Электромагнитное реле

Допустим, вам необходимо просто прикоснуться пальцем к сенсору, а результатом должен стать процесс подключения к (или отключения от) сети мощной нагрузки, например лампы или двигателя. На помощь приходят электромагнитные реле. Благодаря реле вы можете отказаться от огромных кнопок выключателей, вместо этого теперь можно просто дотрагиваться до микрокнопок, на которые будет реагировать электронная схема, функция которой — подавать питание на обмотку реле или снимать с нее питание. Обмотка реле — это обмотка электромагнита (опять же катушка индуктивности), который притягивает подпружиненный контакт, выполняющий роль механического выключателя.

Трансформатор

Первичная обмотка при прохождении по ее проводу переменного тока, создает в объеме сердечника переменный магнитный поток, который пронизывает витки вторичной обмотки, и наводит в ней ЭДС, создает напряжение вторичной обмотки. Трансформаторы повышают напряжение электростанций и подают их на ЛЭП, а затем понижают напряжение от ЛЭП, и подают его в наши дома.

Не было бы трансформаторов (катушек индуктивности в роли первичной и вторичной обмоток) — не было бы ни передачи, ни распределения электроэнергии. Не говоря уже о лабораторных автотрансформаторах, сварочных трансформаторах, трансформаторах на феррите в импульсных блоках питания, и конечно ни о каких катушках зажигания в автомобилях речи бы не шло, а ведь катушки зажигания — это тоже особые, но трансформаторы, то есть снова катушки индуктивности.

Дроссель

Для преобразования электроэнергии в импульсных источниках питания используются специальные катушки индуктивности — дроссели. Функция такой катушки — сначала накопить энергию в форме магнитного поля в сердечнике, запасти ее там, потом — отдать нагрузке. Если трансформатор в одно и то же время преобразует электроэнергию, то дроссель — сначала энергию принимает, потом — отдает.

Процесс преобразования электроэнергии у дросселя разделен во времени. Тем не менее, вот вам снова применение катушки индуктивности, главного ее свойства. Импульс тока подается на обмотку дросселя, дроссель запасает энергию в магнитном поле. Затем импульс тока уже не действует, но к дросселю подключена нагрузка, и ток дросселя устремляется через нагрузку, но уже при другом напряжении, зависящем от временных характеристик схемы управления преобразователем. Так катушка индуктивности сплошь и рядом, например в энергосберегающих лампах, работает совместно с полупроводниковыми ключами.

Индукционные печи и индукционные плиты

Катушка индуктивности — это катушка с сердечником. А что если в качестве сердечника внутрь катушки, в ее поле действия, ввести какую-нибудь заготовку из ферромагнитного материала, который требуется нагреть вихревыми токами? Именно так работают индукционные печи и индукционные плиты. Катушка индукционного нагревателя выступает для ферромагнитной заготовки индуктором, наводя в ней вихревые токи высокой частоты, приводящие к разогреву заготовки вплоть до плавления.

Фильтр ВЧ-помех

Катушка индуктивности обладает свойством препятствовать изменению тока, она проявляет своего рода электромагнитную инерционность, заставляя ток как-бы просачиваться сквозь себя, потому что пока ток нарастает через катушку, создаваемое им магнитное поле не может изменяться мгновенно, изменение требует времени, катушка индуктивности словно тормозит своим магнитным полем изменение тока в собственном проводе.

В составе колебательного контура

Кстати, индукционные нагреватели зачастую имеют индуктор, соединенный параллельно с конденсатором, в таких условиях катушка индуктора тоже является составной частью колебательного контура. Кроме того, сам резонансный контур может выступать в качестве фильтра — пропускать и усиливать токи частот близких к собственной резонансной частоте, и подавлять частоты далекие от нее. В радиоприемниках антенны на феррите — тоже являются частью перестраиваемого колебательного контура.

Роторы и статоры двигателей и генераторов

Статор этого же генератора имеет трехфазную обмотку — это своего рода модификация катушки индуктивности. Даже асинхронный двигатель — и тот имеет обмотку статора, которую можно тоже назвать катушкой индуктивности. Мало того, индуктивности этих статорных катушек учитываются как таковые при подборе рабочих конденсаторов, например когда трехфазный двигатель необходимо адаптировать к питанию от однофазной цепи.

