Катушки индуктивности и расчеты

Катушки индуктивности, в отличии от проводников, не обладают стабильным сопротивлением. Однако, для них существует определенная математическая зависимость между напряжением и током :

Как видите, эта формула похожа на аналогичную формулу "Закона Ома" для конденсатора . Она связывает одну переменную (в нашем случае напряжение на катушке индуктивности) со скоростью изменения другой переменной (тока через катушку). И напряжение (u) и скорость изменения тока здесь (di/dt) мгновенны: они берутся в определенный момент времени. Величина скорости изменения тока (di/dt) выражается в амперах в секунду , и имеет положительное значение при увеличении тока, и отрицательное значение при его уменьшении.

Поведение катушки индуктивности (по аналогии с конденсатором) тесно связано с переменной времени. Если не учитывать внутреннее сопротивление катушки индуктивности (ради чистоты эксперимента мы принимаем его равным нулю), то напряжение на ее выводах будет зависеть от изменения тока во времени.

Давайте предположим, что мы подключили идеальную катушку индуктивности (имеющую нулевое сопротивление провода) к цепи, позволяющей измерить ток через эту катушку при помощи потенциометра:

Если механизм потенциометра находится в одном положении (ползунок неподвижен), то соединенный последовательно с ним амперметр зарегистрирует постоянный (неизменный) ток, а подключенный к катушке индуктивности вольтметр покажет 0 вольт. Так как ток в этом случае постоянен, скорость его изменения (di/dt) будет равна нулю. Посмотрев внимательно на вышеприведенное уравнение можно сделать вывод, что при нулевом значении du/dt мгновенное напряжение на катушке так же будет равно нулю. С точки зрения физики, если ток будет постоянным (неизменным), то постоянным будет и произведенное катушкой индуктивности магнитное поле. При отсутствии изменений магнитного потока (dΦ/dt = 0 Вебер в секунду) индуцированное напряжение будет равно нулю.

Если ползунок потенциометра медленно перемещать вверх, то его сопротивление будет медленно уменьшаться. Ток в цепи при этом будет возрастать, что можно увидеть по медленному отклонению стрелки амперметра:

Если ползунок потенциометра перемещать с постоянной скоростью, то ток в цепи будет нарастать равномерно, а значит, отношение di/dt будет иметь фиксированное значение. Это значение, умноженное на индуктивность (так же имеющую фиксированную величину), даст нам постоянное напряжение некоторой величины. С точки зрения физики, постепенное увеличение тока приведет к росту магнитного поля. Увеличивающийся магнитный поток поля создаст в катушке индуцированное напряжение, выраженное уравнением Фарадея : e = N(dΦ/dt). Это напряжение принимает такую полярность, которая пытается противодействовать изменению тока. Другими словами, полярность напряжения, индуцированного в результате увеличения тока, будет ориентирована против направления этого тока, чтобы сохранить его величину на прежнем уровне. Это явление демонстрирует более общий принцип физики, известный как Правило Ленца , который гласит : Индукционный ток всегда имеет такое направление, что он ослабляет действие причины, возбуждающей этот ток.

В этом случае катушка индуктивности выступает в качестве нагрузки. Она имеет отрицательную полярность индуцированного напряжения со стороны входа потока электронов, и положительную полярность - со стороны выхода.

Если мы будем двигать ползунок потенциометра в том же направлении, но с различной скоростью, то получим следующий график:

Обратите внимание: напряжение на катушке индуктивности в любой момент времени пропорционально скорости изменения (наклону линии) тока. Когда линия тока на графике растёт быстро (крутой подъем), напряжение имеет большое значение. Когда линия тока растет медленно (пологий подъем), напряжение имеет маленькое значение. В одном месте графика можно увидеть строго горизонтальный отрезок линии тока (нулевой наклон, представляющий период времени, когда ползунок потенциометра не двигался вообще), при котором напряжение упало до нулевой отметки.

