Jännite kelan päissä. Induktori vaihtovirtapiirissä - toimintaperiaate ja merkitys

Miten kela käyttäytyy tasa- ja vaihtovirtapiirissä?

Induktori DC-piirissä

Joten tähän kokeeseen tarvitsemme virtalähteen, joka tuottaa vakiojännitteen, hehkulampun ja itse kelan.

Hyvän induktanssin omaavan kelan valmistamiseksi meidän on otettava ferriittisydän:

Kierrä lakattu kuparilanka sen ympärille ja kuori liittimet:

Mittaamme käämimme induktanssin LC-mittarilla:

132 mikrohenryä.

Nyt kokoamme kaiken tämän kaavion mukaan:

Missä

L - kela

La - 12 voltin hehkulamppu

Bat - virtalähde, jonka jännite on asetettu 12 volttiin

Lamppu syttyi!

Kuten muistat, kondensaattorimme ei läpäissyt tasavirtaa:

Päättelemme: tasavirta kulkee lähes esteettömästi kelan läpi. Ainoa vastus on itse lanka, josta kela on kierretty.

Induktori vaihtovirtapiirissä

Saadaksemme selville, kuinka induktori käyttäytyy vaihtovirtapiirissä, tarvitsemme taajuusgeneraattorin, itse kelan ja 100 ohmin vastuksen. Mitä suurempi vastus, sitä vähemmän jännitettä putoaa taajuusgeneraattoristani, joten otin 100 ohmin vastuksen shunttiksi. Jännitteen pudotus tämän vastuksen yli riippuu sen läpi kulkevasta virrasta

Kootaan tämä koko juttu tämän kaavion mukaan:

Siitä tuli jotain tällaista:

Sovitaan heti, että ensimmäinen kanavamme on punainen ja toinen keltainen. Siksi punainen siniaalto on taajuus, jonka taajuusgeneraattori antaa meille, ja keltainen siniaalto on signaali, joka otetaan vastuksesta.

Opimme, että nollataajuudella (tasavirralla) käämi siirtää sähkövirtaa itsensä läpi lähes esteettömästi. Kokeessamme käytämme sinimuotoista signaalia eri taajuuksilla taajuusgeneraattorista ja katsomme, muuttuuko jännite vastuksen yli.

Kokemus N1

Aluksi käytämme signaalia, jonka taajuus on 1 kilohertsi.

Selvitetään mikä on mitä. Vihreässä kehyksessä olen näyttänyt oskilloskoopin automaattiset mittaukset

Punainen ympyrä numerolla "1" on "punaisen" kanavan mitta. Kuten näemme, F(taajuus) = 1 kilohertsi ja Ma(amplitudi) = 1,96 volttia. No, karkeasti sanotaan 2 volttia. Katsomme ympyrää numerolla "2". F= 1 kilohertsi, a Ma= 1,96 volttia. Eli voidaan sanoa, että lähtösignaali on täsmälleen sama kuin tulo.

Nostamme taajuuden 10 kilohertsiin

Amplitudi ei laskenut. Signaali pysyy sellaisena kuin se on.

Nosta 100 kilohertsiin

Huomaatko eron? Keltaisen signaalin amplitudi on pienentynyt ja jopa keltaisen signaalin kuvaaja siirtyy oikealle, eli se viivästyy tai tieteellisellä kielellä se näkyy. Punainen signaali ei liiku mihinkään, se on keltainen, joka viivästyy. Pidä tämä mielessä.

Vaiheen siirto- Tämä ero kahden mitatun suuren alkuvaiheiden välillä. Tässä tapauksessa jännitystä. Vaihesiirron mittaamiseksi täytyy olla ehto, että nämä signaalit sama taajuus. Amplitudi voi olla mikä tahansa. Alla oleva kuva esittää juuri tätä vaihesiirtoa tai, kuten sitä myös kutsutaan, vaihe-ero:

Nostamme taajuuden 200 kilohertsiin

200 kilohertsin taajuudella amplitudi putosi puoleen ja vaihe-ero kasvoi.

Nostamme taajuuden 300 kilohertsiin.

Keltaisen signaalin amplitudi on pudonnut jo 720 millivolttiin. Vaihe-ero kasvoi entisestään.

Nostamme taajuuden 500 kilohertsiin

Amplitudi laski 480 millivolttiin.

