L'inductance est une mesure de la capacité des composants d'un circuit électrique à capter l'énergie du champ magnétique. Il s'agit également d'une mesure de la relation entre le courant et le champ magnétique. Elle est également comparée à l'inertie de l'électricité, comme c'est le cas pour la masse comme mesure de l'inertie des corps mécaniques.
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Le phénomène d'auto-induction
Le phénomène d'auto-induction se produit lorsque le courant qui traverse un circuit conducteur varie en magnitude. Dans ce cas, le flux magnétique à travers le circuit change, et une FEM appelée FEM d'auto-induction apparaît aux fils de la structure porteuse de courant. Cette FEM est opposée à la direction du courant et est égale à :
ε=-∆F/∆t=-L*(∆I/∆t)
De toute évidence, la force électromotrice d'auto-induction est égale au taux de variation du flux magnétique causé par la variation du courant circulant dans le circuit, et est également proportionnelle au taux de variation du courant. Le coefficient de proportionnalité entre la force électromotrice d'auto-induction et le taux de variation du courant est appelé inductance et est désigné par L. Cette valeur est toujours positive et a une unité SI de 1 Henry (1 Gn). Des fractions - milligénérations et microgénérations - sont également utilisées. On peut parler d'une inductance de 1 Henry si une variation de courant de 1 ampère provoque une FEM de 1 volt d'auto-induction. Ce n'est pas seulement un circuit qui a une inductance, mais aussi un conducteur unique et une bobine, qui peuvent être imaginés comme une multitude de circuits en série.
L'énergie est stockée dans l'inductance, qui peut être calculée comme suit : W=L*I2/2, où :
- W - énergie, J ;
- L - inductance, Gn ;
- I est le courant dans la bobine, A.
Ici, l'énergie est directement proportionnelle à l'inductance de la bobine.
Important ! En ingénierie, l'inductance désigne également le dispositif dans lequel le champ électrique est stocké. L'élément réel le plus proche de cette définition est la bobine d'induction.
La formule générale pour calculer l'inductance d'une bobine physique est complexe et peu pratique pour les calculs pratiques. Il est utile de rappeler que l'inductance est proportionnelle au nombre de spires, au diamètre de la bobine et dépend de la forme géométrique. L'inductance est également affectée par la perméabilité magnétique du noyau sur lequel la bobine est placée, mais n'est pas affectée par le courant qui circule dans les bobines. Pour calculer l'inductance, il faut à chaque fois consulter les formules données pour la conception spécifique. Par exemple, pour une bobine cylindrique, sa caractéristique de base est calculée selon la formule :
L=μ*μ*(N2*S/l),
où :
- μ est la perméabilité magnétique relative du noyau de la bobine ;
- μ - est la constante magnétique, 1,26*10-6 Gn/m ;
- N - nombre de tours ;
- S - surface de la bobine
- l - longueur géométrique de la bobine.
Pour calculer l'inductance des bobines cylindriques et d'autres formes de bobines, il est préférable d'utiliser des calculatrices, y compris des calculatrices en ligne.
Connexion d'inductances en série et en parallèle
Les inductances peuvent être connectées en série ou en parallèle, créant ainsi un ensemble avec de nouvelles caractéristiques.
Connexion parallèle
Lorsque les bobines sont connectées en parallèle, les tensions de tous les éléments sont égales et les courants (en alternance) sont inversement proportionnels aux inductances des éléments.
- U=U1=U2=U3;
- I=I1+I2+I3.
L'inductance totale d'un circuit est définie comme suit : 1/L=1/L1+1/L2+1/L3. La formule est valable pour un nombre quelconque d'éléments, et pour deux bobines, elle est simplifiée à L=L1*L2/(L1+L2). Il est évident que l'inductance résultante est inférieure à l'inductance de l'élément ayant la plus faible valeur de
Connexion en série
Avec ce type de connexion, le même courant circule dans un circuit composé de bobines, et la tension (CA !) sur chaque composant du circuit est répartie proportionnellement à l'inductance de chaque élément :
- U=U1+U2+U3;
- I=I1=I2=I3.
L'inductance totale est égale à la somme de toutes les inductances, et sera supérieure à l'inductance de l'élément ayant la valeur la plus élevée. Cette connexion est donc utilisée lorsqu'il est nécessaire d'augmenter l'inductance.
Important ! Lors de la connexion de bobines en série ou en parallèle, les formules de calcul ne sont correctes que dans les cas où l'influence mutuelle des champs magnétiques des éléments les uns sur les autres est éliminée (par blindage, grandes distances, etc.). S'il y a une influence, alors la valeur totale de l'inductance dépendra de la disposition mutuelle des bobines.
Quelques questions pratiques et conceptions de bobines d'inductance
Différentes conceptions de bobines d'induction sont utilisées dans la pratique. En fonction de l'objectif et de l'application, les dispositifs peuvent être fabriqués de différentes manières, mais les effets des bobines réelles doivent être pris en compte.
Facteur de qualité d'une bobine d'induction
Une bobine réelle possède plusieurs paramètres en plus de l'inductance, et l'un des plus importants est le facteur de qualité. Cette valeur détermine les pertes dans la bobine et dépend de :
- les pertes ohmiques dans le fil de bobinage (plus la résistance est élevée, plus le facteur de qualité est faible) ;
- Pertes diélectriques dans l'isolation du fil et du cadre de l'enroulement ;
- les pertes de bouclier ;
- Pertes de base.