Если мы будем двигать ползунок потенциометра вниз, то его сопротивление увеличится, а ток в цепи уменьшится (отрицательное значение для di/dt). Катушка индуктивности всегда выступает против любого изменения тока, полярность индуцированного ей напряжения будет противоположна направлению этого изменения:

Величина производимого катушкой индуктивности напряжения конечно же зависит от скорости уменьшения тока. Как гласит Закон Ленца, индуцированное напряжение будет противоположно изменению тока. При уменьшении тока полярность напряжения будет ориентирована таким образом, чтобы попытаться сохранить величину этого тока на прежнем уровне. В данном случае катушка выступает в качестве источника. Она имеет положительную полярность индуцированного напряжения со стороны входа потока электронов, и отрицательную полярность - со стороны выхода. Чем быстрее уменьшается ток, тем больше напряжения будет производить катушка индуктивности за счет высвобождения накопленной энергии.

Запомните, величина индуцированного идеальной катушкой индуктивности напряжения прямо пропорциональна скорости изменения протекающего через нее тока. Единственным различием между эффектами снижения увеличения тока является полярность индуцированного напряжения. При одинаковой скорости уменьшения/увеличения тока, величина напряжения будет одинаковой. Например, при скорости изменения тока (di/dt) -2 ампера в секунду будет произведено такое же количество индуцированного напряжения, как и при di/dt +2 ампера в секунду , только полярность этих напряжений будет противоположной .

Если ток через катушку индуктивности изменяется очень быстро , то она произведет очень высокое напряжение . В качестве примера давайте рассмотрим следующую схему :

В этой схеме лампа подключена параллельно катушке индуктивности . Переключатель используется для управления током в цепи , а питание подается от 6 -вольтовой батареи. При включении выключателя, катушка индуктивности окажет кратковременное сопротивление изменению тока от нуля до некоторой величины, на ее выводах сгенерируется небольшое напряжение. Так как для ионизации газа внутри неоновой лампы необходимо напряжение порядка 70 вольт, шести вольт источника питания, а тем более низкого мгновенного напряжения катушки индуктивности в момент включения выключателя будет явно недостаточно, чтобы зажечь эту лампу:

Если выключатель разомкнуть, то в цепи мгновенно возникнет очень высокое сопротивление (сопротивление воздушного зазора между контактами). Это сопротивление спровоцирует почти мгновенное уменьшение тока. Математически, значение di/dt будет очень большим отрицательным числом. Такое быстрое изменение тока (с некоторой величины до нуля, в короткий промежуток времени ) приведет к возникновению очень высокого напряжения на катушке индуктивности (пытающегося противодействовать понижению тока). Этого напряжения , как правило, более чем достаточно чтобы зажечь неоновую лампу , хотя бы на короткое время , пока ток не упадет до нуля :

Для достижения максимального эффекта , индуктивность катушки должна быть как можно больше (по крайней мере один Генри ).

Весьма важное практическое значение имеет один частный случай получивший название самоиндукции. Так, когда индукционная катушка образует ток, то одновременно с ним возникает и магнитный поток, который растет с увеличением тока. С изменением магнитного потока катушка индуктирует величина которой пропорциональна изменению скорости магнитного потока.

Так как в данном случае проводник индуцирует электродвижущую силу в самом себе, то это явление называется самоиндукцией. в электрических цепях иногда сравнивают с проявлением инертности в механике.

Электродвижущая сила, индуктированная в индукционной катушке под влиянием изменения её собственного магнитного потока, называется электродвижущей силой самоиндукции.

Согласно закону Ленца, во всё время роста магнитного потока, принизывающего витки катушки, ЭДС самоиндукции в катушке направлена против включённого в данную цепь, и противодействует росту тока в цепи катушки.

Когда ток в катушке достигает постоянной величины, прекращает изменение, и ЭДС самоиндукции в катушке становится равной нулю.
При самоиндукции, как и при всяком процессе электромагнитной индукции, индуктированная электродвижущая сила пропорциональна скорости, с которой магнитный поток, сцепленный с контуром, по которому течёт ток, изменяется. Величина же магнитного потока при отсутствии в катушке железа пропорциональна скорости, с которой изменяется ток (∆I/∆t), создающий этот поток.

Таким образом, величина электродвижущей силы самоиндукции, возникающей в проводнике, пропорциональна скорости, с которой изменяется ток в нем.
Если брать проводники разной формы, то окажется, что имея одинаковую скорость изменения тока, электродвижущие силы самоиндукции, возникающие в них, будут различны.

Так, если взять катушку, а затем растянуть в один виток, то при одинаковой скорости, с которой происходит изменение тока, ЭДС самоиндукции катушки будет больше. Это связанно с тем, что каждая силовая линия, принизывая витки катушки, сцепляется с ней большее число раз, чем с одним витком.

Величина, характеризующая связь между скоростью, с которой ток изменяется в цепи, и возникающей при этом ЭДС самоиндукции - индуктивность цепи.

Обозначим индуктивность катушки буквой L; тогда зависимость величины электродвижущей силы самоиндукции от скорости, с которой происходит изменение тока, можно выразить следующей формулой:

E = - L (∆I/∆t)

ед. L = (ед.E ˖ ед. t)/(ед.I)

Полагая, что в этой формуле ∆t = 1 сек, ∆I = 1 амперу и Е = 1 вольту, получим:

ед. L = 1(в ˖ сек/а)

Такую единицу называют генри (Гн).

Следовательно,

1 Гн = 1 (в ˖ сек/а)

Итак, генри - это индуктивность катушки, в которой изменение тока на 1 ампер в секунду возбуждает электродвижущую силу самоиндукции, равную 1 вольту.
Для измерения малых индуктивностей применяются тысячные доли генри - миллигенри (мГн) и миллионные доли генри - микрогенри (мкГн).

Кроме того, часто применяется и другая единица - сантиметр индуктивности, причём 1 мкГн = 1000 см индуктивности.

Таким образом,

1 Гн = 1000 мГн = 1000000 мкГн = 1000000000 см

Индуктивность катушки находится в зависимости от её числа витков, формы и размеров. Чем больше число витков в катушке самоиндукции, тем больше ее индуктивность.

Также, самоиндукция, индуктивность катушки значительно увеличивается при внесении внутрь её сердечника из железа или какого-либо другого магнитного материала.
Большой индуктивностью обладают обмотки электромагнитов у генераторов и двигателей, в момент размыкания цепи, когда скорость изменения электрического тока (∆I/∆t) очень велика, в этих обмотках может возникнуть большая ЭДС самоиндукции, которая, если не принять соответствующих мер, приведёт к пробою изоляции обмоток.

" говорится, что при включении и при всяком изменении тока в электрической цепи вследствие пересечения проводника своим же собственным магнитным полем в нем возникает индуктированная электродвижущая сила (ЭДС). Эту ЭДС мы назвали ЭДС самоиндукции. ЭДС самоиндукции имеет реактивный характер. Так, например, при увеличении тока в цепи ЭДС самоиндукции будет направлена против ЭДС источника напряжения, и поэтому ток в электрической цепи не может установиться сразу. И, наоборот, при уменьшении тока в цепи индуктируется ЭДС самоиндукции такого направления, что, мешая току исчезать, она поддерживает этот убывающий ток.

Рисунок 1. Цепь переменного тока, содержащая индуктивность

Как нам уже известно, ЭДС самоиндукции зависит от скорости изменения тока в цепи и от индуктивности этой цепи (числа витков, наличия стальных сердечников).

В цепи переменного тока ЭДС самоиндукции возникает непрерывно, так как ток в цепи непрерывно изменяется.

На рисунке 1 представлена схема цепи переменного тока, содержащей катушку с индуктивностью L без стального сердечника. Для простоты будем считать сначала, что активное сопротивление катушки очень мало и им можно пренебречь.

Рассмотрим внимательнее изменение переменного тока за время одного периода. На рисунке 2 показана кривая изменения переменного тока. Первая половина периода разбита на мелкие одинаковые части.

Рисунок 2. Определение скорости изменения переменного тока

За промежуток времени 0 - 1 величина тока изменилась от нуля до 1 - 1 ’. Прирост величины тока за это время равен а .

За время, обозначенное отрезком 1 - 2 , мгновенная величина выросла до 2 - 2 ’, причем прирост величины тока равен б .

В течение времени, обозначенного отрезком 2 - 3 , ток увеличивается до 3 - 3 ’, прирост тока показывает отрезок в и так далее.

Так, с течением времени переменный ток возрастет до максимума (при 90°). Но, как видно из чертежа, прирост тока делается все меньше и меньше, пока, наконец, при максимальном значении тока этот прирост не станет равным нулю.

При дальнейшем изменении тока от максимума до нуля убыль величины тока становится все больше и больше, пока, наконец, около нулевого значения ток, изменяясь с наибольшей скоростью, не исчезнет, но тут же появляется вновь, протекая в обратном направлении.

Рассматривая изменение тока в течение периода, мы видим, что с наибольшей скоростью изменяется ток около своих нулевых значений. Около максимальных значений скорость изменения тока падает, а при максимальном значении тока прирост его равен нулю. Таким образом, переменный ток меняется не только по величине и направлению, но также и по скорости своего изменения. Переменный ток, проходя по виткам катушки, создает переменное магнитное поле. Магнитные линии этого поля, пересекая витки своей же катушки, индуктируют в них ЭДС самоиндукции.

На рисунке 3 кривая i показывает изменение переменного тока в катушке. Как было уже указано, величина ЭДС самоиндукции зависит от скорости изменения тока и от индуктивности катушки. Но так как индуктивность катушки в нашем случае остается без изменения, ЭДС самоиндукции будет зависеть только от скорости изменения тока. Выше было показано, что наибольшая скорость изменения тока имеет место около нулевых значений тока. Следовательно, наибольшее изменение ЭДС самоиндукции имеет те же моменты.

Рисунок 3. ЭДС самоиндукции в катушке, включенной в цепь переменного тока

В момент а ток резко и быстро увеличивается от нуля, а поэтому, как следует из вышеприведенной формулы, ЭДС самоиндукции (кривая e L ) имеет отрицательное максимальное значение. Так как ток увеличивается, то ЭДС самоиндукции по правилу Ленца должна препятствовать изменению (здесь увеличению) тока. Поэтому ЭДС самоиндукции при возрастании тока будет иметь направление, обратное току (положение б ), что следует также из указанной формулы. Скорость изменения тока по мере приближения его к максимуму уменьшается. Поэтому ЭДС самоиндукции также уменьшается, пока, наконец, при максимуме тока, когда изменения его будут равны нулю, она не станет равной нулю (положение в ).

Переменный ток, достигнув максимума, начинает убывать. По правилу Ленца ЭДС самоиндукции будет мешать току убывать и, направленная уже в сторону протекания тока, будет его поддерживать (положение г ).

При дальнейшем изменении переменный ток быстро убывает до нуля. Резкое уменьшение тока в катушке повлечет за собой также быстрое уменьшение магнитного поля и в результате пересечения магнитными линиями витков катушки в них будет индуктироваться наибольшая ЭДС самоиндукции (положение д ).

Рисунок 4. Ток в катушке опережает ЭДС самоиндукции по фазе на 90°

Во вторую половину периода изменения тока картина повторяется и снова при возрастании тока ЭДС самоиндукции будет мешать ему, имея направление, обратное току (положение е ).

При убывании тока ЭДС самоиндукции, имея направление в сторону тока, будет поддерживать его, не давая ему исчезнуть сразу (положение з ).

На рисунке видно, что ЭДС самоиндукции отстает по фазе от тока на 90° или на ¼ периода. Так как магнитный поток совпадает по фазе с током, то можно сказать, что ЭДС, наводимая магнитным потоком, отстает от него по фазе на 90° или на ¼ периода.

Нам уже известно, что две синусоиды, сдвинутые одна относительно другой на 90°, можно изобразить векторами, расположенными под углом 90° (рисунок 4).

Так как ЭДС самоиндукции в цепях переменного тока непрерывно противодействует изменениям тока, то, чтобы дать возможность току протекать по виткам катушки, напряжение сети должно уравновешивать ЭДС самоиндукции. Иными словами, напряжение сети в каждый момент времени должно быть равно и противоположно ЭДС самоиндукции.

Рисунок 5. Приложенное к катушке напряжение сети опережает ток на 90° и противоположно ЭДС самоиндукции

Вектор напряжения сети, равный и противоположный ЭДС самоиндукции e L , мы обозначим через U (рисунок 5). Только при условии, что к зажимам катушки будет приложено напряжение сети, равное и противоположное ЭДС самоиндукции, и, стало быть, это напряжение сети U уравновесит ЭДС самоиндукции e L , по катушке сможет проходить переменный ток I .

Но в этом случае напряжение сети U будет опережать по фазе ток I на 90°.

Таким образом, в цепях переменного тока ЭДС самоиндукции, возникая непрерывно, вызывает сдвиг фаз между током и напряжением. Возвращаясь к рисунку 3, мы видим, что ток i по катушке будет проходить и тогда, когда напряжение сети (кривая u L ) равно нулю (положение в ), и даже тогда, когда напряжение сети направлено в сторону, обратную току (положение г и з ).

Итак отметим, что в цепи переменного тока, когда ЭДС самоиндукции отсутствует, напряжение сети и ток совпадают по фазе. Индуктивная же нагрузка в цепях переменного тока (обмотки электродвигателей и генераторов, обмотки трансформаторов, индуктивные катушки) всегда вызывает сдвиг фаз между током и напряжением.

Можно показать, что скорость изменения тока пропорциональна угловой частоте ω. Следовательно, действующее значение ЭДС самоиндукции e L может быть найдено по формуле:

e L = ω × L × I = 2 × π × f × L × I .

Как было отмечено выше, напряжение, приложенное к зажимам цепи, содержащей индуктивность, в каждый момент времени должно быть по величине равно ЭДС самоиндукции:

u L = e L .

u L = 2 × π × f × L × I .

Обозначая 2 × π × f × L = x L , получим

u L = x L × I .

Формула закона Ома для цепи переменного тока, содержащего индуктивность, будет такова:

Величина x L называется индуктивным сопротивлением цепи , или реактивным сопротивлением индуктивности , и измеряется в омах. Таким образом, реактивное индуктивное сопротивление представляет собой своеобразное препятствие, которое оказывает цепь изменениям тока в ней. Оно равно произведению индуктивности на угловую частоту. Формула индуктивного сопротивления имеет вид:

x L = ω × L .

Индуктивное сопротивление проводника зависит от частоты переменного тока и индуктивности проводника. Поэтому индуктивное сопротивление катушки, включаемой в цепь токов различной частоты, будет различным. Например, если имеется катушка индуктивностью 0,05 Гн, то путем расчета индуктивного сопротивления выяснится, что в цепи частотой 50 Гц ее индуктивное сопротивление будет:

x L1 = 2 × π × f 1 × L = 2 × 3,14 × 50 × 0,05 = 15,7 Ом,

а в цепи тока частотой 400 Гц

x L2 = 2 × π × f 2 × L = 2 × 3,14 × 400 × 0,05 = 125,6 Ом.

Та часть напряжения сети, которая идет на преодоление (уравновешивание) ЭДС самоиндукции, называется индуктивным падением напряжения или реактивной слагающей напряжения .

u L = x L × I .

Рассмотрим теперь, какая мощность потребляется от источника переменного напряжения, если к его зажимам подключена индуктивность.

Рисунок 6. Кривые мгновенных значений напряжения, тока и мощности для цепи, содержащей индуктивность

На рисунке 6 даны кривые мгновенных значений напряжения, тока и мощности для этого случая. Мгновенное значение мощности равно произведению мгновенных значений напряжения и тока:

p = u × i .

Из чертежа видно, что если u и i имеют одинаковые знаки, то кривая p положительная и располагается выше оси ωt . Если же u и i имеют разные знаки, то кривая p отрицательна и располагается ниже оси ωt .

В первую четверть периода ток, а в месте с ним и магнитный поток катушки увеличиваются. Катушка забирает из сети мощность. Площадь, заключенная между кривой p и осью ωt , есть работа (энергия) электрического тока. За первую четверть периода энергия, забираемая из сети, идет на создание магнитного поля вокруг витков катушки (мощность положительная). Количество энергии, запасаемое в магнитном поле за время роста тока, можно определить по формуле:

За вторую четверть периода ток убывает. ЭДС самоиндукции, которая в первую четверть периода стремилась помешать возрастанию тока, теперь, когда ток начинает уменьшаться, будет мешать ему уменьшаться. Сама катушка становится как бы генератором электрической энергии. Она возвращает в сеть энергию, запасенную в ее магнитном поле. Мощность отрицательна, и на рисунке 6 кривая p располагается ниже оси ωt .

За вторую половину периода явление повторяется. Таким образом, между источником переменного напряжения и катушкой, содержащей индуктивность, происходит обмен мощностью. В течение первой и третьей четвертей периода мощность поглощается катушкой, в течение второй и четвертой мощность возвращается источнику.

В этом случае, в среднем, расхода мощности не будет, несмотря на то, что на зажимах цепи есть напряжение U и в цепи протекает ток I .

Тот же результат мы получим, если вычислим среднюю или активную мощность по формуле, приведенной выше:

P = U × I × cos φ .

В нашем случае между напряжением и током существует сдвиг фаз, равный 90°, и cos φ = 90° = 0.

Поэтому активная мощность также равна нулю, то есть расхода мощности нет.

Приветствую всех на нашем сайте!

Мы продолжаем изучать электронику с самого начала, то есть с самых основ и темой сегодняшней статьи будет принцип работы и основные характеристики катушек индуктивности . Забегая вперед скажу, что сначала мы обсудим теоретические аспекты, а несколько будущих статей посвятим целиком и полностью рассмотрению различных электрических схем, в которых используются катушки индуктивности, а также элементы, которые мы изучили ранее в рамках нашего курса – и .

Устройство и принцип работы катушки индуктивности.

Как уже понятно из названия элемента – катушка индуктивности, в первую очередь, представляет из себя именно катушку:), то есть большое количество витков изолированного проводника. Причем наличие изоляции является важнейшим условием – витки катушки не должны замыкаться друг с другом. Чаще всего витки наматываются на цилиндрический или тороидальный каркас:

Важнейшей характеристикой катушки индуктивности является, естественно, индуктивность, иначе зачем бы ей дали такое название 🙂 Индуктивность – это способность преобразовывать энергию электрического поля в энергию магнитного поля. Это свойство катушки связано с тем, что при протекании по проводнику тока вокруг него возникает магнитное поле:

А вот как выглядит магнитное поле, возникающее при прохождении тока через катушку:

В общем то, строго говоря, любой элемент в электрической цепи имеет индуктивность, даже обычный кусок провода. Но дело в том, что величина такой индуктивности является очень незначительной, в отличие от индуктивности катушек. Собственно, для того, чтобы охарактеризовать эту величину используется единица измерения Генри (Гн). 1 Генри – это на самом деле очень большая величина, поэтому чаще всего используются мкГн (микрогенри) и мГн (милигенри). Величину индуктивности катушки можно рассчитать по следующей формуле:

Давайте разберемся, что за величину входят в это выражение:

Из формулы следует, что при увеличении числа витков или, к примеру, диаметра (а соответственно и площади поперечного сечения) катушки, индуктивность будет увеличиваться. А при увеличении длины – уменьшаться. Таким образом, витки на катушке стоит располагать как можно ближе друг к другу, поскольку это приведет к уменьшению длины катушки.

С устройством катушки индуктивности мы разобрались, пришло время рассмотреть физические процессы, которые протекают в этом элементе при прохождении электрического тока. Для этого мы рассмотрим две схемы – в одной будем пропускать через катушку постоянный ток, а в другой -переменный 🙂

Итак, в первую очередь, давайте разберемся, что же происходит в самой катушке при протекании тока. Если ток не изменяет своей величины, то катушка не оказывает на него никакого влияния. Значит ли это, что в случае постоянного тока использование катушек индуктивности и рассматривать не стоит? А вот и нет 🙂 Ведь постоянный ток можно включать/выключать, и как раз в моменты переключения и происходит все самое интересное. Давайте рассмотрим цепь:

Резистор выполняет в данном случае роль нагрузки, на его месте могла бы быть, к примеру, лампа. Помимо резистора и индуктивности в цепь включены источник постоянного тока и переключатель, с помощью которого мы будем замыкать и размыкать цепь.

Что же произойдет в тот момент когда мы замкнем выключатель?

Ток через катушку начнет изменяться, поскольку в предыдущий момент времени он был равен 0. Изменение тока приведет к изменению магнитного потока внутри катушки, что, в свою очередь, вызовет возникновение ЭДС (электродвижущей силы) самоиндукции, которую можно выразить следующим образом:

Возникновение ЭДС приведет к появлению индукционного тока в катушке, который будет протекать в направлении, противоположном направлению тока источника питания. Таким образом, ЭДС самоиндукции будет препятствовать протеканию тока через катушку (индукционный ток будет компенсировать ток цепи из-за того, что их направления противоположны). А это значит, что в начальный момент времени (непосредственно после замыкания выключателя) ток через катушку будет равен 0. В этот момент времени ЭДС самоиндукции максимальна. А что же произойдет дальше? Поскольку величина ЭДС прямо пропорциональна скорости изменения тока, то она будет постепенно ослабевать, а ток, соответственно, наоборот будет возрастать. Давайте посмотрим на графики, иллюстрирующие то, что мы обсудили:

На первом графике мы видим входное напряжение цепи – изначально цепь разомкнута, а при замыкании переключателя появляется постоянное значение. На втором графике мы видим изменение величины тока через катушку индуктивности. Непосредственно после замыкания ключа ток отсутствует из-за возникновения ЭДС самоиндукции, а затем начинает плавно возрастать. Напряжения на катушке наоборот в начальный момент времени максимально, а затем уменьшается. График напряжения на нагрузке будет по форме (но не по величине) совпадать с графиком тока через катушку (поскольку при последовательном соединении ток, протекающий через разные элементы цепи одинаковый). Таким образом, если в качестве нагрузки мы будем использовать лампу, то они загорится не сразу после замыкания переключателя, а с небольшой задержкой (в соответствии с графиком тока).

Аналогичный переходный процесс в цепи будет наблюдаться и при размыкании ключа. В катушке индуктивности возникнет ЭДС самоиндукции, но индукционный ток в случае размыкания будет направлен в том же самом направлении, что и ток в цепи, а не в противоположном, поэтому запасенная энергия катушки индуктивности пойдет на поддержание тока в цепи:

После размыкания ключа возникает ЭДС самоиндукции, которая препятствует уменьшению тока через катушку, поэтому ток достигает нулевого значения не сразу, а по истечении некоторого времени. Напряжение же в катушке по форме идентично случаю замыкания переключателя, но противоположно по знаку. Это связано с тем, что изменение тока, а соответственно и ЭДС самоиндукции в первом и втором случаях противоположны по знаку (в первом случае ток возрастает, а во втором убывает).

Кстати, я упомянул, что величина ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения силы тока, так вот, коэффициентом пропорциональности является ни что иное как индуктивность катушки:

На этом мы заканчиваем с катушками индуктивности в цепях постоянного тока и переходим к цепям переменного тока .

Рассмотрим цепь, в которой на катушку индуктивности подается переменный ток:

Давайте посмотрим на зависимости тока и ЭДС самоиндукции от времени, а затем уже разберемся, почему они выглядят именно так:

Как мы уже выяснили ЭДС самоиндукции у нас прямо пропорциональна и противоположна по знаку скорости изменения тока:

Собственно, график нам и демонстрирует эту зависимость 🙂 Смотрите сами – между точками 1 и 2 ток у нас изменяется, причем чем ближе к точке 2, тем изменения меньше, а в точке 2 в течении какого-то небольшого промежутка времени ток и вовсе не изменяет своего значения. Соответственно скорость изменения тока максимальна в точке 1 и плавно уменьшается при приближении к точке 2, а в точке 2 равна 0, что мы и видим на графике ЭДС самоиндукции . Причем на всем промежутке 1-2 ток возрастает, а значит скорость его изменения положительна, в связи с этим на ЭДС на всем этом промежутке напротив принимает отрицательные значения.

Аналогично между точками 2 и 3 – ток уменьшается – скорость изменения тока отрицательная и увеличивается – ЭДС самоиндукции увеличивается и положительна. Не буду расписывать остальные участки графика – там все процессы протекают по такому же принципу 🙂

Кроме того, на графике можно заметить очень важный момент – при увеличении тока (участки 1-2 и 3-4) ЭДС самоиндукции и ток имеют разные знаки (участок 1-2: , title="Rendered by QuickLaTeX.com" height="12" width="39" style="vertical-align: 0px;">, участок 3-4: title="Rendered by QuickLaTeX.com" height="12" width="41" style="vertical-align: 0px;">, ). Таким образом, ЭДС самоиндукции препятствует возрастанию тока (индукционные токи направлены “навстречу” току источника). А на участках 2-3 и 4-5 все наоборот – ток убывает, а ЭДС препятствует убыванию тока (поскольку индукционные токи будут направлены в ту же сторону, что и ток источника и будут частично компенсировать уменьшение тока). И в итоге мы приходим к очень интересному факту – катушка индуктивности оказывает сопротивление переменному току, протекающему по цепи. А значит она имеет сопротивление, которое называется индуктивным или реактивным и вычисляется следующим образом:

Где – круговая частота: . – это .

Таким образом, чем больше частота тока, тем большее сопротивление будет ему оказывать катушка индуктивности. А если ток постоянный ( = 0), то реактивное сопротивление катушки равно 0, соответственно, она не оказывает влияния на протекающий ток.

Давайте вернемся к нашим графикам, которые мы построили для случая использования катушки индуктивности в цепи переменного тока. Мы определили ЭДС самоиндукции катушки, но каким же будет напряжение ? Здесь все на самом деле просто 🙂 По 2-му закону Кирхгофа:

А следовательно:

Построим на одном графике зависимости тока и напряжения в цепи от времени:

Как видите ток и напряжение сдвинуты по фазе () друг относительно друга, и это является одним из важнейших свойств цепей переменного тока, в которых используется катушка индуктивности:

При включении катушки индуктивности в цепь переменного тока в цепи появляется сдвиг фаз между напряжением и током, при этом ток отстает по фазе от напряжения на четверть периода.

Вот и с включением катушки в цепь переменного тока мы разобрались 🙂

На этом, пожалуй, закончим сегодняшнюю статью, она получилась уже довольно объемной, поэтому дальнейший разговор о катушках индуктивности мы будем вести в следующий раз. Так что до скорых встреч, будем рады видеть вас на нашем сайте!

Индуктивность в цепи переменного тока будет влиять на силу переменного тока. Проверим это на следующем опыте.

Возьмем два источника питания. Один из них пусть будет источником постоянного напряжения, а второй – переменного. Причем подберем источники так, чтобы постоянное значение напряжения равнялось действующему значению переменного напряжения. Подключим к ним с помощью переключателя цепь, состоящую из лампочки и катушки индуктивности.

Причем лампочка и катушка подключены последовательно. Переключатель включим так, чтобы при одном положении цепь питалась от источника постоянного тока, а при другом – от источника переменного тока.

При включении питания от источника постоянного тока лампочка загорится очень ярко. Если подключить цепь к источнику тока с переменным напряжением, то лампочка будет гореть, но заметно слабее. Можем сделать вывод, что действующее значение силы тока при переменном токе меньше, чем сила тока при постоянном источнике.

Индуктивность катушки

Это можно объяснить с помощью явления самоиндукции. ЭДС самоиндукции катушки будет достаточно большим, и будет препятствовать нарастанию силы тока, поэтому свое максимальное значение сила тока достигнет только спустя некоторое время. Если напряжение будет быстро меняться, то сила тока не будет успевать достигнуть своего максимального значения.

Можно сделать вывод, что индуктивность катушки будет ограничивать максимальное значение силы тока. Чем больше индуктивность катушки и частота изменения напряжения, тем меньше будет максимальное значение силы тока.

Рассмотрим цепь, в которой есть только катушка индуктивности. При этом значение сопротивления катушки и соединительных проводов пренебрежимо мало.

Выясним, как будут связаны напряжение на катушке с ЭДС самоиндукции в ней. При сопротивлении катушки равном нулю, напряженность электрического поля внутри проводника тоже будет равна нулю. Равенство нулю напряженности возможно.

Напряженности электрического поля создаваемого зарядами Eк будет соответствовать такая же по модулю и противоположно направленная напряженность вихревого электрического поля, которое появится вследствие изменения магнитного поля.

Следовательно, ЭДС самоиндукции ei будет равна по модулю и противоположна по знаку удельной работе кулоновского поля.

Следовательно:

Сила тока будет изменяться по гармоническому закону:

I = Im*sin(ω*t).

ЭДС самоиндукции будет равна:

Ei = -L*i’ = -L*ω*im*cos(ω*t).

Следовательно, напряжение будет равно:

U = L*ω*Im*cos(ω*t) = L*ω*Im*sin(ω*t+pi/2).

Отсюда значение действующего напряжения будет равняться Um = L*ω*Im. Видим, что между колебаниями тока и напряжения получилась разность фаз равная pi/2.

Индуктивное сопротивление

Следовательно, колебания силы тока отстают от колебания напряжения на pi/2. Это наглядно представлено на следующем рисунке.