Die Induktivität charakterisiert die Eigenschaften der Elemente eines elektrischen Stromkreises, die Energie eines Magnetfelds zu akkumulieren. Es ist auch ein Maß für die Beziehung zwischen Strom und Magnetfeld. Sie wird auch mit der Trägheit der Elektrizität verglichen – ebenso wie die Masse mit einem Maß für die Trägheit mechanischer Körper.
Inhalt
Das Phänomen der Selbstinduktion
Wenn der Strom, der durch einen leitenden Stromkreis fließt, seine Größe ändert, dann tritt das Phänomen der Selbstinduktion auf. In diesem Fall ändert sich der magnetische Fluss durch den Stromkreis, und an den Anschlüssen der Stromschleife tritt eine EMK auf, die als Selbstinduktions-EMK bezeichnet wird. Diese EMK ist der Stromrichtung entgegengesetzt und ist gleich:
ε=-∆F/∆t=-L*(∆I/∆t)
Es ist offensichtlich, dass die EMF der Selbstinduktion gleich der Änderungsrate des Magnetflusses ist, die durch eine Änderung des durch die Schaltung fließenden Stroms verursacht wird, und auch proportional zur Änderungsrate des Stroms ist. Der Proportionalitätskoeffizient zwischen der EMK der Selbstinduktion und der Änderungsrate des Stroms wird als Induktivität bezeichnet und mit L bezeichnet. Dieser Wert ist immer positiv und hat eine SI-Einheit von 1 Henry (1 H). Es werden auch Bruchteile verwendet - Millihenry und Mikrohenry. Wir können von einer Induktivität von 1 Henry sprechen, wenn eine Stromänderung um 1 Ampere eine Selbstinduktions-EMK von 1 Volt verursacht. Der Stromkreis hat nicht nur eine Induktivität, sondern auch einen separaten Leiter sowie eine Spule, die als eine Reihe von in Reihe geschalteten Stromkreisen dargestellt werden kann.
Die Induktivität speichert Energie, die als W=L*I berechnet werden kann2/2, wobei:
- W – Energie, J;
- L – Induktivität, H;
- I ist der Strom in der Spule, A.
Und hier ist die Energie direkt proportional zur Induktivität der Spule.
Wichtig! In der Technik ist eine Induktivität auch ein Gerät, in dem ein elektrisches Feld gespeichert ist. Das reale Element, das einer solchen Definition am nächsten kommt, ist ein Induktor.
Die allgemeine Formel zur Berechnung der Induktivität einer physikalischen Spule hat eine komplexe Form und ist für praktische Berechnungen unbequem. Es ist nützlich, sich daran zu erinnern, dass die Induktivität proportional zur Anzahl der Windungen und zum Durchmesser der Spule ist und von der geometrischen Form abhängt. Außerdem wird die Induktivität durch die magnetische Permeabilität des Kerns beeinflusst, auf dem sich die Wicklung befindet, aber der Strom, der durch die Windungen fließt, wird nicht beeinflusst. Um die Induktivität zu berechnen, müssen Sie sich jedes Mal auf die obigen Formeln für ein bestimmtes Design beziehen. Für eine zylindrische Spule wird ihre Haupteigenschaft also nach folgender Formel berechnet:
L=μ*μ*(N2*S/l),
wo:
- μ ist die relative magnetische Permeabilität des Spulenkerns;
- μ – magnetische Konstante, 1,26*10-6 H/m;
- N ist die Anzahl der Windungen;
- S ist die Fläche der Spule;
- l ist die geometrische Länge der Spule.
Um die Induktivität für eine zylindrische Spule und Spulen anderer Formen zu berechnen, ist es besser, Berechnungsprogramme zu verwenden, einschließlich Online-Rechner.
Reihen- und Parallelschaltung von Induktivitäten
Induktivitäten können in Reihe oder parallel geschaltet werden, wodurch ein Satz mit neuen Eigenschaften entsteht.
Parallele Verbindung
Wenn die Spulen parallel geschaltet sind, ist die Spannung an allen Elementen gleich und die Ströme (Variablen) sind umgekehrt zu den Induktivitäten der Elemente verteilt.
- U=U1=U2=U3;
- Ich = Ich1+Ich2+Ich3.