Датчики перемещения и положения

Индуктивные датчики перемещения и положения — это катушки индуктивности с модифицированными сердечниками. Часть сердечника катушки в форме пластины, перемещаясь изменяет индуктивность катушки, и частотные параметры схемы изменяются из-за изменения индуктивности. Так фиксируется наличие объекта в поле действия датчика. Или цилиндрический сердечник в форме штока может смещаться по мере движения связанного с ним объекта, и по частотным параметрам, связанным с изменяемой индуктивностью катушки, сердечник которой двигается, считывается информация о положении объекта.

Направление луча в ЭЛТ

В некоторых мониторах с электронно-лучевыми трубками поток заряженных частиц фокусируется и отклоняется специальными катушками отклоняющей системы. Катушки индуктивности отклоняющей системы установлены на ферритовом сердечнике особой формы, в который вставляется электронно-лучевая трубка. Регулируя ток в обмотках, схема изменяет параметры суммарного магнитного поля всех катушек системы, в результате лучу создается определенный путь для попадания в точно рассчитанное место на экране.

Электроклапан, электрозамок, втягивающее реле

Подобно магниту, который притягивает железные предметы, катушка способна втянуть в себя ферромагнитный сердечник той или иной формы. Приблизительно по такому принципу работают некоторые электрические замки, электромагнитные клапана и, как пример, втягивающее реле автомобильного стартера, перемещающее бендикс, и удерживающее его некоторое время в рабочем положении, пока двигатель не будет пущен. Мощная катушка сначала втягивает якорь, затем удерживает его. По выключении тока, бендикс возвращается на место пружиной.

Катушки магнитного удержания плазмы

Катушка Тесла

Говоря о катушках индуктивности, нельзя не вспомнить о легендарной катушке (или резонансном трансформаторе) Тесла. В данном случае катушка индуктивности работает одновременно и как трансформатор, и как колебательный контур, и как приемная антенна с открытой емкостью. Здесь нет конденсатора параллельно резонирующей катушке, как в индукционном нагревателе, но есть уединенная емкость в виде тороида.

Каждая катушка кроме параметра «индуктивность», обладает еще и емкостью, и собственным волновым сопротивлением. Все эти параметры учитываются при настройке трансформатора Тесла. Казалось бы, просто заземленная катушка индуктивности с тороидом наверху, введенная в собственный резонанс. Но как эффектно смотрится!

Источник

Что такое индуктивность

Индуктивностью называется идеализированный элемент электрической цепи, в котором происходит запасание энергии магнитного поля. Запасания энергии электрического поля или преобразования электрической энергии в другие виды энергии в ней не происходит.

В отличие от индуктивности в индуктивной катушке имеют место также запасание энергии электрического поля и преобразование электрической энергии в другие виды энергии, в частности в тепловую.

Количественно способность реального и идеализированного элементов электрической цепи запасать энергию магнитного поля характеризуется параметром, называемым индуктивностью.

Таким образом термин «индуктивность» применяется как название идеализированного элемента электрической цепи, как название параметра, количественно характеризующего свойства этого элемента, и как название основного параметра индуктивной катушки.

Рис. 1. Условное графическое обозначение индуктивности

Связь между напряжением и током в индуктивной катушке определяется законом электромагнитной индукции, из которого следует, что при изменении магнитного потока, пронизывающего индуктивную катушку, в ней наводится электродвижущая сила е, пропорциональная скорости изменения потокосцепления катушки ψ и направленная таким образом, чтобы вызываемый ею ток стремился воспрепятствовать изменению магнитного потока:

Потокосцепление катушки равно алгебраической сумме магнитных потоков пронизывающих ее отдельные витки:

где N — число витков катушки.

В системе единиц СИ магнитный поток и потокосцепление выражают в веберах (Вб).

Первая составляющая представляет собой магнитный поток, вызванный протекающим по катушке током, вторая — определяется магнитными полями, существование которых не связано с током катушки — магнитным полем Земли, магнитными полями других катушек и постоянных магнитов. Если вторая составляющая магнитного потока вызвана магнитным полем другой катушки, то ее называют магнитным потоком взаимоиндукции.

