1 Катушка индуктивности
Катушка индуктивности – винтовая, спиральная или винтоспиральная катушка из свёрнутого изолированного проводника, обладающая значительной индуктивностью (L) при относительно малой емкости (С) и малом активном сопротивлении (R). Как следствие, при протекании через катушку переменного электрического тока, наблюдается её значительная инерционность.
Основным
параметром катушки индуктивности
является её индуктивность, численно
равная отношению создаваемого током
потока магнитного поля (
),
пронизывающего катушку к силе протекающего
тока (I)
.
(1.1)
Типичные значения индуктивностей катушек от десятых долей мкГн до десятков Гн.
Индуктивность
катушки пропорциональна линейным
размерам катушки, магнитной проницаемости
сердечника (μ) и квадрату числа витков
намотки (
).
Индуктивность катушки соленоида равна
,
(1.2)
где μ0 – магнитная постоянная, μ – магнитная проницаемость материала сердечника (зависит от частоты), S – площадь сечения сердечника, l – длина средней линии сердечника, N – число витков
Рисунок 1. Схема последовательного соединения катушек индуктивности [1]
При последовательном соединении катушек индуктивности ток через каждую катушку один и тот же. Общая индуктивность равна сумме индуктивностей всех соединённых катушек
.
(1.3)
Рисунок 2. Электрическая схема параллельного соединения нескольких катушек индуктивности [1].
При параллельном соединении нескольких катушек индуктивности напряжение на всех катушках одинаково. Общая индуктивность равна:
.
(1.4)
Свойства катушки индуктивности:
Скорость изменения тока через катушку ограничена и определяется индуктивностью катушки.
Сопротивление (модуль импеданса) катушки растет с увеличением частоты текущего через неё тока.
Катушка индуктивности при протекании тока запасает энергию в своём магнитном поле. При отключении внешнего источника тока катушка отдаст запасенную энергию, стремясь поддержать величину тока в цепи. При этом напряжение на катушке нарастает, вплоть до пробоя изоляции или возникновения дуги на коммутирующем ключе.
Катушка индуктивности в электрической цепи для переменного тока имеет не только собственное омическое сопротивление, но имеет реактивное сопротивление переменному току, нарастающее при увеличении частоты, поскольку при изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая этому изменению.
Катушка индуктивности реактивным сопротивлением, которое равно
,
(1.5)
где L – индуктивность катушки, – циклическая частота, протекающего тока. Соответственно, чем больше частота тока, протекающего через катушку, тем больше её сопротивление.
Катушка с током запасает энергию в магнитном поле, равную работе, которую необходимо совершить для установления текущего тока I. Эта энергия равна:
.
(1.6)
Катушки индуктивности широко применяются для разогрева электропроводящих материалов в индукционных печах.
Приведем другие примеры разнообразного практического применения катушек индуктивности
Катушки индуктивности (совместно с конденсаторам и/или резисторами) используются для построения различных цепей с частотно-зависимыми свойствами, в частности, фильтров, цепей обратной связи, колебательных контуров, и т.п.
Катушки индуктивности используются в импульсных стабилизаторах как элемент, накапливающий энергию и преобразующий уровни напряжения.
Две и более индуктивно связанные катушки образуют трансформатор.
Катушка индуктивности, питаемая импульсным током от транзисторного ключа, иногда применяется в качестве источника высокого напряжения небольшой мощности в слаботочных схемах, когда создание отдельного высокого питающего напряжения в блоке питания невозможно или экономически нецелесообразно. В этом случае на катушке из-за самоиндукции возникают выбросы высокого напряжения, которые можно использовать в схеме, например, выпрямив и сгладив.
Катушки используются также в качестве электромагнитов – исполнительных механизмов.
Катушки применяются в качестве источника энергии для нагрева индуктивно-связанной плазмы, а также её диагностики.
Для радиосвязи – приёма электромагнитных волн, редко – для излучения:
Ферритовая антенна
Рамочная антенна, кольцевая антенна
DDRR
Индукционная петля
Как датчик перемещения: изменение индуктивности катушки может изменяться в широких пределах при перемещении ферромагнитного сердечника относительно обмотки.
Катушка индуктивности используется в индукционных датчиках магнитного поля в индукционных магнитометрах
Для создания магнитных полей в ускорителях элементарных частиц, магнитного удержания плазмы, в научных экспериментах, в ядерно-магнитной томографии. Мощные стационарные магнитные поля, как правило, создаются сверхпроводящими катушками.
Для накопления энергии.