Lisää toinen taajuus 1 megahertsiin asti

Keltaisen kanavan amplitudiksi tuli 280 millivolttia.

No, lisäämme taajuuden rajaan, jonka taajuusgeneraattori antaa meidän tuottaa: 2 megahertsiä

"Keltaisen" signaalin amplitudista tuli niin pieni, että minun piti jopa lisätä sitä 5 kertaa.

Ja voimme sanoa, että vaihesiirrosta on tullut melkein 90 astetta tai π/2.

Mutta tuleeko vaihesiirrosta suurempi kuin 90 astetta, jos käytetään erittäin, hyvin suurta taajuutta? Kokeet sanovat ei. Yksinkertaisesti sanottuna äärettömällä taajuudella vaihesiirto on 90 astetta. Jos yhdistämme kaaviomme äärettömällä taajuudella, voimme nähdä jotain tällaista:

Joten minkä johtopäätöksen voimme tehdä?

Taajuuden kasvaessa kelan vastus kasvaa ja myös vaihesiirto kasvaa. Ja mitä korkeampi taajuus, sitä suurempi vaihesiirto on, mutta enintään 90 astetta.

Kokemus N2

Pienennetään kelan induktanssia. Ajetaan se uudelleen samoilla taajuuksilla. Poistin puolet kierroksista ja tein käännöksiä ferriitin reunaan, mikä pienensi induktanssia 33 mikrohenryyn.

Suoritetaan siis kaikki käyttämällä samoja taajuusarvoja

1 kilohertsin taajuudella arvomme ei ole juurikaan muuttunut.

10 kilohertsiä

Mikään ei ole muuttunut täälläkään.

100 kilohertsiä

Myöskään melkein mikään ei ole muuttunut, paitsi että keltainen signaali alkoi hiljaa liikkua.

200 kilohertsiä

Tässä jo nähdään, että keltaisen signaalin amplitudi alkaa laantua ja vaihesiirto nopeuttaa.

300 kilohertsiä

Vaihesiirto kasvoi ja amplitudi laski vielä enemmän

500 kilohertsiä

Siirtymä kasvoi entisestään ja myös keltaisen signaalin amplitudi pieneni.

1 megahertsi

Keltaisen signaalin amplitudi pienenee, vaihesiirto kasvaa. ;-)

2 megahertsiä, taajuusgeneraattorini raja

Vaihesiirto tuli lähes 90 astetta ja amplitudi jopa alle puoli volttia.

Huomaa amplitudi voltteina samoilla taajuuksilla. Ensimmäisessä tapauksessa induktanssimme oli suurempi kuin toisessa, mutta toisessa tapauksessa keltaisen signaalin amplitudi oli suurempi kuin ensimmäisessä.

Tästä eteenpäin johtopäätös ehdottaa itseään:

Kun induktanssi pienenee, myös induktorin resistanssi pienenee.

Induktorin reaktanssi

Yksinkertaisten johtopäätösten avulla fyysikot päättelivät kaavan:

Missä

X L - kelat, ohm

P on vakio ja yhtä suuri kuin noin 3,14

F - taajuus, Hz

L - induktanssi, H

Tässä kokeessa saimme (alipäästösuodatin). Kuten olet itse nähnyt, matalilla taajuuksilla kelalla ei ole melkein mitään vastustusta jännitteelle, joten amplitudi ja teho tällaisen suodattimen lähdössä ovat melkein samat kuin tulossa. Mutta kun taajuus kasvaa, amplitudi pienenee. Kun käytät tällaista suodatinta kaiuttimeen, voimme sanoa varmuudella, että vain basso, eli äänen matala taajuus, vahvistuu.

Johtopäätös

Induktorin läpi kulkee tasavirta ilman ongelmia. Ainoa vastus on itse lanka, josta kela on kierretty.

Kelan resistanssi riippuu sen läpi kulkevan virran taajuudesta ja ilmaistaan kaavalla:

Virta, jännite jne. d.s. itseinduktio. Kun induktanssivirta (induktori, jossa häviöt voidaan jättää huomiotta) kytketään vaihtovirtapiiriin (kuva 178, a), muuttuva virta indusoi jatkuvasti mm. d.s. itseinduktio

e L = -L i/ t (68)

missä?i/?t on virran muutosnopeus.

Tarkasteltaessa virranvoimakkuuden i muutosten kuvaajaa (kuva 178, b), voidaan todeta, että sen muutosnopeus?i/?t on suurin silloin, kun kulma? on yhtä kuin 0; 180 ja 360°. Siksi näinä minuutteina e. d.s. on suurin merkitys. Aikoihin, jolloin kulma t on 90° ja 270°, virran muutosnopeus i/t = 0 ja siten e. d.s. e L = 0.

E.m.f. Lenzin säännön mukaan itseinduktio e on suunnattu estämään virran muutos. Siksi kauden ensimmäisellä neljänneksellä, kun virta i kasvaa, esim. d.s. e L:llä on negatiivinen arvo (suuntautunut virtaa vastaan); kauden toisella neljänneksellä, kun virta i pienenee, esim. d.s. e L:llä on positiivinen arvo (yhdensuuntainen virran kanssa). Jakson kolmannella neljänneksellä virta i muuttaa suuntaansa ja kasvaa, joten e. d.s. itseinduktio e L on suunnattu virtaa vastaan ja sillä on positiivinen arvo. Jakson neljännellä neljänneksellä virta i laskee ja e. d.s. itseinduktio e L pyrkii säilyttämään virran edellisen suunnan, eli sillä on negatiivinen arvo. Siten e. d.s. itseinduktio e L on 90°:n kulman jäljessä virrasta i.

Koska piirissä, johon induktanssi L on kytketty, ei ole aktiivista resistanssia (tarkastellaan ideaalikelaa), niin Kirchhoffin toisen lain mukaan u+e L =0, eli u = -e L Siksi lähdejännite on aina yhtä suuri. suuruudessa ja vastakkaisessa suunnassa e. d.s. itseinduktio.

Käyrien tarkastelusta (katso kuva 178, b) käy selvästi ilmi, että jännitekäyrä on siirtynyt suhteessa virran i-käyrään neljännesjakson verran eli 90°:n kulman verran. Tässä tapauksessa jännite saavuttaa korkeimman ja nolla-arvonsa aikaisemmin kuin virta. Siten,

Riisi. 178. Kaavio induktanssin kytkemiseksi vaihtovirtapiiriin (a), virran I käyrät, jännite ja emf. e L (b) ja vektorikaavio (c)

kun induktanssi on kytketty vaihtovirtapiiriin, virta i jää vaiheeseen jännitteen kanssa 90° kulman tai, joka on sama, jännitteen kanssa ja johtaa virran vaiheeseen 90° kulmassa(Kuva 178, c).

Induktiivinen reaktanssi. Kelan tai johtimen vastus vaihtovirralle, joka aiheutuu e. d.s. Itseinduktiota kutsutaan induktiiviseksi reaktanssiksi. Se on merkitty X L ja mitataan ohmeina. Induktiivisen vastuksen fyysinen luonne on täysin erilainen kuin aktiivisen vastuksen. E.m.f. itseinduktio e L on suunnattu syötettyä jännitettä u vastaan, joka saa virran muuttumaan; Lenzin lain mukaan se estää virran muutoksen, eli antaa tietyn vastuksen vaihtovirran kulkua vastaan.

Mitä suurempi e. d.s. itseinduktio e L indusoituu johtimeen (kelaan), mitä suurempi niillä on induktiivinen vastus X L. E.m.f. kaavan (68) mukainen itseinduktio on suoraan verrannollinen induktanssiin L ja virran i/t muutosnopeuteen, eli sen muutoksen taajuuteen f (arvo?). Siksi induktiivinen reaktanssi

XL = ?L

Siksi induktiivinen reaktanssi ei riipu materiaalista, josta johdin (käämi) on valmistettu, eikä johtimen poikkipinta-alasta.

Ohmin laki piirille, jolla on induktanssi

I = U / x L = U / (?L)

Sähkövoima. Tarkastellaan kuinka sähköteho muuttuu vaihtovirtapiirissä, jossa on induktanssi. Tehon p hetkellinen arvo, joka on yhtä suuri kuin virran i ja jännitteen u hetkellisten arvojen tulo, saadaan graafisesti kertomalla virta- ja jännitekäyrien ordinaatit eri kulmissa?t. Hetkellinen tehokäyrä p (kuva 179, a) on sinimuoto, joka muuttuu kaksinkertaisella taajuudella 2? verrattuna virran i ja jännitteen i muutosten taajuuteen.

