L'induttanza è una misura della capacità dei componenti di un circuito elettrico di raccogliere l'energia del campo magnetico. È anche una misura della relazione tra la corrente e il campo magnetico. È anche paragonato all'inerzia dell'elettricità, come nel caso della massa come misura dell'inerzia dei corpi meccanici.
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Il fenomeno dell'autoinduzione
Il fenomeno dell'autoinduzione si verifica quando la corrente che attraversa un circuito conduttore varia di intensità. In questo caso, il flusso magnetico attraverso il circuito cambia, e un EMF chiamato EMF di autoinduzione sorge alle uscite del telaio di corrente. Questo EMF è opposto alla direzione della corrente ed è uguale a:
ε=-∆F/∆t=-L*(∆I/∆t)
Ovviamente, il campo elettromagnetico di autoinduzione è uguale al tasso di variazione del flusso magnetico causato dalla variazione della corrente che attraversa il circuito, ed è anche proporzionale al tasso di variazione della corrente. Il coefficiente di proporzionalità tra il campo elettromagnetico di autoinduzione e il tasso di variazione della corrente è chiamato induttanza e viene indicato con L. Questo valore è sempre positivo e ha un'unità SI di 1 Henry (1 Gn). Si usano anche frazioni frazionarie - milligrammi e microgrammi. Un'induttanza di 1 Henry può essere detta se una variazione di corrente di 1 ampere provoca un EMF di 1 Volt di autoinduzione. Non è solo un circuito che ha induttanza, ma anche un singolo conduttore e una bobina, che possono essere immaginati come una moltitudine di circuiti in serie.
L'energia è immagazzinata nell'induttanza, che può essere calcolata come W=L*I2/2, dove:
- W - energia, J;
- L - induttanza, Gn;
- I è la corrente nella bobina, A.
Qui l'energia è direttamente proporzionale all'induttanza della bobina.
Importante! In ingegneria, l'induttanza si riferisce anche al dispositivo in cui viene immagazzinato il campo elettrico. L'elemento reale più vicino a questa definizione è la bobina dell'induttore.
La formula generale per calcolare l'induttanza di una bobina fisica è complessa e per i calcoli pratici è scomoda. È utile ricordare che l'induttanza è proporzionale al numero di giri, al diametro della bobina e dipende dalla forma geometrica. L'induttanza è anche influenzata dalla permeabilità magnetica del nucleo su cui è posta la bobina, ma non è influenzata dalla corrente che scorre attraverso le bobine. Per calcolare l'induttanza, bisogna consultare ogni volta le formule date per il progetto specifico. Per esempio, per una bobina cilindrica la sua caratteristica di base è calcolata secondo la formula:
L=μ*μ*(N2*S/l),
dove:
- μ è la permeabilità magnetica relativa del nucleo della bobina;
- μ - è la costante magnetica, 1,26*10-6 Gn/m;
- N - numero di giri;
- S - area della bobina
- l - lunghezza geometrica della bobina.
Per calcolare l'induttanza per le bobine cilindriche e altre forme di bobine, è meglio usare dei calcolatori, compresi quelli online.
Collegamento di induttori in serie e in parallelo
Le induttanze possono essere collegate in serie o in parallelo, creando un insieme con nuove caratteristiche.
Collegamento in parallelo
Quando le bobine sono collegate in parallelo, le tensioni di tutti gli elementi sono uguali e le correnti (alternando) sono inversamente proporzionali alle induttanze degli elementi.
- U=U1=U2=U3;
- I=I1+I2+I3.
L'induttanza totale di un circuito è definita come 1/L=1/L1+1/L2+1/L3. La formula è valida per qualsiasi numero di elementi, e per due bobine si semplifica in L=L1*L2/(L1+L2). È ovvio che l'induttanza risultante è inferiore all'induttanza dell'elemento con il più basso
Collegamento in serie
Con questo tipo di collegamento, la stessa corrente scorre attraverso un circuito composto da bobine, e la tensione (AC!) su ogni componente del circuito è distribuita in proporzione all'induttanza di ogni elemento:
- U=U1+U2+U3;
- I=I1=I2=I3.
L'induttanza totale è uguale alla somma di tutte le induttanze, e sarà maggiore dell'induttanza dell'elemento con il valore più alto. Perciò questo collegamento viene utilizzato quando è necessario aumentare l'induttanza.
Importante! Quando si collegano le bobine in serie o in parallelo, le formule di calcolo sono corrette solo per i casi in cui l'influenza reciproca dei campi magnetici degli elementi l'uno sull'altro è eliminata (mediante schermatura, grandi distanze, ecc.). Se c'è influenza, allora il valore totale dell'induttanza dipenderà dalla disposizione reciproca delle bobine.
Alcune questioni pratiche e progetti di bobine di induttori
Nella pratica vengono utilizzati diversi disegni di bobine d'induttore. A seconda dello scopo e dell'applicazione, i dispositivi possono essere realizzati in vari modi, ma gli effetti delle bobine reali devono essere presi in considerazione.
Fattore di qualità di una bobina di induttore
Una bobina reale ha diversi parametri oltre all'induttanza, e uno dei più importanti è il fattore di qualità. Questo valore determina le perdite nella bobina e dipende da:
- perdite ohmiche nel filo dell'avvolgimento (maggiore è la resistenza, minore è il fattore di qualità);
- Perdite dielettriche nell'isolamento del filo e del telaio dell'avvolgimento;
- perdite dello scudo;
- Perdite del nucleo.
