Катушки индуктивности
Катушка индуктивности — винтовая, спиральная или винтоспиральная катушка из свёрнутого изолированного проводника, обладающая значительной индуктивностью при относительно малой ёмкости и малом активном сопротивлении. Как следствие, при протекании через катушку переменного электрического тока, наблюдается её значительная инерционность.
Устройство обычно представляет собой винтовую, спиральную или винтоспиральную катушку из одножильного или многожильного изолированного провода, намотанного на цилиндрический, тороидальный или прямоугольный каркас из диэлектрика или плоскую спираль, волну или полоску печатного или другого проводника. Также бывают и бескаркасные катушки. Намотка может быть как однослойной (рядовая и с шагом), так и многослойная (рядовая, внавал, «универсал»). Намотка «универсал» имеет меньшую паразитную ёмкость.
Для увеличения индуктивности применяют сердечники из ферромагнитных материалов: электротехнической стали, пермаллоя, флюкстрола, карбонильного железа, ферритов. Также сердечники используют для изменения индуктивности катушек в небольших пределах.
Существуют также катушки, проводники которых реализованы на печатной плате.
Катушка индуктивности в электрической цепи хорошо проводит постоянный ток и в то же время оказывает сопротивление переменному току, поскольку при изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая этому изменению.
Основным параметром катушки индуктивности является её индуктивность, которая определяет, какой поток магнитного поля создаст катушка при протекании через неё тока силой 1 ампер. Типичные значения индуктивностей катушек от десятых долей мкГн до десятков Гн.
В катушках индуктивности помимо основного эффекта взаимодействия тока и магнитного поля наблюдаются паразитные эффекты, вследствие которых сопротивление катушки не является чисто реактивным. Наличие паразитных эффектов ведёт к появлению потерь в катушке.
Потери в проводах вызваны тремя причинами:
· Провода обмотки обладают омическим (активным) сопротивлением.
· Сопротивление провода обмотки возрастает с ростом частоты, что обусловлено скин-эффектом. Суть эффекта состоит в вытеснении тока в поверхностные слои провода. Как следствие уменьшается полезное сечение проводника и растет сопротивление.
· В проводах обмотки, свитой в спираль, проявляется эффект близости, суть которого состоит в вытеснении тока под воздействием вихревых токов и магнитного поля к периферии намотки. В результате сечение, по которому протекает ток, принимает серповидную форму, что ведёт к дополнительному возрастанию сопротивления провода.
Потери в диэлектрике (изоляции проводов и каркасе катушки) можно отнести к двум категориям:
· Потери от диэлектрика межвиткового конденсатора (межвитковые утечки и прочие потери характерные для диэлектриков конденсаторов).
· Потери от магнитных свойств диэлектрика (эти потери аналогичны потерям в сердечнике).
В общем случае можно заметить что для современных катушек общего применения потери в диэлектрике чаще всего пренебрежимо малы.
Потери в сердечнике складываются из потерь на вихревые токи, потерь на гистерезис и начальных потерь.
Потери на вихревые токи . Ток, протекающий по проводнику, индуцирует ЭДС в окружающих проводниках, например в сердечнике, экране и в проводах соседних витков. Возникающие при этом вихревые токи становятся источником потерь из-за сопротивления проводников.
Разновидности катушек индуктивности
Контурные катушки индуктивности . Эти катушки используются совместно с конденсаторами для получения резонансных контуров. Они должны иметь высокую стабильность, точность и добротность.
Катушки связи . Такие катушки применяются для обеспечения индуктивной связи между отдельными цепями и каскадами. Такая связь позволяет разделить по постоянному току цепи базы и коллектора и т. д. К таким катушкам не предъявляются жёсткие требования на добротность и точность, поэтому они выполняются из тонкого провода в виде двух обмоток небольших габаритов. Основными параметрами этих катушек являются индуктивность и коэффициент связи.
Вариометры. Это катушки, индуктивность которых можно изменять в процессе эксплуатации для перестройки колебательных контуров. Они состоят из двух катушек, соединённых последовательно. Одна из катушек неподвижная (статор), другая располагается внутри первой и вращается (ротор). При изменении положения ротора относительно статора изменяется величина взаимоиндукции, а следовательно, индуктивность вариометра. Такая система позволяет изменять индуктивность в 4 − 5 раз. В ферровариометрах индуктивность изменяется перемещением ферромагнитного сердечника.
