem Strom, der durch die Spulen fließt. Für die Berechnung der Induktivität müssen jeweils die für die spezifische Konstruktion angegebenen Formeln herangezogen werden. Zum Beispiel wird für eine zylindrische Spule ihre Basiskennlinie nach der Formel berechnet:
L=μ*μ*(N2*S/l),
wo:
- μ ist die relative magnetische Permeabilität des Spulenkerns;
- μ - ist die magnetische Konstante, 1,26*10-6 Gn/m;
- N - Anzahl der Umdrehungen;
- S - Fläche der Spule
- l - geometrische Länge der Spule.
Um die Induktivität für zylindrische Spulen und andere Spulenformen zu berechnen, verwenden Sie am besten Taschenrechner, einschließlich Online-Rechner.
Reihen- und Parallelschaltung von Induktivitäten
Induktivitäten können in Reihe oder parallel geschaltet werden, wodurch eine Gruppe mit neuen Eigenschaften entsteht.
Parallelschaltung
Wenn die Spulen parallel geschaltet sind, sind die Spannungen aller Elemente gleich und die Ströme (abwechselnd) sind umgekehrt proportional zu den Induktivitäten der Elemente.
- U=U1=U2=U3;
- I=I1+I2+I3.
Die Gesamtinduktivität einer Schaltung ist definiert als 1/L=1/L1+1/L2+1/L3. Die Formel gilt für eine beliebige Anzahl von Elementen und wird für zwei Spulen vereinfacht zu L=L1*L2/(L1+L2). Es ist offensichtlich, dass die resultierende Induktivität geringer ist als die Induktivität des Elements mit der niedrigsten
Anschluss in Reihe
Bei dieser Art von Verbindung fließt der gleiche Strom durch einen Stromkreis, der aus mehreren Spulen besteht, und die Spannung (Wechselspannung!) an jeder Komponente des Stromkreises wird proportional zur Induktivität jedes Elements verteilt:
- U=U1+U2+U3;
- I=I1=I2=I3.
Die Gesamtinduktivität ist gleich der Summe aller Induktivitäten und ist größer als die Induktivität des Elements mit dem höchsten Wert. Daher wird dieser Anschluss verwendet, wenn eine Erhöhung der Induktivität erforderlich ist.
Wichtig! Bei der Reihen- oder Parallelschaltung von Spulen sind die Berechnungsformeln nur für die Fälle korrekt, in denen die gegenseitige Beeinflussung der Magnetfelder der Elemente untereinander ausgeschlossen ist (durch Abschirmung, große Abstände usw.). Wenn es eine Beeinflussung gibt, dann hängt der Gesamtwert der Induktivität von der gegenseitigen Anordnung der Spulen ab.
Einige praktische Fragen und Designs von Induktionsspulen
In der Praxis werden verschiedene Ausführungen von Induktionsspulen verwendet. Je nach Zweck und Anwendung können die Geräte auf verschiedene Weise hergestellt werden, wobei jedoch die Auswirkungen echter Spulen berücksichtigt werden müssen.
Gütefaktor einer Induktionsspule
Eine reale Spule hat neben der Induktivität mehrere Parameter, von denen der Gütefaktor einer der wichtigsten ist. Dieser Wert bestimmt die Verluste in der Spule und hängt davon ab:
- ohmsche Verluste im Wickeldraht (je höher der Widerstand, desto geringer der Qualitätsfaktor);
- Dielektrische Verluste in der Isolierung des Drahtes und des Wickelgestells;
- Schildverluste;
- Kernverluste.
Alle diese Größen definieren den Verlustwiderstand, und der Qualitätsfaktor ist ein dimensionsloser Wert, der gleich Q=ωL/R Verlust ist, wobei:
- ω = 2*π*F - Kreisfrequenz;
- L - Induktivität;
- ωL - Reaktanz der Spule.
Man kann grob sagen, dass der Qualitätsfaktor gleich dem Verhältnis zwischen dem reaktiven (induktiven) Widerstand und dem aktiven Widerstand ist. Einerseits wächst der Zähler mit zunehmender Frequenz, aber gleichzeitig wächst aufgrund des Skin-Effekts auch der Verlustwiderstand, da sich der effektive Querschnitt des Drahtes verringert.
Skin-Effekt
Um den Einfluss von Fremdkörpern sowie von elektrischen und magnetischen Feldern und die gegenseitige Beeinflussung von Elementen durch diese Felder zu verringern, werden Spulen (insbesondere Hochfrequenzspulen) häufig in einer Abschirmung untergebracht. Zusätzlich zu ihrer positiven Wirkung führt die Abschirmung zu einer Verringerung des Q-Wertes der Spule, einer Verringerung der Induktivität und einer Erhöhung der parasitären Kapazität. Je näher die Abschirmwände an den Spulenwicklungen sind, desto größer ist die nachteilige Wirkung. Abgeschirmte Spulen sind daher fast immer so konzipiert, dass sie einstellbar sind.