Наведенная в индуктивной катушке ЭДС е, в свою очередь, может быть представлена в виде суммы ЭДС самоиндукции, которая вызвана изменением магнитного потока самоиндукции, и ЭДС, вызванной изменением магнитного потока внешних по отношению к катушке полей:

здесь еси — ЭДС самоиндукции, евп — ЭДС внешних полей.

Если магнитные потоки внешних по отношению к индуктивной катушке полей равны нулю и катушку пронизывает только поток самоиндукции, то в катушке наводится только ЭДС самоиндукции.

В частном случае, например для катушки без магнитного сердечника, эта зависимость может быть линейной (рис. 2, кривая 2).

В системе единиц СИ индуктивность выражают в генри (Гн).

При анализе цепей обычно рассматривают не значение ЭДС, наведенной в катушке, а напряжением на ее зажимах, положительное направление которого выбирают совпадающим с положительным направлением тока:

Для линейной индуктивности напряжение на ее зажимах пропорционально скорости изменения тока. При протекании через индуктивность постоянного тока напряжение на ее зажимах равно нулю, следовательно, сопротивление индуктивности постоянному току равно нулю.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Индуктивность

Выше мы рассматривали два основных понятия в электротехнике — идеальный генератор напряжения и идеальный генератор тока.

Идеальный генератор напряжения выдает заданное напряжения U (давление в водопроводной аналогии) на любой нагрузке (сопротивлении внешней цепи).

При этом в соответствии с законом Ома I=U/R, даже если R стремится к нулю, а ток возрастает до бесконечности.

Внутренне сопротивление идеального генератора напряжения равно 0.

Идеальный генератор тока выдает заданный ток I (поток в водопроводной аналогии), даже если сопротивление внешней цепи стремится к бесконечности. Напряжение на нагрузке при этом также стремится к бесконечности U=I*R.

Внутреннее сопротивление идеального генератора тока равно ∞.

Тут можно увидеть определенную симметрию, дуализм.

Мы рассматривали конденсатор С который может накапливать заряд (потому и называется — емкость) С=Q/U. Чем больше емкость, тем медленнее растет напряжение (давление) при закачке в конденсатор заряда U=Q/C.

Если емкость заряда очень большая (стремится к бесконечности), то такой конденсатор бесконечной емкости будет являться идеальным генератором напряжения. Он никогда не разрядится и при этом может выдать ток любой величины, и напряжение на нем будет оставаться постоянным.

Симметричным (дуальным) к конденсатору элементом будет являться индуктивность. Индуктивность обозначается буквой L (см схему ниже).

Обычно сам электронный компонент называется катушка индуктивности, а его параметр — индуктивность L.

рис 13. Подключение катушки индуктивности к генератору напряжения.

Если конденсатор является генератором напряжения, то индуктивность является генератором тока. Индуктивность стремиться поддерживать ток в цепи постоянным, то есть препятствует изменению тока в цепи.

Индуктивность бесконечной величины является идеальным генератором тока, то есть будет бесконечно гнать заданный ток I независимо от сопротивления нагрузки.

Это похоже как если вы подойдете к стоящей на рельсах вагонетке и станете ее толкать (приложите к ней силу). Вагонетка начнет медленно разгоняться и «ток все быстрее и быстрее побежит по проводам». А потом попробуйте вагонетку тормозить и она будет медленно останавливаться.

Так и в индуктивности, после подачи напряжения ток будет постепенно расти (вагонетка разгоняется), а при подаче напряжения другой полярности — постепенно уменьшаться (вагонетка тормозится).

Отсюда следует вывод «Поезд мгновенно остановить нельзя!»

«Ток в индуктивности мгновенно остановить нельзя!»

То есть даже если щелкнуть выключателем S4 на схеме и разомкнуть цепь, ток в первый момент после этого будет продолжать идти! На практике это приводит к тому, что в момент размыкания контактов в выключателе между ними будет проскакивать искра.

Сопротивление при размыкании контактов увеличивается до бесконечности (в реальности до очень больших величин) и протекающий ток создаст на этом сопротивлении напряжение очень большой величины, так что воздушный промежуток между контактами будет пробит.

“При изменении тока в контуре пропорционально меняется и магнитный поток через поверхность, ограниченную этим контуром. Изменение этого магнитного потока, в силу закона электромагнитной индукции, приводит к возбуждению в этом контуре индуктивной ЭДС. Это явление называется самоиндукцией. Направление ЭДС самоиндукции всегда оказывается таким, что при возрастании тока в цепи ЭДС самоиндукции препятствует этому возрастанию (направлена против тока), а при убывании тока — убыванию (сонаправлена с током). Явление самоиндукции проявляется в замедлении процессов исчезновения и установления тока.”

Тут есть некий момент — постоянный ток это ток, который не меняется со временем, то, что называется «постоянная составляющая» частотой равной 0 Гц. Ее конденсатор не пропускает. Совсем.

А вот индуктивность совсем не пропускает переменный ток бесконечной частоты. А просто переменный ток любой конечной частоты немножко пропускает.

Но к понятию напряжения переменного тока мы вернемся позже.

рис. 14 График тока в индуктивности при подаче на нее постоянного напряжения.

При подаче на индуктивность постоянного напряжения ток в ней линейно возрастает со временем.

Мы помним аналогичную картину для конденсатора.

Напряжение на конденсаторе линейно возрастает при его заряде постоянным током.

А что будет, если запитать индуктивность от генератора тока?

рис 15. Подключение индуктивности к генератору тока.

Ну тут из серии «кто кого заборет — слон или кит».

Цепи, содержащие конденсатор и индуктивность

Как было отмечено выше, индуктивность в электротехнике играет ту же роль, что масса в механике. А что является аналогом конденсатора в механике? Конденсатор является генератором напряжения, то есть создает силу, которая двигает поток заряда по проводам. Выше мы приводили аналог конденсатора в виде водонапорной башни, которая заполняется водой (зарядом) и давление (напряжение) в ней увеличивается.

Но можно также представить конденсатор в виде пружины — при заряде пружина сжимается и сила сжатия (напряжение) увеличивается. Емкость в этом случае величина обратная жесткости пружины. Чем пружина жестче, тем быстрее возрастает сила при сжатии. То есть соединение конденсатора и индуктивности эквивалентно вагонетке закрепленной на пружине. )

Что же будет происходить, если конденсатор соединить с индуктивностью, например как в схеме на рис. 16

рис 16. Параллельное включение конденсатора и катушки индуктивности.

Пусть конденсатор С заряжен до напряжения U. Ключ S2 замыкается и в цепи начинает течь ток. Это эквивалентно тому, как если бы мы сжали пружину и затем в какой-то момент отпустили (замкнули ключ S2).

То есть цепь пришла в состояние когда конденсатор заряжен, ток в ней равен нулю.
Хм.. но это то же состояние, с которого мы начали, только полярность напряжения противоположная. Следовательно процесс повторится, только ток потечет уже в другую сторону и система вернется в исходное состояние. Вагонетка поедет обратно, проедет положение равновесия и по инерции снова сожмет пружину.

Возникнет колебательный процесс. То есть вагонетка на пружине так и будет кататься туда-сюда и в отсутствие потерь энергии (трения) этот процесс будет длиться бесконечно.

Таким образом соединение конденсатора с индуктивностью образует колебательное звено. Такие звенья широко используются в электротехнике для создания генераторов и фильтров напряжения переменного тока.

Понятие переменного тока рассмотрим в следующей статье.

UPD.
Поскольку возник диспут экспоненциально ли растет ток при подключении катушки индуктивности к генератору напряжения или линейно, скажу еще пару слов по этому вопросу.

Откуда же берется экспонента роста тока в схеме на рис.13?
Ответ- ниоткуда. Ее там нет. Ток растет линейно и зависимость тока от напряжения описывается формулой

ЭДС самоиндукции в цепи прямо пропорциональна скорости изменения силы тока в этой цепи.
Чтобы обеспечить U=const (а U – это производная от тока в катушке), ток должен линейно расти.

А откуда тогда вообще зашел разговор об экспоненте? А зашел он потому, что ток линейно растет только в идеальном случае — в схеме с идеальным генератором напряжения (бесконечной мощности и с нулевым внутренним сопротивлением) и идеальной индуктивностью (с нулевым внутренним сопротивлением).
В реальном случае с учетом внутреннего сопротивления схема будет выглядеть так.

