Az induktivitás egy elektromos áramkörben lévő alkatrészek mágneses mező energiájának összegyűjtésére való képességének mérőszáma. Ez egyben az áram és a mágneses mező közötti kapcsolat mérőszáma is. Az elektromosság tehetetlenségéhez is hasonlítják, ahogyan a tömeg a mechanikus testek tehetetlenségének mértékegysége.
Tartalom
Az önindukció jelensége
Az önindukció jelensége akkor jelentkezik, amikor a vezető áramkörön átfolyó áram nagysága változik. Ebben az esetben az áramkörön áthaladó mágneses fluxus megváltozik, és az áramvezető keret kivezetéseinél egy EMK keletkezik, amelyet önindukciós EMK-nak nevezünk. Ez az EMK az áram irányával ellentétes, és egyenlő:
ε=-∆F/∆t=-L*(∆I/∆t)
Nyilvánvaló, hogy az önindukciós EMK egyenlő az áramkörön átfolyó áram változása által okozott mágneses fluxus változásának mértékével, és szintén arányos az áram változásának mértékével. Az önindukciós EMF és az áram változásának mértéke közötti arányossági együtthatót induktivitásnak nevezzük, és L-nek jelöljük. Ez az érték mindig pozitív, és SI-egysége 1 Henry (1 Gn). A törtrészek - milligenerációk és mikrogenerációk - szintén használatosak. 1 Henry induktivitásról akkor beszélhetünk, ha 1 amper áramváltozás 1 Volt önindukciós EMF-et okoz. Nemcsak egy áramkörnek van induktivitása, hanem egyetlen vezetőnek és egy tekercsnek is, amelyet úgy képzelhetünk el, mint egy sorba kapcsolt áramkörök sokaságát.
Az energiát az induktivitás tárolja, amely a következőképpen számítható ki: W=L*I2/2, ahol:
- W - energia, J;
- L - induktivitás, Gn;
- I a tekercsben folyó áram, A.
Itt az energia egyenesen arányos a tekercs induktivitásával.
Fontos! A mérnöki gyakorlatban az induktivitás arra az eszközre is utal, amelyben az elektromos mező tárolódik. Az ehhez a definícióhoz legközelebb álló tényleges elem az induktortekercs.
A fizikai tekercs induktivitásának kiszámítására szolgáló általános képlet bonyolult és a gyakorlati számításokhoz kényelmetlen. Hasznos megjegyezni, hogy az induktivitás arányos a tekercsek számával, a tekercs átmérőjével és függ a geometriai formától. Az induktivitást befolyásolja a tekercset tartalmazó mag mágneses permeabilitása is, de a tekercseken átfolyó áram nem befolyásolja. Az induktivitás kiszámításához minden alkalommal az adott kialakításhoz megadott képleteket kell figyelembe venni. Például egy hengeres tekercs esetében az alapjellemzőt a következő képlet szerint számítják ki:
L=μ*μ*(N2*S/l),
ahol:
- μ a tekercsmag relatív mágneses permeabilitása;
- μ - mágneses állandó, 1,26*10-6 Gn/m;
- N - a fordulatok száma;
- S - a tekercs területe
- l - a tekercs geometriai hossza.
A hengeres tekercsek és más tekercsformák induktivitásának kiszámításához a legjobb, ha számológépeket használ, beleértve az online számológépeket is.
Induktivitások soros és párhuzamos kapcsolása
Az induktivitások sorba vagy párhuzamosan kapcsolhatók, új jellemzőkkel rendelkező készletet hozva létre.
Párhuzamos csatlakozás
Ha a tekercsek párhuzamosan vannak kapcsolva, akkor az összes elem feszültsége egyenlő, és az áramok (váltakozó) fordítottan arányosak az elemek induktivitásával.
- U=U1=U2=U3;
- I=I1+I2+I3.
