La inductància caracteritza les propietats dels elements d'un circuit elèctric per acumular l'energia d'un camp magnètic. També és una mesura de la relació entre el corrent i el camp magnètic. També es compara amb la inèrcia de l'electricitat, igual que la massa amb una mesura de la inèrcia dels cossos mecànics.
Contingut
El fenomen de l'autoinducció
Si el corrent que flueix per un circuit conductor canvia de magnitud, es produeix el fenomen d'autoinducció. En aquest cas, el flux magnètic a través del circuit canvia i apareix una fem als terminals del bucle de corrent, anomenada fem d'autoinducció. Aquest EMF és oposat a la direcció del corrent i és igual a:
ε=-∆F/∆t=-L*(∆I/∆t)
És obvi que la FEM d'autoinducció és igual a la velocitat de canvi del flux magnètic causada per un canvi en el corrent que circula pel circuit, i també és proporcional a la velocitat de canvi del corrent. El coeficient de proporcionalitat entre la FEM d'autoinducció i la velocitat de canvi del corrent s'anomena inductància i es denota amb L. Aquest valor sempre és positiu, i té una unitat SI d'1 Henry (1 H). També s'utilitzen fraccions fraccionades: mil·lihenri i microhenri. Podem parlar d'una inductància d'1 Henry si un canvi de corrent d'1 ampere provoca una FEM d'autoinducció d'1 Volt. No només el circuit té inductància, sinó també un conductor separat, així com una bobina, que es pot representar com un conjunt de circuits connectats en sèrie.
La inductància emmagatzema energia, que es pot calcular com W=L*I2/2, on:
- W—energia, J;
- L - inductància, H;
- I és el corrent a la bobina, A.
I aquí l'energia és directament proporcional a la inductància de la bobina.
Important! En enginyeria, una inductància també és un dispositiu en el qual s'emmagatzema un camp elèctric. L'element real més proper a aquesta definició és un inductor.
La fórmula general per calcular la inductància d'una bobina física té una forma complexa i és inconvenient per als càlculs pràctics. És útil recordar que la inductància és proporcional al nombre de voltes, al diàmetre de la bobina i depèn de la forma geomètrica. A més, la inductància es veu afectada per la permeabilitat magnètica del nucli on es troba el bobinatge, però el corrent que flueix per les espires no es veu afectat. Per calcular la inductància, cada vegada cal fer referència a les fórmules anteriors per a un disseny específic. Així, per a una bobina cilíndrica, la seva característica principal es calcula amb la fórmula:
L=μ*μ*(N2*S/l),
on:
- μ és la permeabilitat magnètica relativa del nucli de la bobina;
- μ – constant magnètica, 1,26*10-6 H/m;
- N és el nombre de voltes;
- S és l'àrea de la bobina;
- l és la longitud geomètrica de la bobina.
Per calcular la inductància d'una bobina cilíndrica i bobines d'altres formes, és millor utilitzar programes de calculadora, incloses calculadores en línia.
Connexió en sèrie i paral·lel d'inductors
Les inductàncies es poden connectar en sèrie o en paral·lel, aconseguint un conjunt amb noves característiques.
Connexió paral·lel
Quan les bobines estan connectades en paral·lel, la tensió de tots els elements és igual i els corrents (les variables) es distribueixen inversament amb les inductàncies dels elements.
- U=U1=U2=U3;
- jo = jo1+ I2+ I3.
La inductància total del circuit es defineix com 1/L=1/L1+1/L2+1/L3. La fórmula és vàlida per a qualsevol nombre d'elements, i per a dues bobines es simplifica a la forma L=L1*L2/(L1+L2). Òbviament, la inductància resultant és menor que la inductància de l'element amb el valor més petit.
connexió en sèrie
Amb aquest tipus de connexió, el mateix corrent circula pel circuit format per bobines, i la tensió (variable!) a cada component del circuit es distribueix en proporció a la inductància de cada element:
- U=U1+U2+U3;
- jo = jo1=I2=I3.
La inductància total és igual a la suma de totes les inductàncies, i serà més gran que la inductància de l'element amb el valor més gran. Per tant, aquesta connexió s'utilitza si cal per obtenir un augment de la inductància.
Important! Quan es connecten bobines en una bateria en sèrie o en paral·lel, les fórmules de càlcul només són correctes per als casos en què s'exclou la influència mútua dels camps magnètics dels elements entre si (protecció, llarga distància, etc.). Si hi ha influència, aleshores el valor total de la inductància dependrà de la posició relativa de les bobines.
Alguns aspectes pràctics i dissenys d'inductors
A la pràctica, s'utilitzen diversos dissenys d'inductors. Segons la finalitat i l'àmbit d'aplicació, els dispositius es poden fabricar de diverses maneres, però cal tenir en compte els efectes que es produeixen en bobines reals.
Factor de qualitat de l'inductor
Una bobina real, a més de la inductància, té diversos paràmetres més, i un dels més importants és el factor qualitat. Aquest valor determina les pèrdues a la bobina i depèn de:
- pèrdues ohmiques al cable de bobinat (com més gran sigui la resistència, menor serà el factor de qualitat);
- pèrdues dielèctriques en l'aïllament del cable i el marc de bobinat;
- pèrdua de pantalla;
- pèrdues del nucli.