Дроссели . Это катушки индуктивности, обладающие высоким сопротивлением переменному току и малым сопротивлением постоянному. Применяются в цепях питания радиотехнических устройств в качестве фильтрующего элемента. Для сетей питания с частотами 50-60 Гц выполняются на сердечниках из трансформаторной стали. На более высоких частотах также применяются сердечники из пермаллоя или феррита. Особая разновидность дросселей — помехоподавляющие ферритовые бочонки (бусины) на проводах.
Сдвоенные дроссели две намотанных встречно катушки индуктивности, используются в фильтрах питания. За счёт встречной намотки и взаимной индукции более эффективны для фильтрации синфазных помех при тех же габаритах. Сдвоенные дроссели получили широкое распространение в качестве входных фильтров блоков питания; в дифференциальных сигнальных фильтрах цифровых линий, а также в звуковой технике. Т.е. предназначены как для защиты источников питания от попадания в них наведённых высокочастотных сигналов, так и во избежание засорения питающей сети электромагнитными помехами. На низких частотах используется в фильтрах цепей питания и обычно имеет ферромагнитный (из трансформаторной стали) или ферритовый сердечник.
Применение катушек индуктивности
· Катушки индуктивности (совместно с конденсаторами 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.
· Катушки применяются в качестве источника энергии для возбуждения индуктивно-связанной плазмы.
· Для радиосвязи — излучение и приём электромагнитных волн (магнитная антенна, кольцевая антенна).
o Рамочная антенна
o Индукционная петля
· Для разогрева электропроводящих материалов в индукционных печах.
· Как датчик перемещения: изменение индуктивности катушки может изменяться в широких пределах перемещением (вытаскиванием) сердечника.
· Катушка индуктивности используется в индукционных датчиках магнитного поля. Индукционные магнитометры были разработаны и широко использовались во времена Второй мировой войны.
Эффективные способы намотки, разработанные на нашем предприятии:
Позволяют снять ограничения на диапазоны применяемых напряжений, токов и температур. Снижают сечение провода, стоимость и массу катушек при тех же условиях эксплуатации. Либо позволяют повысить напряжения, токи и температуру эксплуатации при том же сечении провода.
Наши многолетние исследования показали, что наиболее эффективным способом охлаждения является воздушный. Применение дополнительных видов изоляции иногда бывает нежелательно и ухудшает свойства обмоток. Вместо изоляции мы применяем разделение обмотки на секции. Стремимся к увеличению площади контакта провода с мощными потоками воздуха.
1. Разделенная обмотка.
Лучшая альтернатива дополнительной изоляции. Обмотка разделена на любое количество секций, соединенных последовательно. Потенциал между секциями делится на количество секций. Потенциал между слоями делится на количество секций, помноженное на количество слоев. Потенциал между соседними витками в одном слое делится на количество секций, помноженное на количество слоев и количество витков в слое. Таким образом любое опасное пробивное напряжение можно снизить до электрозащитных показателей обыкновенного эмальпровода без применения особых электроизоляционных мер. Чем больше отдельных секций, тем лучше можно организовать охлаждение.
2. Бесконтактная обмотка.
Витки обмотки подвешены в воздухе на специальных растяжках. Не имеют механического, электрического и теплового контакта ни с какими другими материалами катушки, ни с каркасом, ни с корпусом, ни с электроизоляцией. Самое эффективное воздушное охлаждение, тепло- и электроизоляция.
3. Корпус в виде улитки.
Наиболее эффективным способом охлаждения обмоток мы считаем воздушное. Применение такого корпуса с вентиляторами и просчетом аэродинамических характеристик дает значительные преимущества.
4. Двухполупериодная обмотка.
Все новое – это хорошо забытое старое. Разделение обмотки на два плеча и включение через диодный мост дает попеременное включение плеч с частотой сети. В один полупериод одно плечо работает, другое отдыхает. Это позволяет применять обмотки с меньшим сечением. Особенно актуальна двухполупериодная обмотка там, где в небольшие габариты требуется поместить очень мощную обмотку с таким толстым проводом, который невозможно согнуть под требуемыми углами без повреждения. Или промышленность не выпускает настолько толстые шины, и таким образом можно перейти на меньшее сечение.
5. Трубопроводная обмотка.
Для работы на особо высоких температурных режимах. В качестве провода применяется медная труба, циркулирующая жидкость, насосы, теплообменники, хладогенераторы, резервуары.
6. Заливка компаундами с примесями на основе нитрида бора и другими для повышения теплопроводности компаунда. Либо виброустойчивая растяжка с применением специальных техпластин. Применяется на сложных виброударных режимах работы.
Наши специалисты разработают наиболее эффективный способ решения Ваших задач. Мы будем рады с Вами сотрудничать.
Применение катушки индуктивности.
Катушка индуктивности — прибор, который позволяет замедлить нарастание напряжения в электрической сети за счет накопления тока.
Индуктор представляет собой устройство с сердечником или без него, в котором проводник электрического тока укладывается в несколько витков на корпус в виде цилиндра или тора. За счет такого расположения проводника возникает эффект индуктивности — преобразование электрической энергии в магнитную благодаря возникновению магнитного поля вокруг мотков проволоки. Чем больше мотков на катушке, тем выше показатели индуктивности.
При прохождении постоянного тока через катушку возникает электродвижущая сила самоиндукции, которая имеет направление, противоположное направлению тока. Тем самым она компенсирует ток цепи и постепенно начинает снижаться, в то время как сам ток возрастает. При размыкании ЭДС, напротив, поддерживает показатели тока в цепи еще некоторое время. В сети переменного тока ЭДС катушки препятствует возрастанию и убыванию тока, наращивая сопротивление. Таким образом индуктор беспрепятственно проводит постоянный ток и стабилизирует переменный.
Назначение катушки индуктивности
Индукционные катушки позволяют регулировать ток в сети, чтобы к ней можно было без проблем подключить чувствительные электроэлементы. Индукторы используются следующим образом:
- для устройства электросетей, работа которых зависит от частоты — колебательных контуров, схем обратной связи и прочих;
- в составе трансформаторов;
- как накопители, преобразователи, электромагниты, источники высокого напряжения в слаботочных сетях;
- в качестве излучателя и приемника электромагнитного сигнала в радиотехнике;
- как индукционный нагревательный элемент;
- как датчик магнитного поля.
Как выбрать индукционную катушку
Для правильного применения катушки индуктивности необходимо верно подобрать устройство по параметрам.
- Элементы бывают постоянные, переменные и подстроечные.
- Высоко- и низкочастотные.
- С сердечником и без него.
- С экранированием, защищающим от сторонних электромагнитных помех, или без.
- Дроссели — для фильтрации, ограничения, накопления тока.
- Контурные — снабженные конденсатором для обустройства колебательных контуров.
- Вариометры — позволяют отрегулировать резонанс напряжения в сети.
- Соленоиды — длинные катушки, обеспечивающие стабильное магнитное поле и используемые для поступательного движения.
Для выбора используются показатели силы тока, частоты, максимальный номинальный ток и другие. В каталоге «РУ Электроникс» представлены катушки индуктивности различного типа от известных производителей. У нас можно приобрести оборудование по сниженным ценам. Для приобретения звоните по указанному вверху страницы бесплатному номеру телефона или закажите обратный звонок.
Магнитное поле катушки с током. Электромагниты и их применение
Если прямой проводник свернуть в виде окружности, то можно исследовать магнитное поле кругового тока.
Проведем опыт (1). Провод в виде окружности пропустим через картон. Поместим несколько свободных магнитных стрелок на поверхности картона в различных точках. Включим ток и видим, что магнитные стрелочки в центре витка показывают направление одинаковое, а вне витка с обеих сторон в другую сторону.
Теперь повторим опыт (2), поменяв полюса, а значит и направление тока. Видим, что магнитные стрелочки изменили направление на всей поверхности картона на 180 градусов.
Сделаем вывод: магнитные линии кругового тока то же зависят от направления тока в проводнике.
Проведем опыт 3. Уберем магнитные стрелочки, включим электрический ток и осторожно по всей поверхности картона насыплем мелкие железные опилки У нас получилась картина магнитных силовых линий, которая называется «спектр магнитного поля кругового тока» . Как же в этом случае определить направление магнитных силовых линий? Вновь применим правило буравчика, но в применении к круговому току. Если направление вращения ручки буравчика совместить с направлением тока в круговом проводнике, то направление поступательного движения буравчика будет совпадать с направлением магнитных силовых линий.
Рассмотрим несколько случаев.
1. Плоскость витка лежит в плоскости листа, ток по витку идет по часовой стрелке. Вращая виток по часовой стрелке, мы определяем, что магнитные силовые линии в центре витка направлены внутрь витка «от нас». Это условно обозначается знаком «+» (плюс). Т.е. в центре витка мы ставим «+»
2. Плоскость витка лежит в плоскости листа, ток по витку идет против часовой стрелки. Вращая виток против часовой стрелки, мы определяем, что магнитные силовые линии выходят из цента витка «к нам». Это условно обозначается «∙» (точкой). Т.е. в центе витка мы должны поставить точку («∙»).
Если прямой проводник намотать на цилиндр, то получится катушка с током, или соленоид.
Проведем опыт (4.) Используем для опыта ту же цепь, только провод теперь пропущен через картон в виде катушки. Расположим несколько свободных магнитных стрелок на плоскости картона в различных точках: у обоих концов катушки, внутри катушки и с обеих сторон снаружи. Пусть катушка расположена горизонтально (в направлении «слева – направо»). Включим цепь и обнаружим, что магнитные стрелки, расположенные по оси катушки, показывают одно направление. Отмечаем, что у правого конца катушки стрелка показывает, что силовые линии входят в катушку, значит –это «южный полюс» ( S), а в левом магнитная стрелка показывает, что выходят, это «северный полюс» (N). Снаружи катушки магнитные стрелки имеют противоположное направление по сравнению с направлением внутри катушки.
Проведем опыт (5). В этой же цепи поменяем направление тока. Обнаружим, что направление всех магнитных стрелок изменилось, они повернулись на 180 градусов. Делаем вывод: направление магнитных силовых линий зависит от направления тока по виткам катушки.
Проведем опыт (6). Уберем магнитные стрелки и включим цепь. Осторожно «посолим железными опилками» картон внутри и снаружи катушки. Получим картину магнитных силовых линий, которая называется «спектр магнитного поля катушки с током»
А как же определить направление магнитных силовых линий? Направление магнитных силовых линий определяется по правилу буравчика так же, как и для витка с током: Если направление вращения ручки буравчика совместить с направлением тока в витках, то направление поступательного движения совпадет с направлением магнитных силовых линий внутри соленоида. Магнитное поле соленоида похоже на магнитное поле постоянного полосового магнита. Тот конец катушки, из которого выходят силовые линии, будет «северным полюсом» (N), а тот, в который входят силовые линии – «южным полюсом» (S).
После открытия Ганса Эрстеда многие ученые стали повторять его опыты, придумывая новые, чтобы обнаружить доказательства связи электричества и магнетизма. Французский ученый Доминик Араго поместил железный стержень, в стеклянную трубку и поверх нее намотал медный провод, по которому пропустил электрический ток. Как только Араго замкнул электрическую цепь, стержень из железа так сильно намагнитился, что притянул к себе железные ключи. Чтобы оторвать ключи, пришлось приложить значительные усилия. Когда Араго отключил источник тока, то ключи отвалились сами! Так Араго изобрел первый электромагнит. Современные электромагниты состоят из трех частей: обмотки, сердечника и якоря. Провода помещают в специальную оболочку, которая играет роль изолятора. Проводом наматывают многослойную катушку – обмотку электромагнита. В качестве сердечника используют стальной стержень. Пластина, которая притягивается к сердечнику, называется якорем. Электромагниты получили широкое применение в промышленности благодаря их свойствам: они быстро размагничиваются при выключении тока; их можно изготавливать самых различных размеров в зависимости от назначения; меняя силу тока можно регулировать магнитное действие электромагнита. Электромагниты применяются на заводах для переноски изделий из стали и чугуна. Эти магниты имеют большую подъемную силу. Применяются электромагниты также в электрическом звонке, электромагнитных сепараторах, в микрофонах, в телефонах. Сегодня мы рассмотрели магнитное поле кругового тока, катушки с током. Познакомились с электромагнитами, их применением в промышленности и в народном хозяйстве.
Остались вопросы по теме? Наши педагоги готовы помочь!
- Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам
- Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки
- Повысим успеваемость по школьным предметам
- Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ
Магнитное поле катушки с током. Электромагниты и их применение
На этом уроке мы рассмотрим магнитное поле, возникающее в катушке с током. Также мы познакомимся с таким прибором, как электромагнит и подумаем, в каких целях этот прибор можно применять.
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет.
Получите невероятные возможности
1. Откройте доступ ко всем видеоурокам комплекта.
2. Раздавайте видеоуроки в личные кабинеты ученикам.
3. Смотрите статистику просмотра видеоуроков учениками.
Получить доступ
Конспект урока «Магнитное поле катушки с током. Электромагниты и их применение»
Катушка представляет собой проволоку, намотанную на неметаллический каркас.
Как правило, катушка обладает большим числом витков, при этом витки расположены вплотную друг к другу. Таким образом, проходя через проволоку, ток будет идти по спирали. Если такую катушку подвесить на гибких проводах, то она будет вести себя, как магнитная стрелка. Значит, у катушки с током тоже есть магнитные полюса.
Как мы помним из предыдущего урока, магнитные линии направлены от южного полюса к северному. Тогда, получается, что катушка с током будет фактически являться магнитом. То есть, при прохождении тока через витки, внутри катушки образуется однородное магнитное поле.
Обратите внимание, насколько это явление похоже на возникновение магнитного поля вокруг проводника.
Мы видим полностью симметричную картину: в одном случае, вокруг прямого тока образуются круговые магнитные линии, а в другом — вокруг прямых магнитных линий идут витки электрического тока. Это ещё раз доказывает то, что электрические и магнитные явления неделимы.
Итак, катушка с током, фактически имеет свойства полосового магнита. Совсем недавно мы говорили, что магниты обладают полями разной силы. Так вот, было многократно подтверждено опытами, что катушка с бо́льшим числом витков имеет более сильное магнитное поле.
И, конечно, сила магнитного поля зависит от силы тока в проводнике.
Если мы будем изменять силу тока в катушке, то убедимся, что её магнитное действие усиливается с увеличением силы тока. И наоборот: магнитное действие катушки ослабевает при уменьшении силы тока. Но, кроме описанных нами двух способов усилить магнитное поле катушки, есть ещё один способ. Этот способ впервые придумал Доминик Франсуа Жан Араго, поместив внутрь катушки металлический стержень.
Он сделал это следующим образом: Араго взял полую стеклянную трубку и намотал на неё проводник, а затем внутрь трубки втолкнул железный стержень.
Араго заметил, что даже при постоянной силе тока и числе витков, магнитное поле катушки значительно увеличивается, если внутри трубки находится железный стержень. Впоследствии, железный стержень начали называть сердечником, а катушку с сердечником — электромагнитом. Назначение электромагнита понятно из названия: с помощью электрического тока создаётся мощный магнит.
Электромагниты широко используются людьми. Это довольно удобно, потому что регулировать мощность магнита очень легко. Его можно изготавливать разных размеров, с разным числом витков и пропускать через них различный ток. Мы не будем сейчас изучать, как рассчитывается сила электромагнита. Просто приведём несколько примеров их применения. Вы все знаете, что существуют магнитные замки. Они сделаны на основе электромагнита: чтобы открыть дверь, нужно ввести код.
При вводе кода, по электромагниту временно перестаёт течь ток, и дверь спокойно можно открыть. Когда по электромагниту течет ток, он с такой силой притягивает к себе дверь, что человек не в состоянии её открыть. При вводе кода, отключается ток, и магнитное поле пропадает. Поэтому, человек легко может открыть дверь.
Или, например, когда нужно поднять тяжелый металлический груз, использовать электромагнит очень удобно.
Широкое применение электромагниты нашли в сортировке. Особенно, это удобно, когда нужно отсортировать какие-то мелкие предметы. На установке, представленной на рисунке, вы видите крутящийся барабан, который является электромагнитом.
С его помощью, например, легко отделить металлический мусор от неметаллического, чтобы потом отправить отсортированный мусор на переработку.
Можно ещё долго перечислять области, в которых используются электромагниты, но для объяснения этого использования, нам нужно поднакопить знания.