рис 17. Подключение катушки индуктивности к генератору напряжения с учетом внутреннего сопротивления.

На схеме рис.17 R символизирует собой внутреннее сопротивление генератора и катушки индуктивности. (они все равно включены последовательно, поэтому можно обойтись одним R, как суммой этих сопротивлений)

Вот в этом случае и получится такой экспоненциальный график роста тока в индуктивности.

Рис. 18 Экспоненциальный график роста тока в индуктивности. ис 19 «Экспонента проходит через 0 под углом 45 градусов»

зы. В интернете столько разнообразной ереси на тему катушек индуктивности. Просто диву даешься.
«Катушка индуктивности обладает также очень интересным свойством. При подаче на катушку постоянного напряжения, в катушке возникает на короткий промежуток времени противоположное напряжение. Это противоположное напряжение называется ЭДС самоиндукции. Эта ЭДС зависит от значения индуктивности катушки. Поэтому, в момент подачи напряжения на катушку сила тока в течение долей секунд плавно меняет свое значение от 0 до некоторого значения, потому что напряжение, в момент подачи электрического тока, также меняет свое значение от ноля и до установившегося значения.»
Ну.. поскольку про резистор в цепи ничего не сказано, то не на короткий промежуток, а пока входное напряжение не будет снято. Вторая часть звучит бредово, но направление верное — ток с цепи растет от нуля до.. без резистора до бесконечности, с резистором до I=Uвх/R.

Предположим, что обычная катушка индуктивности подключена к источнику напряжения через ключ. При замыкании ключа на индуктивность подается напряжение, вызывающее быстрое изменение протекающего через нее тока. Когда приложенное напряжение увеличивается от нуля до пикового значения (за короткое время), индуктивность противодействует изменяющемуся через нее току, индуцируя напряжение, противоположное по полярности приложенному напряжению. Индуцированное напряжение при подаче питания на катушку индуктивности называется обратной ЭДС и определяется по формуле 1:

VL = – L*(di/dt), (1)
где:
VL – напряжение (обратная ЭДС), индуцированная на катушке;
L – индуктивность катушки;
di/dt – скорость изменения тока во времени.

Видимо здесь попытались описать начальный момент возникновения ЭДС самоиндукции, но получилась ерунда. Говорить, что «индуцированное напряжение противоположно по полярности приложенному напряжению» это то же самое, что «падение напряжения на резисторе противоположно по полярности приложенному напряжению.» Ага, точно, приложенное напряжение сложили с падением напряжения и после резистора получили 0. Так и есть, лол.
«ЭДС самоиндукции» в катушке это аналог «падения напряжения» на резисторе. Только в резисторе электрическая энергия рассеивается, переходит в тепло, а в индуктивности — накапливается, переходит в энергию магнитного поля. В водопроводной аналогии индуктивность это такая турбинка, вставленная в водопроводную трубу, и которая имеет момент инерции. Турбинка пропускает воду только когда вращается. И вот крантель открыли, давление к турбинке приложили, она начала вращаться и пошел ток дальше по трубе. И чем быстрее турбинка вращается, тем больше ее пропускная способность. Турбинка раскручивается, ток возрастает и так до бесконечности. Это если нет потерь энергии — резистора. А если есть резистор (трение), то часть давления расходуется на преодоление трения. И когда вся входная энергия будет расходоваться на трение, турбинка перестанет ускоряться и ток достигнет максимальной величины.

Рис.20 Переходной процесс в цепи с индуктивностью

Картинка неправильная. В правильном варианте при отключении источника, подключался резистор и цепь оставалась замкнутой.

Рассмотрим следующую цепь

Рис.21 Цепь с индуктивностью и переключателем

Вопрос на засыпку: Чему будет равно напряжение на индуктивности в первый момент после переключения ключа S из верхнего положения в нижнее?

Hint: Не надо выносить себе мозг, пытаясь сообразить с каким там знаком возникнет ЭДС самоиндукции и что с ней будет дальше. Надо применять простое правило:
Ток в индуктивности в первый момент времени после переключения сохраняется неизменным.
Дальше применять закон Ома.

Источник