Tutte queste quantità definiscono la resistenza di perdita, e il fattore di qualità è un valore adimensionale uguale a Q=ωL/R perdita, dove:
- ω = 2*π*F - frequenza circolare;
- L - induttanza;
- ωL - reattanza della bobina.
Si può dire approssimativamente che il fattore di qualità è uguale al rapporto tra la resistenza reattiva (induttiva) e la resistenza attiva. Da un lato, il numeratore cresce con l'aumentare della frequenza, ma allo stesso tempo, a causa dell'effetto pelle, la resistenza di perdita cresce anche riducendo la sezione trasversale effettiva del filo.
Effetto pelle
Per ridurre l'influenza dei corpi estranei, così come i campi elettrici e magnetici e l'influenza reciproca degli elementi attraverso questi campi, le bobine (specialmente quelle ad alta frequenza) sono spesso collocate in uno schermo. Oltre al suo effetto benefico, la schermatura causa una diminuzione del valore Q della bobina, una diminuzione dell'induttanza e un aumento della capacità parassita. Inoltre, più le pareti dello schermo sono vicine agli avvolgimenti della bobina, maggiore è l'effetto dannoso. Le bobine schermate sono quindi quasi sempre progettate per essere regolabili.
Induttanza regolabile
In alcuni casi è necessario impostare con precisione il valore dell'induttanza sul posto dopo aver collegato la bobina ad altri elementi del circuito, compensando le deviazioni di sintonia. Si usano diversi metodi per questo (commutando i giri ecc.), ma il metodo più preciso e regolare è la regolazione del nucleo. Questo è fatto sotto forma di una barra filettata che può essere girata dentro e fuori all'interno del telaio, regolando l'induttanza della bobina.
Induttanza variabile (variometro)
Dove è richiesta una regolazione operativa dell'induttanza o dell'accoppiamento induttivo, si usano bobine di disegno diverso. Contengono due avvolgimenti, un avvolgimento mobile e un avvolgimento stazionario. L'induttanza totale è uguale alla somma delle induttanze delle due bobine e dell'induttanza reciproca tra di esse.
Cambiando la posizione relativa di una bobina rispetto all'altra, si regola il valore totale dell'induttanza. Un tale dispositivo è chiamato variometro ed è spesso usato nelle apparecchiature di comunicazione per sintonizzare i circuiti risonanti nei casi in cui i condensatori variabili non possono essere utilizzati per qualche motivo. Il variometro è abbastanza ingombrante, il che limita il suo uso.
Induttanza sotto forma di bobina stampata
Le bobine a bassa induttanza possono essere realizzate come una spirale di conduttori stampati. I vantaggi di questo design sono:
- producibilità;
- alta ripetibilità.
Gli svantaggi sono l'impossibilità di una regolazione fine durante la regolazione e la difficoltà di ottenere induttanze elevate - più alta è l'induttanza, più spazio occupa la bobina sulla scheda.
Bobina con avvolgimento sezionale
L'induttanza senza capacità esiste solo sulla carta. Con qualsiasi implementazione fisica di una bobina, c'è immediatamente una capacità parassita tra le bobine. Questo è un fenomeno dannoso in molti casi. La capacità parassita si aggiunge alla capacità del circuito LC, riducendo la frequenza di risonanza e il fattore di qualità del sistema oscillante. La bobina ha anche una propria frequenza di risonanza che provoca fenomeni indesiderati.
Per ridurre la capacità parassita, si usano vari metodi, il più semplice dei quali è quello di avvolgere l'induttore in diverse sezioni collegate in serie. Con questo tipo di collegamento, le induttanze si sommano e la capacità totale si riduce.
Bobina di induttanza su un nucleo toroidale
Le linee del campo magnetico di una bobina induttiva cilindrica passano attraverso l'interno della bobina (se è presente un nucleo, allora attraverso di esso) e sono cortocircuitate verso l'esterno attraverso l'aria. Questo fatto comporta diversi svantaggi
- l'induttanza è ridotta;
- le caratteristiche della bobina sono meno calcolabili;
- Qualsiasi oggetto introdotto nel campo magnetico esterno modifica i parametri della bobina (induttanza, capacità parassita, perdite, ecc.), quindi in molti casi è necessaria una schermatura.
Le bobine avvolte su nuclei toroidali (a forma di anello o "bagel") sono in gran parte esenti da questi svantaggi. Le linee magnetiche corrono all'interno del nucleo sotto forma di anelli chiusi. Questo significa che gli oggetti esterni non hanno praticamente alcun effetto sui parametri di una bobina avvolta su un nucleo di questo tipo, e la schermatura non è necessaria per un tale progetto. Anche l'induttanza è aumentata, a parità di altre condizioni, e le caratteristiche sono più facili da calcolare.
Uno degli svantaggi delle bobine toroidali è l'impossibilità di regolare agevolmente la loro induttanza in loco. Un altro problema è l'alta intensità di lavoro e la bassa tecnologia di avvolgimento. Questo, tuttavia, vale per tutti gli elementi induttivi in generale, in misura maggiore o minore.
Anche uno svantaggio comune dell'implementazione fisica dell'induttanza è l'alta dimensione della massa, l'affidabilità relativamente bassa e la bassa manutenibilità.
Pertanto, nella tecnologia, si cerca di fare a meno dei componenti induttivi. Ma questo non è sempre possibile, quindi i componenti di avvolgimento saranno utilizzati sia nel prossimo futuro che a medio termine.
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