Totes aquestes magnituds determinen la resistència a la pèrdua, i el factor de qualitat és un valor adimensional igual a Q=ωL/Rlossses, on:
- ω = 2*π*F - freqüència circular;
- L - inductància;
- ωL és la reactància de la bobina.
Podem dir aproximadament que el factor de qualitat és igual a la relació entre la resistència reactiva (inductiva) i l'activa. D'una banda, amb l'augment de la freqüència, el numerador augmenta, però al mateix temps, a causa de l'efecte pell, la resistència a la pèrdua també augmenta per una disminució de la secció útil del cable.
efecte pantalla
Per reduir la influència d'objectes estranys, així com els camps elèctrics i magnètics i la influència mútua dels elements a través d'aquests camps, sovint es col·loquen bobines (especialment les d'alta freqüència) en una pantalla. A més de l'efecte beneficiós, el blindatge provoca una disminució del factor de qualitat de la bobina, una disminució de la seva inductància i un augment de la capacitat parasitària. A més, com més a prop estiguin les parets de la pantalla a les voltes de la bobina, més gran serà l'efecte nociu. Per tant, gairebé sempre es fabriquen bobines blindades amb la possibilitat d'ajustar els paràmetres.
Inductància del tallador
En alguns casos, cal establir amb precisió el valor d'inductància al lloc després de connectar la bobina a altres elements del circuit, compensant les desviacions dels paràmetres durant la sintonització. Per a això s'utilitzen diferents mètodes (canvi de tocs dels girs, etc.), però el mètode més precís i suau és l'afinació amb l'ajuda d'un nucli. Es fa en forma de vareta roscada, que es pot cargolar dins i fora del marc, ajustant la inductància de la bobina.
Inductància variable (variòmetre)
Quan es requereix un ajust ràpid de la inductància o l'acoblament inductiu, s'utilitzen bobines d'un disseny diferent. Contenen dos bobinatges: mòbils i fixos. La inductància total és igual a la suma de les inductàncies de les dues bobines i la inductància mútua entre elles.
En canviar la posició relativa d'una bobina a una altra, s'ajusta el valor total de la inductància. Aquest dispositiu s'anomena variòmetre i s'utilitza sovint en equips de comunicacions per ajustar circuits ressonants en els casos en què l'ús de condensadors variables és impossible per algun motiu.El disseny del variòmetre és bastant voluminós, cosa que limita el seu abast.
Inductància en forma d'espiral impresa
Les bobines amb una petita inductància es poden fer en forma d'espiral de conductors impresos. Els avantatges d'aquest disseny són:
- fabricabilitat de la producció;
- alta repetibilitat dels paràmetres.
Els desavantatges inclouen la impossibilitat d'ajustar-se durant l'ajust i la dificultat d'obtenir grans valors d'inductància: com més gran sigui la inductància, més espai ocupa la bobina a la placa.
Bobina de bobina seccional
La inductància sense capacitat només està en paper. Amb qualsevol implementació física de la bobina, sorgeix immediatament una capacitat intervoltada paràsit. Això és perjudicial en molts casos. La capacitat paràsita s'afegeix a la capacitat del circuit LC, reduint la freqüència de ressonància i el factor de qualitat del sistema oscil·latori. A més, la bobina té la seva pròpia freqüència de ressonància, que provoca fenòmens indesitjables.
S'utilitzen diversos mètodes per reduir la capacitat parasitària, el més senzill dels quals és la inductància de bobinatge en forma de diverses seccions connectades en sèrie. Amb aquesta inclusió, les inductàncies se sumen i la capacitat total disminueix.
Inductor sobre un nucli toroidal
Les línies de camp magnètic d'un inductor cilíndric es dibuixen per l'interior del bobinatge (si hi ha un nucli, a través d'ell) i es tanquen des de l'exterior a través de l'aire. Aquest fet comporta diversos inconvenients:
- la inductància es redueix;
- les característiques de la bobina són menys susceptibles de càlcul;
- qualsevol objecte portat a un camp magnètic extern modifica els paràmetres de la bobina (inductància, capacitat paràsit, pèrdues, etc.), per la qual cosa es requereix blindatge en molts casos.
Les bobines enrotllades en nuclis toroidals (en forma d'anell o d'un bunyol) estan en gran part lliures d'aquestes deficiències. Les línies magnètiques passen dins del nucli en forma de bucles tancats. Això vol dir que els objectes externs pràcticament no tenen cap efecte sobre els paràmetres d'una bobina enrotllada en un nucli d'aquest tipus i que no es necessita blindatge per a aquest disseny. La inductància també augmenta, en igualtat de coses, i les característiques són més fàcils de calcular.
Els desavantatges de les bobines enrotllades en tori inclouen la impossibilitat d'un ajustament suau de la inductància al moment. Un altre problema és l'alta intensitat de treball i la baixa capacitat de fabricació del bobinat. Tanmateix, això s'aplica a tots els elements inductius en general, en major o menor mesura.
A més, un desavantatge comú de la implementació física de la inductància és un gran pes i mida, una fiabilitat relativament baixa i una baixa capacitat de manteniment.
Per tant, en tecnologia, intenten desfer-se dels components inductius. Però això no sempre és possible, de manera que s'utilitzaran components de bobinat tant en un futur previsible com a mitjà termini.
Articles semblants:
