Cewka indukcyjna, co to jest?
Wszyscy słyszeliśmy termin cewka indukcyjna wiele razy, ale co to jest? Cóż, jest to element pasywny zaprojektowany do przechowywania energii w swoim polu magnetycznym. Cewki indukcyjne znajdują liczne zastosowania w układach elektronicznych i energetycznych. Wykorzystuje się je w zasilaczach, transformatorach, radiach, telewizorach, radarach i silnikach elektrycznych.
Ale w celu wzmocnienia efektu indukcyjnego praktyczny induktor jest zwykle formowany w cylindryczną cewkę z wieloma zwojami drutu przewodzącego, jak pokazano na rysunku 1.
Induktor składa się ze zwoju drutu przewodzącego.
Jeśli przez cewkę indukcyjną przepływa prąd, okazuje się, że napięcie na cewce jest wprost proporcjonalne do szybkości zmian prądu w czasie. Stosując konwencję znaku biernego w poniższym równaniu (1):
gdzie L jest stałą proporcjonalności zwaną indukcyjnością wzbudnika. Jednostką indukcyjności jest henry (H), nazwany tak na cześć amerykańskiego wynalazcy Josepha Henry’ego (1797-1878). Z powyższego równania jasno wynika, że 1 henry równa się 1 wolto-sekunda na amper.
W świetle powyższego równania, aby induktor miał napięcie na swoich zaciskach, jego prąd musi zmieniać się w czasie. Stąd v=0 dla stałego prądu płynącego przez wzbudnik.
Indukcyjność wzbudnika zależy od jego wymiarów fizycznych i konstrukcji. Wzory na obliczanie indukcyjności induktorów o różnych kształtach pochodzą z teorii elektromagnetycznej i można je znaleźć w standardowych podręcznikach elektrotechniki.
Na przykład, dla induktora, (solenoidu) pokazanego na rysunku 1,
gdzie:
- N jest liczbą zwojów,
- l jest długością,
- A jest polem przekroju poprzecznego, a
- m jest przenikalnością rdzenia.
Z powyższego równania wynika, że indukcyjność można zwiększyć zwiększając liczbę zwojów cewki, stosując jako rdzeń materiał o większej przenikalności, zwiększając pole przekroju poprzecznego lub zmniejszając długość cewki.
Podobnie jak kondensatory, komercyjnie dostępne induktory występują w różnych wartościach i typach. Typowe praktyczne induktory mają wartości induktancji od kilku mikrohenrysów (mH), jak w systemach komunikacyjnych, do dziesiątek henrysów (H), jak w systemach zasilania. Induktory mogą być stałe lub zmienne. Rdzeń może być wykonany z żelaza, stali, tworzywa sztucznego lub powietrza.
Powszechne induktory są pokazane na rysunku 2 powyżej. Symbole obwodów dla cewek indukcyjnych przedstawiono na rysunku 3, zgodnie z konwencją znaku pasywnego.
Równanie (1) jest zależnością napięcie-prąd dla cewki indukcyjnej. Rysunek 4 przedstawia tę zależność graficznie dla induktora, którego indukcyjność jest niezależna od prądu. Taki induktor nazywamy induktorem liniowym.
W niniejszym artykule technicznym przyjmiemy, że są to induktory liniowe.
Zależność prąd-napięcie otrzymujemy z równania (1) jako:
Integracja daje:
lub
gdzie i(t0) jest całkowitym prądem dla -∞ < t < do oraz i(-∞) = 0. Idea tworzenia i(-∞) jest praktyczna i rozsądna, ponieważ w przeszłości musi istnieć czas, gdy w induktorze nie było prądu.
Wzbudnik ma za zadanie magazynować energię w swoim polu magnetycznym. Zmagazynowana energia może być otrzymana z równania (1). Moc dostarczona do wzbudnika wynosi:
Zmagazynowana energia wynosi:
Ponieważ i(-∞) = 0,
Notatki //
Powinniśmy zwrócić uwagę na następujące ważne własności wzbudnika:
UWAGA 1 //
Zauważmy z równania 1, że napięcie na cewce indukcyjnej jest równe zeru, gdy prąd jest stały.
UWAGA 2 //
Ważną własnością cewki indukcyjnej jest jej opór wobec zmiany prądu przez nią płynącego. Prąd płynący przez wzbudnik nie może zmieniać się błyskawicznie.
Na przykład, prąd przez cewkę indukcyjną może przyjąć postać pokazaną na rysunku 5(a), podczas gdy prąd cewki indukcyjnej nie może przyjąć postaci pokazanej na rysunku 5(b) w rzeczywistych sytuacjach życiowych z powodu nieciągłości. Jednak napięcie na cewce indukcyjnej może się gwałtownie zmieniać.
UWAGA 3 //
Podobnie jak idealny kondensator, idealna cewka indukcyjna nie rozprasza energii. Energia w nim zgromadzona może być odzyskana w późniejszym czasie. Cewka indukcyjna pobiera moc z obwodu podczas przechowywania energii i dostarcza moc do obwodu podczas zwracania wcześniej zmagazynowanej energii.
UWAGA 4 //
Praktyczna, nieidealna cewka indukcyjna ma znaczną składową rezystancyjną, jak pokazano na rysunku 6. Wynika to z faktu, że cewka indukcyjna jest wykonana z materiału przewodzącego, takiego jak miedź, który ma pewien opór.
Opór ten nazywa się oporem uzwojenia Rw i występuje on szeregowo z indukcyjnością cewki. Obecność Rw czyni go zarówno urządzeniem magazynującym energię, jak i urządzeniem rozpraszającym energię. Ponieważ Rw jest zwykle bardzo mały, w większości przypadków jest ignorowany. Nieidealna cewka indukcyjna ma również pojemność uzwojenia Cw spowodowaną sprzężeniem pojemnościowym pomiędzy przewodzącymi cewkami.
Cw jest bardzo mała i może być ignorowana w większości przypadków, z wyjątkiem wysokich częstotliwości. W tym artykule przyjęliśmy tylko idealne cewki indukcyjne.
Kim był Joseph Henry?
Joseph Henry (1797-1878), amerykański fizyk, odkrył indukcyjność i skonstruował silnik elektryczny. Urodzony w Albany w stanie Nowy Jork, Henry ukończył Albany Academy i wykładał filozofię na Uniwersytecie Princeton w latach 1832-1846.
Był pierwszym sekretarzem Smithsonian Institution. Przeprowadził kilka eksperymentów nad elektromagnetyzmem i opracował potężne elektromagnesy, które mogły podnosić przedmioty ważące tysiące funtów. Co ciekawe, Joseph Henry odkrył indukcję elektromagnetyczną przed Faradayem, ale nie opublikował swoich odkryć.
Jednostka indukcyjności, henry, została nazwana na jego cześć.
.