Az áramkör teljes induktivitását a következőképpen határozzuk meg: 1/L=1/L1+1/L2+1/L3. A képlet bármely elemszámra érvényes, két tekercs esetén pedig L=L1*L2/(L1+L2). Nyilvánvaló, hogy a kapott induktivitás kisebb, mint a legalacsonyabb induktivitású elem induktivitása.
Soros csatlakozás
Az ilyen típusú kapcsolásnál ugyanaz az áram folyik át egy tekercsekből álló áramkörön, és az áramkör minden egyes elemén a feszültség (AC!) az egyes elemek induktivitásának arányában oszlik meg:
- U=U1+U2+U3;
- I=I1=I2=I3.
A teljes induktivitás egyenlő az összes induktivitás összegével, és nagyobb lesz, mint a legnagyobb értékkel rendelkező elem induktivitása. Ezért ezt a csatlakozást akkor használják, ha növelni kell az induktivitást.
Fontos! A tekercsek soros vagy párhuzamos összekapcsolásakor a számítási formulák csak olyan esetekben helyesek, amikor az elemek mágneses mezőinek egymásra gyakorolt kölcsönös hatása megszűnik (árnyékolással, nagy távolságokkal stb.). Ha van befolyás, akkor az induktivitás összértéke a tekercsek kölcsönös elrendezésétől függ.
Néhány gyakorlati kérdés és az induktortekercsek kialakítása
A gyakorlatban különböző induktortekercs-kialakításokat használnak. A céltól és az alkalmazástól függően az eszközök különböző módon készíthetők, de a valódi tekercsek hatásait figyelembe kell venni.
Egy induktív tekercs minőségi tényezője
Egy valódi tekercsnek az induktivitáson kívül számos paramétere van, és az egyik legfontosabb a minőségi tényező. Ez az érték határozza meg a tekercs veszteségeit, és függ a következőktől:
- a tekercselőhuzal ohmos veszteségei (minél nagyobb az ellenállás, annál kisebb a minőségi tényező);
- Dielektromos veszteségek a vezeték és a tekercskeret szigetelésében;
- pajzsveszteségek;
- Alapvető veszteségek.
Mindezek a mennyiségek meghatározzák a veszteségellenállást, a minőségi tényező pedig egy dimenziótlan érték, amely egyenlő a Q=ωL/R veszteséggel, ahol:
- ω = 2*π*F - körfrekvencia;
- L - induktivitás;
- ωL - tekercs reaktancia.
Nagyjából elmondható, hogy a minőségi tényező egyenlő a reaktív (induktív) ellenállás és az aktív ellenállás arányával. Egyrészt a számláló nő a frekvencia növekedésével, ugyanakkor a skin-effektus miatt a veszteségellenállás is nő a vezeték effektív keresztmetszetének csökkenésével.
Bőrhatás
Az idegen testek, valamint az elektromos és mágneses mezők hatásának és az elemek kölcsönös egymásra hatásának csökkentése érdekében a tekercseket (különösen a nagyfrekvenciásakat) gyakran árnyékolóba helyezik. Az árnyékolás kedvező hatása mellett a tekercs Q-értéke csökken, az induktivitás csökken és a parazita kapacitás nő. Ráadásul minél közelebb vannak az árnyékolófalak a tekercs tekercseléséhez, annál nagyobb a káros hatás. Az árnyékolt tekercseket ezért szinte mindig úgy tervezik, hogy állíthatóak legyenek.
Állítható induktivitás
Bizonyos esetekben a tekercs más áramköri elemekhez való csatlakoztatása után pontosan be kell állítani az induktivitás értékét, kompenzálva a hangolási eltéréseket. Erre különböző módszereket alkalmaznak (a fordulatok átkapcsolásával stb.), de a legpontosabb és legsimább módszer a magbeállítás. Ez egy menetes rúd formájában készül, amely a keret belsejében ki- és befordítható, így állítva be a tekercs induktivitását.