Die Gesamtinduktivität der Schaltung ist definiert als 1/L=1/L1+1/l2+1/l3. Die Formel gilt für beliebig viele Elemente und vereinfacht sich für zwei Spulen zu der Form L=L1*L2/(L1+L2). Offensichtlich ist die resultierende Induktivität kleiner als die Induktivität des Elements mit dem kleinsten Wert.
serielle Verbindung
Bei dieser Art der Verbindung fließt der gleiche Strom durch den aus Spulen bestehenden Stromkreis, und die Spannung (variabel!) An jeder Komponente des Stromkreises wird proportional zur Induktivität jedes Elements verteilt:
- U=U1+U2+U3;
- Ich = Ich1= Ich2= Ich3.
Die Gesamtinduktivität ist gleich der Summe aller Induktivitäten und größer als die Induktivität des Elements mit dem größten Wert. Daher wird eine solche Verbindung bei Bedarf verwendet, um eine Erhöhung der Induktivität zu erhalten.
Wichtig! Beim Verbinden von Spulen in einer Reihen- oder Parallelbatterie sind die Berechnungsformeln nur in Fällen korrekt, in denen die gegenseitige Beeinflussung der Magnetfelder der Elemente untereinander ausgeschlossen ist (Abschirmung, große Entfernung usw.). Wenn ein Einfluss vorhanden ist, hängt der Gesamtwert der Induktivität von der relativen Position der Spulen ab.
Einige praktische Probleme und Designs von Induktoren
In der Praxis werden verschiedene Ausführungen von Induktoren verwendet. Je nach Verwendungszweck und Einsatzgebiet können die Geräte auf unterschiedliche Weise hergestellt werden, jedoch müssen die bei realen Spulen auftretenden Effekte berücksichtigt werden.
Qualitätsfaktor der Induktivität
Eine echte Spule hat neben der Induktivität mehrere weitere Parameter, und einer der wichtigsten ist der Qualitätsfaktor. Dieser Wert bestimmt die Verluste in der Spule und ist abhängig von:
- ohmsche Verluste im Wickeldraht (je größer der Widerstand, desto geringer die Güte);
- dielektrische Verluste in Drahtisolierung und Wickelrahmen;
- Bildschirmverlust;
- Kernverluste.
Alle diese Größen bestimmen den Verlustwiderstand, und der Gütefaktor ist ein dimensionsloser Wert gleich Q=ωL/Rverluste, wobei:
- ω = 2*π*F - Kreisfrequenz;
- L - Induktivität;
- ωL ist die Reaktanz der Spule.
Wir können ungefähr sagen, dass der Qualitätsfaktor gleich dem Verhältnis von reaktivem (induktivem) Widerstand zu aktivem ist. Einerseits steigt mit zunehmender Frequenz der Zähler an, gleichzeitig steigt aber durch den Skineffekt auch der Verlustwiderstand durch Abnahme des nutzbaren Querschnitts des Drahtes.
Bildschirmeffekt
Um den Einfluss von Fremdkörpern sowie elektrische und magnetische Felder und die gegenseitige Beeinflussung von Elementen durch diese Felder zu reduzieren, werden häufig Spulen (insbesondere hochfrequente) in einem Schirm angeordnet. Neben dem positiven Effekt bewirkt die Abschirmung eine Verringerung des Gütefaktors der Spule, eine Verringerung ihrer Induktivität und eine Erhöhung der parasitären Kapazität. Je näher die Siebwände an den Windungen der Spule liegen, desto höher ist außerdem die schädliche Wirkung. Daher werden abgeschirmte Spulen fast immer mit der Möglichkeit hergestellt, die Parameter anzupassen.
Trimmer-Induktivität
In einigen Fällen ist es erforderlich, den Induktivitätswert vor Ort nach dem Verbinden der Spule mit anderen Schaltungselementen genau einzustellen, um Parameterabweichungen während der Abstimmung auszugleichen. Dazu werden verschiedene Methoden verwendet (Umschalten der Abgriffe der Windungen usw.), aber die genaueste und reibungsloseste Methode ist das Stimmen mit Hilfe eines Kerns. Es besteht aus einer Gewindestange, die innerhalb des Rahmens ein- und ausgeschraubt werden kann und die Induktivität der Spule einstellt.
Variable Induktivität (Variometer)
Wo eine schnelle Anpassung der Induktivität oder induktive Kopplung erforderlich ist, werden Spulen anderer Bauart verwendet. Sie enthalten zwei Wicklungen - beweglich und fest. Die Gesamtinduktivität ist gleich der Summe der Induktivitäten der beiden Spulen und der gegenseitigen Induktivität zwischen ihnen.
Durch Ändern der relativen Position einer Spule zur anderen wird der Gesamtwert der Induktivität eingestellt. Ein solches Gerät wird als Variometer bezeichnet und wird häufig in Kommunikationsgeräten verwendet, um Resonanzkreise in Fällen abzustimmen, in denen die Verwendung von variablen Kondensatoren aus irgendeinem Grund nicht möglich ist.Das Design des Variometers ist ziemlich klobig, was seinen Anwendungsbereich einschränkt.
Induktivität in Form einer gedruckten Spirale
Spulen mit kleiner Induktivität können in Form einer Spirale aus gedruckten Leitern hergestellt werden. Die Vorteile dieser Konstruktion sind:
- Herstellbarkeit der Produktion;
- hohe Wiederholbarkeit der Parameter.
Zu den Nachteilen gehören die Unmöglichkeit der Feinabstimmung während der Einstellung und die Schwierigkeit, große Induktivitätswerte zu erhalten - je höher die Induktivität, desto mehr Platz nimmt die Spule auf der Platine ein.
Teilweise gewickelte Rolle
Induktivität ohne Kapazität steht nur auf dem Papier. Bei jeder physikalischen Realisierung der Spule entsteht sofort eine parasitäre Windungskapazität. Das ist in vielen Fällen schädlich. Die parasitäre Kapazität addiert sich zur Kapazität des LC-Kreises, wodurch die Resonanzfrequenz und die Güte des schwingungsfähigen Systems reduziert werden. Außerdem hat die Spule ihre eigene Resonanzfrequenz, die unerwünschte Phänomene hervorruft.
Um parasitäre Kapazitäten zu reduzieren, werden verschiedene Methoden verwendet, von denen die einfachste die Wicklungsinduktivität in Form mehrerer in Reihe geschalteter Abschnitte ist. Durch diese Einbeziehung addieren sich die Induktivitäten und die Gesamtkapazität nimmt ab.
Induktivität auf einem Ringkern
Die magnetischen Feldlinien eines zylindrischen Induktors werden durch das Innere der Wicklung gezogen (wenn ein Kern vorhanden ist, dann durch diesen) und von außen durch die Luft geschlossen. Diese Tatsache bringt mehrere Nachteile mit sich:
- die Induktivität wird reduziert;
- die Eigenschaften der Spule sind weniger gut berechenbar;
- Jeder Gegenstand, der in ein externes Magnetfeld gebracht wird, verändert die Parameter der Spule (Induktivität, parasitäre Kapazität, Verluste usw.), sodass in vielen Fällen eine Abschirmung erforderlich ist.
Auf Ringkerne (in Form eines Rings oder Donuts) gewickelte Spulen sind von diesen Mängeln weitgehend frei. Magnetische Linien verlaufen innerhalb des Kerns in Form von geschlossenen Schleifen. Das bedeutet, dass externe Objekte praktisch keinen Einfluss auf die Parameter einer auf einen solchen Kern gewickelten Spule haben und eine Abschirmung für eine solche Konstruktion nicht erforderlich ist. Auch die Induktivität erhöht sich unter sonst gleichen Bedingungen und die Kennlinien sind besser berechenbar.
Zu den Nachteilen von auf Tori gewickelten Spulen gehört die Unmöglichkeit einer stufenlosen Einstellung der Induktivität vor Ort. Ein weiteres Problem ist die hohe Arbeitsintensität und die geringe Herstellbarkeit der Wicklung. Dies gilt jedoch mehr oder weniger allgemein für alle induktiven Elemente.
Ein allgemeiner Nachteil der physikalischen Implementierung der Induktivität ist außerdem das hohe Gewicht und die Größe, die relativ geringe Zuverlässigkeit und die geringe Wartbarkeit.
Daher versuchen sie in der Technologie, induktive Komponenten loszuwerden. Dies ist jedoch nicht immer möglich, sodass sowohl in absehbarer Zeit als auch mittelfristig Wickelkomponenten zum Einsatz kommen werden.
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