Toutes ces quantités définissent la résistance aux pertes, et le facteur de qualité est une valeur sans dimension égale à Q=ωL/R perte, où :
- ω = 2*π*F - fréquence circulaire ;
- L - inductance ;
- ωL - réactance de la bobine.
On peut dire en gros que le facteur de qualité est égal au rapport entre la résistance réactive (inductive) et la résistance active. D'une part, le numérateur croît avec l'augmentation de la fréquence, mais en même temps, en raison de l'effet de peau, la résistance aux pertes croît également en réduisant la section efficace du fil.
Effet de la peau
Afin de réduire l'influence des corps étrangers ainsi que des champs électriques et magnétiques et l'influence mutuelle des éléments à travers ces champs, les bobines (en particulier celles à haute fréquence) sont souvent placées dans un blindage. En plus de son effet bénéfique, le blindage entraîne une diminution de la valeur Q de la bobine, une diminution de l'inductance et une augmentation de la capacité parasite. En outre, plus les parois du blindage sont proches des enroulements de la bobine, plus l'effet néfaste est important. Les bobines blindées sont donc presque toujours conçues pour être réglables.
Inductance réglable
Dans certains cas, il est nécessaire de régler précisément la valeur de l'inductance en place après avoir connecté la bobine à d'autres éléments du circuit, afin de compenser les écarts d'accord. Différentes méthodes sont utilisées pour cela (en intervertissant les tours, etc.), mais la méthode la plus précise et la plus douce est le réglage du noyau. Elle se présente sous la forme d'une tige filetée que l'on peut tourner à l'intérieur du cadre pour ajuster l'inductance de la bobine.
Inductance variable (variomètre)
Lorsqu'un réglage opérationnel de l'inductance ou du couplage inductif est nécessaire, des bobines d'une conception différente sont utilisées. Ils contiennent deux enroulements, un enroulement mobile et un enroulement stationnaire. L'inductance totale est égale à la somme des inductances des deux bobines et de l'inductance mutuelle entre elles.
En modifiant la position relative d'une bobine par rapport à l'autre, on ajuste la valeur de l'inductance totale. Un tel dispositif est appelé variomètre et est souvent utilisé dans les équipements de communication pour accorder les circuits résonnants dans les cas où les condensateurs variables ne peuvent pas être utilisés pour une raison quelconque. Le variomètre est assez encombrant, ce qui limite son utilisation.
Inductance sous la forme d'une bobine imprimée
Les bobines à faible inductance peuvent être réalisées sous la forme d'une spirale de conducteurs imprimés. Les avantages de cette conception sont les suivants :
- la fabricabilité ;
- une grande répétabilité.
Les inconvénients sont l'impossibilité d'un réglage fin pendant l'ajustement et la difficulté d'obtenir des inductances élevées - plus l'inductance est élevée, plus la bobine prend de la place sur la carte.
Bobine avec enroulement sectionnel
L'inductance sans capacité n'existe que sur le papier. Avec toute mise en œuvre physique d'une bobine, il y a immédiatement une capacité parasite entre les bobines. Il s'agit d'un phénomène préjudiciable dans de nombreux cas. La capacité parasite s'ajoute à la capacité du circuit LC, ce qui réduit la fréquence de résonance et le facteur de qualité du système oscillant. La bobine a également sa propre fréquence de résonance qui provoque des phénomènes indésirables.
Pour réduire la capacité parasite, différentes méthodes sont utilisées, la plus simple étant d'enrouler l'inducteur en plusieurs sections connectées en série. Avec ce type de connexion, les inductances sont additionnées et la capacité totale est réduite.
Bobine d'inductance sur un noyau toroïdal
Les lignes de champ magnétique d'une bobine d'induction cylindrique passent par l'intérieur de la bobine (si un noyau est présent, alors il le traverse) et sont court-circuitées vers l'extérieur à travers l'air. Ce fait entraîne plusieurs inconvénients
- l'inductance est réduite ;
- les caractéristiques de la bobine sont moins calculables ;
- Tout objet introduit dans le champ magnétique externe modifie les paramètres de la bobine (inductance, capacité parasite, pertes, etc.), si bien que dans de nombreux cas, un blindage est nécessaire.
Les bobines enroulées sur des noyaux toroïdaux (en forme d'anneau ou de "bagel") sont largement exemptes de ces inconvénients. Les lignes magnétiques passent à l'intérieur du noyau sous forme de boucles fermées. Cela signifie que les objets extérieurs n'ont pratiquement aucun effet sur les paramètres d'une bobine enroulée sur un tel noyau, et que le blindage n'est pas nécessaire pour une telle conception. L'inductance est également augmentée, toutes choses égales par ailleurs, et les caractéristiques sont plus faciles à calculer.
L'un des inconvénients des bobines enroulées sur des torus est l'impossibilité de régler en douceur l'inductance in situ. Un autre problème est la forte intensité de main-d'œuvre et la faible technologie du bobinage. Cela s'applique toutefois à tous les éléments inductifs en général, dans une mesure plus ou moins grande.
Un autre inconvénient commun de la mise en œuvre physique de l'inductance est la masse élevée, la fiabilité relativement faible et la faible maintenabilité.
C'est pourquoi, dans la technologie, on essaie de se passer des composants inductifs. Mais cela n'est pas toujours possible, c'est pourquoi les composants de bobinage seront utilisés à la fois dans un avenir prévisible et à moyen terme.
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