Változó induktivitás (variométer)
Ahol az induktivitás vagy az induktív csatolás működési beállítására van szükség, ott más kialakítású tekercseket használnak. Két tekercset tartalmaznak, egy mozgó és egy álló tekercset. A teljes induktivitás egyenlő a két tekercs induktivitásának és a köztük lévő kölcsönös induktivitásnak az összegével.
Az egyik tekercs és a másik relatív helyzetének megváltoztatásával a teljes induktivitás értéke beállítható. Az ilyen eszközt variométernek nevezik, és gyakran használják kommunikációs berendezésekben rezonáns áramkörök hangolására olyan esetekben, amikor a változtatható kondenzátorok valamilyen okból nem használhatók. A variométer meglehetősen nehézkes, ami korlátozza a használatát.
Induktivitás nyomtatott tekercs formájában
Az alacsony induktivitású tekercsek nyomtatott vezetők spiráljaként készíthetők. Ennek a kialakításnak az előnyei a következők:
- gyárthatóság;
- nagyfokú ismételhetőség.
Hátránya, hogy a beállítás során nem lehet finomhangolni, és nehéz nagy induktivitást elérni - minél nagyobb az induktivitás, annál több helyet foglal el a tekercs a lapon.
Szekcionált tekercselésű tekercs
Induktivitás kapacitás nélkül csak papíron létezik. A tekercs bármely fizikai megvalósításánál azonnal van egy parazita tekercsközi kapacitás. Ez sok esetben káros jelenség. A kóbor kapacitás hozzáadódik az LC-kör kapacitását, csökkentve a rezonanciafrekvenciát és a rezgő rendszer minőségi tényezőjét. A tekercsnek saját rezonanciafrekvenciája is van, amely nemkívánatos jelenségeket okoz.
A szórt kapacitások csökkentésére különböző módszereket alkalmaznak, amelyek közül a legegyszerűbb az, hogy az induktort több, sorba kapcsolt szakaszból tekerik fel. Ezzel a kapcsolási típussal az induktivitások összeadódnak, és a teljes kapacitás csökken.
Induktivitástekercs toroidmagon
A hengeres induktortekercs mágneses mezővonalai a tekercs belsején keresztül vezetnek (ha van mag, akkor azon keresztül), és a levegőn keresztül kifelé rövidre záródnak. Ez a tény számos hátrányt von maga után
- az induktivitás csökken;
- a tekercs jellemzői kevésbé kiszámíthatóak;
- A külső mágneses mezőbe bevitt bármilyen tárgy megváltoztatja a tekercs paramétereit (induktivitás, parazita kapacitás, veszteségek stb.), ezért sok esetben árnyékolásra van szükség.
A (gyűrű vagy "bagel" alakú) toroidmagra tekercselt tekercsek nagyrészt mentesek ezektől a hátrányoktól. A mágneses vonalak a mag belsejében zárt hurok formájában futnak. Ez azt jelenti, hogy külső tárgyak gyakorlatilag semmilyen hatással nincsenek az ilyen magra tekert tekercs paramétereire, és árnyékolásra nincs szükség ilyen kialakítás esetén. Az induktivitás is megnövekszik, ha minden más dolog megegyezik, és a karakterisztikák könnyebben kiszámíthatók.
A toroid tekercsek egyik hátránya, hogy induktivitásukat nem lehet a helyszínen simán beállítani. Egy másik probléma a tekercselés nagy munkaigénye és alacsony technológiája. Ez azonban általában minden induktív elemre vonatkozik, kisebb-nagyobb mértékben.
Az induktivitás fizikai megvalósításának általános hátránya továbbá a nagy tömegű méretek, a viszonylag alacsony megbízhatóság és az alacsony karbantarthatóság.
Ezért a technológiában az induktív alkatrészeket igyekeznek mellőzni. Ez azonban nem mindig lehetséges, ezért a belátható jövőben és középtávon is tekercselt alkatrészeket fognak használni.
Kapcsolódó cikkek:
