Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

15.1: Магнітні поля та індуктивність

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    101644

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Сила поля і потік поля

    Поля мають дві міри: сила поля і потік поля. Сила поля - це кількість «поштовху», яке поле чинить на певну відстань. Польовий потік - це загальна кількість, або ефект, поля через простір. Сила поля і потік приблизно аналогічні напрузі («поштовх») та струму (потоку) через провідник відповідно, хоча потік поля може існувати в абсолютно порожньому просторі (без руху частинок, таких як електрони), тоді як струм може відбуватися лише там, де є вільні електрони для переміщення. Польовий потік може бути протиставлений у просторі, так само, як потік електронів може протистояти опору. Величина потоку поля, яка буде розвиватися в просторі, пропорційна величині прикладеної сили поля, поділеної на величину протистояння потоку. Подібно до того, як тип провідного матеріалу диктує питомий опір провідника електричному струму, тип матеріалу, що займає простір, через який впливає сила магнітного поля, диктує специфічне протиставлення потоку магнітного поля.

    Тоді як потік електричного поля між двома провідниками дозволяє накопичувати вільний електронний заряд всередині цих провідників, потік магнітного поля дозволяє певній «інерції» накопичуватися в потоці електронів через провідник, що виробляє поле.

    Сильніші магнітні поля з індукторами

    Індуктори - це компоненти, призначені для того, щоб скористатися цим явищем, формуючи довжину провідного дроту у вигляді котушки. Ця форма створює сильніше магнітне поле, ніж те, що було б вироблено прямим дротом. Деякі індуктори утворені дротом, намотаним в самонесучу котушку. Інші обертають дріт навколо твердого матеріалу якогось типу. Іноді сердечник індуктора буде прямим, а в інших випадках він буде з'єднаний в петлю (квадратний, прямокутний або круглий), щоб повністю містити магнітний потік. Ці варіанти конструкції впливають на продуктивність і характеристики індукторів.

    Схематичний символ індуктора, як і конденсатор, досить простий, будучи трохи більше, ніж символ котушки, що представляє спіральний дріт. Хоча проста форма котушки є загальним символом для будь-якого індуктора, індуктори з сердечниками іноді відрізняються додаванням паралельних ліній до осі котушки. Новіша версія символу індуктора обходиться без форми котушки на користь декількох «горбів» поспіль:

    00355.png

    Оскільки електричний струм виробляє концентроване магнітне поле навколо котушки, цей потік поля прирівнюється до накопичення енергії, що представляє кінетичний рух електронів через котушку. Чим більше струму в котушці, тим сильніше буде магнітне поле, і тим більше енергії буде зберігати індуктор.

    00320.png

    Оскільки індуктори зберігають кінетичну енергію рухомих електронів у вигляді магнітного поля, вони поводяться зовсім інакше, ніж резистори (які просто розсіюють енергію у вигляді тепла) в ланцюзі. Накопичення енергії в індукторі - це функція кількості струму через нього. Здатність індуктора зберігати енергію як функцію струму призводить до тенденції намагатися підтримувати струм на постійному рівні. Іншими словами, індуктори, як правило, протистоять змінам струму. Коли струм через індуктор збільшується або зменшується, індуктор «чинить опір» зміні, виробляючи напругу між його висновками в протилежній полярності зміні.

    Щоб накопичити більше енергії в індукторі, струм через нього необхідно збільшити. Це означає, що його магнітне поле повинно збільшуватися в напруженості, і що зміна напруженості поля виробляє відповідну напругу за принципом електромагнітної самоіндукції. І навпаки, щоб звільнити енергію від індуктора, струм через нього повинен бути зменшений. Це означає, що магнітне поле індуктора повинно зменшуватися в напруженості, і що зміна напруженості поля самостійно викликає падіння напруги якраз протилежної полярності.

    Подібно до того, як перший Закон руху Ісаака Ньютона («об'єкт у русі має тенденцію залишатися в русі; об'єкт у спокої має тенденцію залишатися в спокої») описує тенденцію маси протистояти змінам швидкості, ми можемо констатувати тенденцію індуктора протистояти змінам струму як такої: «Електрони, що рухаються через індуктор, мають тенденцію залишатися в русі; електрони в спокої в індукторі, як правило, залишаються в стані спокою». Гіпотетично індуктор, залишений короткозамкненим, буде підтримувати постійну швидкість струму через нього без сторонньої допомоги:

    00321.png

    Практично кажучи, однак, здатність індуктора до самопідтримки струму реалізується тільки з надпровідним проводом, так як опору дроту в будь-якому нормальному індукторі достатньо, щоб викликати затухання струму дуже швидко без зовнішнього джерела живлення.

    Коли струм через індуктор збільшується, він знижує напругу, протилежну напрямку потоку електронів, виступаючи в ролі силового навантаження. У цьому стані індуктор, як кажуть, заряджається, оскільки в його магнітному полі накопичується все більша кількість енергії. Зверніть увагу на полярність напруги щодо напрямку струму:

    00322.png

    І навпаки, коли струм через індуктор зменшується, він знижує напругу, що сприяє напрямку потоку електронів, діючи як джерело живлення. У цьому стані індуктор, як кажуть, розряджається, оскільки його запас енергії зменшується, коли він вивільняє енергію від свого магнітного поля до решти ланцюга. Зверніть увагу на полярність напруги щодо напрямку струму.

    00323.png

    Якщо до незамагніченому індуктору раптово подати джерело електричної енергії, індуктор спочатку буде чинити опір потоку електронів, знижуючи повну напругу джерела. У міру того, як струм почне збільшуватися, буде створюватися більш сильне і сильне магнітне поле, що поглинає енергію від джерела. З часом струм досягає максимального рівня, і перестає збільшуватися. У цей момент індуктор перестає поглинати енергію від джерела, і знижується мінімальна напруга на його відведеннях, при цьому струм залишається на максимальному рівні. Оскільки індуктор зберігає більше енергії, його поточний рівень збільшується, при цьому його падіння напруги зменшується. Зверніть увагу, що це якраз протилежність поведінки конденсатора, де накопичення енергії призводить до підвищеної напруги на компоненті! У той час як конденсатори зберігають свій енергетичний заряд, підтримуючи статичну напругу, індуктори підтримують свою енергію «заряду», підтримуючи постійний струм через котушку.

    Тип матеріалу, навколо якого намотується дріт, сильно впливає на силу потоку магнітного поля (і, отже, кількість накопиченої енергії), що генерується для будь-якої заданої кількості струму через котушку. Сердечники котушок, виготовлені з феромагнітних матеріалів (таких як м'яке залізо), стимулюватимуть розвиток сильніших потоків поля із заданою силою поля, ніж немагнітні речовини, такі як алюміній або повітря.

    Що таке індуктивність?

    Міра здатності індуктора зберігати енергію для заданої кількості потоку струму називається індуктивністю. Не дивно, що індуктивність також є мірою інтенсивності протистояння змінам струму (саме стільки самоіндукованої напруги буде вироблено при заданій швидкості зміни струму). Індуктивність символічно позначається з великої літери «L», і вимірюється в одиниці Генрі, скорочено «H».

    Дросель Vs. Індуктор

    Застаріла назва індуктора - дросель, так званий за його загальне використання для блокування («дроселя») високочастотних сигналів змінного струму в радіоланцюгах. Інша назва індуктора, все ще використовується в сучасний час, реактор, особливо при використанні у великих енергетичних додатках. Обидва ці назви матимуть більше сенсу після того, як ви вивчили теорію ланцюгів змінного струму (змінного струму), і особливо принцип, відомий як індуктивний реактивний опір.

    Рецензія

    • Індуктори реагують на зміни струму зниженням напруги в полярності, необхідної для протидії зміні.
    • Коли індуктор стикається зі зростаючим струмом, він діє як навантаження: падіння напруги, оскільки він поглинає енергію (негативний на стороні входу струму і позитивний на стороні виходу струму, як резистор).
    • Коли індуктор стикається зі зменшенням струму, він діє як джерело: створюючи напругу, коли він випускає накопичену енергію (позитивну на стороні входу струму та негативну на стороні виходу струму, як акумулятор).
    • Здатність індуктора зберігати енергію у вигляді магнітного поля (а отже, і протидіяти змінам струму) називається індуктивністю. Вимірюється в одиниці Генріха (H).
    • Індуктори раніше були широко відомі під іншим терміном: дросель. У великих енергетичних додатках їх іноді називають реакторами.