Induktor, mi az?
Az induktor kifejezést mindannyian sokszor hallottuk már, de mi is az? Nos, ez egy passzív elem, amelyet arra terveztek, hogy mágneses mezejében energiát tároljon. Az induktorok számos alkalmazást találnak az elektronikai és energetikai rendszerekben. Használják őket tápegységekben, transzformátorokban, rádiókban, tévékészülékekben, radarokban és elektromos motorokban.
Az induktív hatás fokozása érdekében azonban a gyakorlati induktort általában hengeres tekercsbe alakítják, sok vezetőhuzalból álló tekerccsel, amint azt az 1. ábra mutatja.
Az induktor egy vezetőhuzalból álló tekercsből áll.
Ha egy induktoron áramot engedünk át, megállapítható, hogy az induktoron átmenő feszültség egyenesen arányos az áram időbeli változásának sebességével. A következő (1) egyenletben a passzív jelkonvenciót használva:
ahol L az arányossági állandó, amelyet az induktor induktivitásának nevezünk. Az induktivitás mértékegysége a henry (H), amelyet Joseph Henry (1797-1878) amerikai feltaláló tiszteletére neveztek el. A fenti egyenletből kitűnik, hogy 1 henry egy amperre 1 volt-szekundumnak felel meg.
A fenti egyenlet alapján ahhoz, hogy egy induktor kapcsain feszültség legyen, az áramának az idővel változnia kell. Ezért az induktoron átfolyó állandó áram esetén v=0.
Az induktor induktivitása függ annak fizikai méretétől és felépítésétől. A különböző alakú induktivitások induktivitásának kiszámítására szolgáló képletek az elektromágneses elméletből származnak, és megtalálhatók a szokásos elektrotechnikai kézikönyvekben.
Az 1. ábrán látható induktor (szolenoid) esetében például
hol:
- N a tekercsek száma,
- l a hossz,
- A a keresztmetszeti terület, és
- m a mag permeabilitása.
A fenti egyenletből látható, hogy az induktivitás növelhető a tekercs fordulatszámának növelésével, nagyobb permeabilitású anyag felhasználásával a magban, a keresztmetszeti terület növelésével vagy a tekercs hosszának csökkentésével.
A kondenzátorokhoz hasonlóan a kereskedelemben kapható induktorok is különböző értékűek és típusúak. A tipikus gyakorlati induktivitások induktivitási értékei a kommunikációs rendszerekben használt néhány mikrohenry (mH) értéktől a teljesítményrendszerekben használt több tíz henry (H) értékekig terjednek. Az induktivitások lehetnek fixek vagy változtathatók. A mag vasból, acélból, műanyagból vagy levegőből készülhet.
A fenti 2. ábrán láthatóak a szokásos induktivitások. Az induktorok áramköri szimbólumai a 3. ábrán láthatók, a passzív jelkonvenciót követve.
A (1. egyenlet az induktor feszültség-áram összefüggése. A 4. ábra grafikusan mutatja ezt az összefüggést egy olyan induktorra, amelynek induktivitása független az áramtól. Az ilyen induktort lineáris induktornak nevezzük.
Ebben a műszaki cikkben lineáris induktorokat feltételezünk.
Az áram-feszültség kapcsolat az (1) egyenletből a következőképpen kapható:
Az integrálás adja:
vagy
ahol i(t0) a teljes áram -∞ < t <-ig és i(-∞) = 0. Az ötlet, hogy i(-∞) praktikus és ésszerű, mert a múltban kell lennie olyan időpontnak, amikor az induktorban nem volt áram.
Az induktort úgy tervezték, hogy mágneses mezejében energiát tároljon. A tárolt energia az (1) egyenletből kapható. Az induktornak leadott teljesítmény:
A tárolt energia:
Mivel i(-∞) = 0,
Jegyzetek //
Az induktor következő fontos tulajdonságait kell megjegyeznünk:
MEGJEGYZÉS 1 //
Az 1. egyenletből megjegyezzük, hogy az induktoron átmenő feszültség nulla, ha az áram állandó.
MEGJEGYZÉS 2 //
Az induktor fontos tulajdonsága, hogy ellenáll a rajta átfolyó áram változásának. Az induktoron átfolyó áram nem változhat azonnal.
Az induktoron áthaladó áram például az 5(a) ábrán látható alakot veheti fel, míg a valós élethelyzetekben az induktoráram a diszkontinuitások miatt nem veheti fel az 5(b) ábrán látható alakot. Az induktoron átmenő feszültség azonban hirtelen változhat.
JEGYZET 3 //
Az ideális kondenzátorhoz hasonlóan az ideális induktor sem veszít energiát. A benne tárolt energia egy későbbi időpontban visszanyerhető. Az induktor energiát vesz el az áramkörből, amikor energiát tárol, és energiát ad le az áramkörnek, amikor visszaadja a korábban tárolt energiát.
JEGYZET 4 //
A gyakorlati, nem ideális induktornak jelentős ellenállásos összetevője van, amint azt a 6. ábra mutatja. Ez annak köszönhető, hogy az induktor vezető anyagból, például rézből készül, amelynek van némi ellenállása.
Ezt az ellenállást tekercselési ellenállásnak (Rw) nevezik, és az induktor induktivitásával sorban jelenik meg. Az Rw jelenléte miatt az induktor egyszerre energiatároló és energialeadó eszköz. Mivel az Rw általában nagyon kicsi, a legtöbb esetben figyelmen kívül hagyják. A nem ideális induktornak van egy Cw tekercskapacitása is a vezető tekercsek közötti kapacitív csatolás miatt.
Cw nagyon kicsi, és a legtöbb esetben figyelmen kívül hagyható, kivéve magas frekvenciákon. Ebben a cikkben csak ideális induktorokat feltételeztünk.
Ki volt Joseph Henry?
Joseph Henry (1797-1878) amerikai fizikus felfedezte az induktivitást és megépített egy elektromos motort. A New York állambeli Albanyban született Henry az Albany Akadémián végzett, majd 1832 és 1846 között filozófiát tanított a Princeton Egyetemen.
A Smithsonian Intézet első titkára volt. Számos kísérletet végzett az elektromágnesességgel kapcsolatban, és nagy teljesítményű elektromágneseket fejlesztett ki, amelyek több ezer font súlyú tárgyakat tudtak felemelni. Érdekesség, hogy Joseph Henry már Faraday előtt felfedezte az elektromágneses indukciót, de eredményeit nem publikálta.
Az induktivitás mértékegysége, a henry, róla kapta a nevét.