Induktor, vad är det?
Vi har alla hört termen induktor många gånger, men vad är det? Jo, det är ett passivt element som är utformat för att lagra energi i sitt magnetfält. Induktorer har många användningsområden i elektroniska system och kraftsystem. De används i nätaggregat, transformatorer, radioapparater, TV-apparater, radarer och elmotorer.
Men för att öka den induktiva effekten är en praktisk induktor vanligen formad till en cylindrisk spole med många varv av ledande tråd, som visas i figur 1.
En induktor består av en spole av ledande tråd.
Om ström tillåts passera genom en induktor finner man att spänningen över induktorn är direkt proportionell mot strömens tidsmässiga förändringstakt. Genom att använda den passiva teckenkonventionen i följande ekvation (1):
där L är proportionalitetskonstanten som kallas induktansen hos induktorn. Enheten för induktans är henry (H), uppkallad efter den amerikanske uppfinnaren Joseph Henry (1797-1878). Det framgår tydligt av ovanstående ekvation att 1 henry är lika med 1 voltsekund per ampere.
Med tanke på ekvationen ovan måste strömmen i en induktor variera med tiden för att den ska ha en spänning över sina terminaler. Därför är v=0 för konstant ström genom induktorn.
Induktansen hos en induktor beror på dess fysiska dimension och konstruktion. Formler för att beräkna induktansen hos induktorer av olika former härleds från elektromagnetisk teori och finns i vanliga handböcker för elektroteknik.
För induktorn (solenoiden) i figur 1
var:
- N är antalet varv,
- l är längden,
- A är tvärsnittsytan och
- m är kärnans permeabilitet.
Vi kan se av ekvationen ovan att induktansen kan ökas genom att öka antalet varv i spolen, använda material med högre permeabilitet som kärna, öka tvärsnittsytan eller minska längden på spolen.
Likt kondensatorer finns kommersiellt tillgängliga induktorer i olika värden och typer. Typiska praktiska induktorer har induktansvärden som sträcker sig från några mikrohenrys (mH), som i kommunikationssystem, till tiotals henrys (H) som i kraftsystem. Induktorer kan vara fasta eller variabla. Kärnan kan vara tillverkad av järn, stål, plast eller luft.
Gängse induktorer visas i figur 2 ovan. Kretsymbolerna för induktorer visas i figur 3 och följer den passiva teckenkonventionen.
Ekvation (1) är spännings- och strömförhållandet för en induktor. Figur 4 visar detta förhållande grafiskt för en induktor vars induktans är oberoende av strömmen. En sådan induktor kallas en linjär induktor.
Vi kommer att utgå från linjära induktorer i denna tekniska artikel.
Ström- och spänningsförhållandet erhålls från ekvation (1) på följande sätt:
Integrering ger:
eller
där i(t0) är den totala strömmen för -∞ < t < till och i(-∞) = 0. Idén att göra i(-∞) är praktisk och rimlig, eftersom det måste finnas en tid i det förflutna då det inte fanns någon ström i induktorn.
Induktorn är konstruerad för att lagra energi i sitt magnetfält. Den lagrade energin kan erhållas från ekvation (1). Den effekt som levereras till induktorn är:
Den lagrade energin är:
Då i(-∞) = 0,
Anteckningar //
Vi bör notera följande viktiga egenskaper hos en induktor:
NOT 1 //
Notera från ekvation 1 att spänningen över en induktor är noll när strömmen är konstant.
NOTE 2 //
En viktig egenskap hos induktorn är dess motstånd mot förändringen av den ström som flyter genom den. Strömmen genom en induktor kan inte ändras ögonblickligen.
Till exempel kan strömmen genom en induktor ha den form som visas i figur 5 a, medan induktorströmmen inte kan ha den form som visas i figur 5 b i verkliga situationer på grund av diskontinuiteterna. Däremot kan spänningen över en induktor ändras abrupt.
NOT 3 //
Likt den ideala kondensatorn förslösar inte den ideala induktorn energi. Den energi som lagras i den kan återvinnas vid en senare tidpunkt. Induktorn tar energi från kretsen när den lagrar energi och levererar energi till kretsen när den återlämnar tidigare lagrad energi.
NOTE 4 //
En praktisk, icke-ideell induktor har en betydande resistiv komponent, vilket visas i figur 6. Detta beror på att induktorn är tillverkad av ett ledande material, t.ex. koppar, som har ett visst motstånd.
Detta motstånd kallas för lindningsmotståndet Rw, och det förekommer i serie med induktansens induktans. Förekomsten av Rw gör den till både en energilagringsanordning och en energidissipationsanordning. Eftersom Rw vanligtvis är mycket liten ignoreras den i de flesta fall. Den icke-ideala induktorn har också en lindningskapacitet Cw på grund av den kapacitiva kopplingen mellan de ledande spolarna.
Cw är mycket liten och kan ignoreras i de flesta fall, utom vid höga frekvenser. Vi antog endast ideala induktorer i den här artikeln.
Vem var Joseph Henry?
Joseph Henry (1797-1878), en amerikansk fysiker, upptäckte induktans och konstruerade en elektrisk motor. Henry föddes i Albany, New York, tog examen från Albany Academy och undervisade i filosofi vid Princeton University 1832-1846.
Han var den första sekreteraren för Smithsonian Institution. Han utförde flera experiment om elektromagnetism och utvecklade kraftfulla elektromagneter som kunde lyfta föremål som vägde tusentals pund. Intressant nog upptäckte Joseph Henry elektromagnetisk induktion före Faraday men misslyckades med att publicera sina resultat.
Enheten för induktans, henry, är uppkallad efter honom.