Einstellbare Induktivität
In einigen Fällen ist es erforderlich, den Induktivitätswert nach dem Anschluss der Spule an andere Schaltungselemente genau einzustellen, um Abstimmungsabweichungen auszugleichen. Hierfür gibt es verschiedene Methoden (z. B. durch Umschalten der Windungen), aber die genaueste und reibungsloseste Methode ist die Kerneinstellung. Es handelt sich um eine Gewindestange, die im Inneren des Rahmens ein- und ausgedreht werden kann, um die Induktivität der Spule einzustellen.
Variable Induktivität (Variometer)
Wenn eine betriebliche Anpassung der Induktivität oder der induktiven Kopplung erforderlich ist, werden Spulen anderer Bauart verwendet. Sie enthalten zwei Wicklungen, eine bewegliche und eine unbewegliche Wicklung. Die Gesamtinduktivität ist gleich der Summe der Induktivitäten der beiden Spulen und der Gegeninduktivität zwischen ihnen.
Durch Änderung der relativen Position einer Spule zur anderen wird der Gesamtinduktivitätswert angepasst. Ein solches Gerät wird Variometer genannt und wird häufig in Kommunikationsgeräten verwendet, um Resonanzkreise abzustimmen, wenn variable Kondensatoren aus irgendeinem Grund nicht verwendet werden können. Das Variometer ist recht unhandlich, was seine Verwendung einschränkt.
Induktivität in Form einer gedruckten Spule
Spulen mit geringer Induktivität können als Spirale aus gedruckten Leitern hergestellt werden. Die Vorteile dieser Konstruktion sind:
- Herstellbarkeit;
- hohe Wiederholbarkeit.
Die Nachteile sind die Unmöglichkeit der Feinabstimmung während der Einstellung und die Schwierigkeit, hohe Induktivitäten zu erreichen - je höher die Induktivität, desto mehr Platz nimmt die Spule auf der Platine ein.
Spule mit Querschnittswicklung
Induktivität ohne Kapazität gibt es nur auf dem Papier. Bei jeder physischen Implementierung einer Spule gibt es sofort eine parasitäre Kapazität zwischen den Spulen. Dies ist in vielen Fällen ein nachteiliges Phänomen. Die Streukapazität addiert sich zur Kapazität des LC-Kreises, wodurch die Resonanzfrequenz und der Gütefaktor des schwingenden Systems verringert werden. Die Spule hat auch ihre eigene Resonanzfrequenz, die unerwünschte Phänomene verursacht.
Zur Verringerung der Streukapazität werden verschiedene Methoden angewandt, von denen die einfachste darin besteht, die Spule in mehreren in Reihe geschalteten Abschnitten zu wickeln. Bei dieser Art der Verbindung werden die Induktivitäten addiert und die Gesamtkapazität reduziert.
Induktionsspule auf einem Ringkern
Die magnetischen Feldlinien einer zylindrischen Induktionsspule führen durch das Innere der Spule (wenn ein Kern vorhanden ist, dann durch diesen) und werden durch die Luft nach außen kurzgeschlossen. Diese Tatsache bringt mehrere Nachteile mit sich
- wird die Induktivität reduziert;
- sind die Eigenschaften der Spule weniger gut berechenbar;
- Jedes Objekt, das in das externe Magnetfeld eingebracht wird, verändert die Spulenparameter (Induktivität, parasitäre Kapazität, Verluste usw.), so dass in vielen Fällen eine Abschirmung erforderlich ist.
Spulen, die auf Ringkerne (in Form eines Rings oder "Bagels") gewickelt sind, sind weitgehend frei von diesen Nachteilen. Die magnetischen Linien verlaufen im Inneren des Kerns in Form von geschlossenen Schleifen. Das bedeutet, dass äußere Objekte praktisch keinen Einfluss auf die Parameter einer Spule haben, die auf einen solchen Kern gewickelt ist, und eine Abschirmung ist für eine solche Konstruktion nicht erforderlich. Auch die Induktivität wird bei sonst gleichen Bedingungen erhöht, und die Kennlinien sind leichter zu berechnen.
Einer der Nachteile von Spulen, die auf Torus gewickelt sind, besteht darin, dass sich die Induktivität vor Ort nicht stufenlos einstellen lässt. Ein weiteres Problem ist die hohe Arbeitsintensität und die geringe Technologie der Wicklung. Dies gilt jedoch für alle induktiven Elemente im Allgemeinen, mehr oder weniger stark.
Ein weiterer gemeinsamer Nachteil der physikalischen Umsetzung der Induktivität sind die hohen Masseabmessungen, die relativ geringe Zuverlässigkeit und die geringe Wartbarkeit.
In der Technik versucht man daher, auf induktive Bauelemente zu verzichten. Dies ist jedoch nicht immer möglich, so dass auf absehbare Zeit und auch mittelfristig gewickelte Bauteile zum Einsatz kommen werden.
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