Tätä käyrää tarkasteltaessa on selvää, että teholla p voi olla positiivisia ja negatiivisia arvoja. Jakson ensimmäisen neljänneksen aikana virta ja jännite ovat positiivisia ja teho p = ui on myös positiivinen. Jakson toisella neljänneksellä virta on positiivinen ja jännite negatiivinen; siksi teho p on negatiivinen. Jakson kolmannella neljänneksellä teho muuttuu jälleen positiiviseksi ja neljännellä neljänneksellä negatiiviseksi.

Positiivisen ja negatiivisen sähkötehon käsite määrittää fyysisesti energian virtauksen suunnan. Tehon positiivinen merkki tarkoittaa, että sähköenergiaa W siirretään lähteestä vastaanottimeen; tehon negatiivinen merkki tarkoittaa, että sähköenergiaa W siirretään vastaanottimesta lähteeseen. Näin ollen, kun induktanssi kytketään vaihtovirtapiiriin, lähteen ja induktanssin välillä tapahtuu jatkuva värähtelevä energianvaihtoprosessi, jossa ei synny työtä. Jakson ensimmäisellä ja kolmannella neljänneksellä teho on positiivinen, eli induktanssi vastaanottaa energiaa W lähteestä (katso nuolet W) ja kerää sen magneettikenttään. Jakson toisella ja neljännellä neljänneksellä induktanssi vapauttaa kertyneen energian W lähteeseen. Tässä tapauksessa virran virtaus piirin läpi säilyy emf:n toiminnan vuoksi. Kanssa. itseinduktio e L.

Näin ollen jakson aikana ei yleensä tule sähköenergiaa induktiiviseen reaktanssiin (tämän osoittaa se, että jakson keskimääräinen tehoarvo on nolla). Tämän induktiivisen reaktanssin ominaisuuden korostamiseksi se luokitellaan reaktiivisten vastusten ryhmään, eli vastuksiin, jotka eivät vaihtovirtapiirissä kokonaisuudessaan kuluta sähköenergiaa tietyn ajanjakson aikana. On huomattava, että todelliset induktorit saavat jonkin verran energiaa vaihtovirtalähteestä johtuen niiden johtojen aktiivisesta resistanssista, joista nämä kelat on valmistettu. Tämä energia muuttuu lämmöksi.

Koska induktanssipiirin tehon keskiarvo on nolla, käsite loistehon induktanssi:

Q L = U L I

Missä U L- induktanssiin L (rms-arvo) syötetty jännite.

Loisteho mitataan vareina (var) ja kilovareina (kvar). Yksikön nimi tulee sanojen volt-ampereactive ensimmäisistä kirjaimista. Loisteho voidaan ilmaista myös muodossa

Q L = U 2 L/X L taiQ L = I 2 X L

Induktorien kytkentämenetelmät. Vaihtovirtapiireissä induktorit on kytkettävä sarjaan ja rinnan.
Kun induktorit on kytketty sarjaan, ekvivalenttinen induktanssi L eq on yhtä suuri kuin induktanssien summa; esimerkiksi kolmella kelalla, joiden induktanssit ovat L 1, L 2 ja L 3 (kuva 180, a)

L eq = L 1 + L 2 + L 3

Tässä tapauksessa vastaava induktiivinen reaktanssi

X Lek = X L1 + X L2 + X L3

Kun induktorit kytketään rinnan (kuva 180,b), vastaavalle induktanssille meillä on:

1 /L ekv = 1 /L 1 + 1 /L 2 + 1 /L 3

vastaavalle induktiiviselle reaktanssille

1/X Lec = 1/X L1 + 1/X L2 + 1/X L3

Induktori vaihtovirtapiirissä

Vaihtovirtapiirissä oleva kela käyttäytyy eri tavalla kuin vastus. Jos vastukset yksinkertaisesti vastustavat elektronien virtausta (jännite niiden yli on suoraan verrannollinen virtaan), niin induktorit vastustavat niiden läpi kulkevan virran muutosta (niiden yli oleva jännite on suoraan verrannollinen virran muutosnopeuteen). Lenzin lain mukaan indusoituneella jännitteellä on aina polariteetti, joka yrittää säilyttää virran nykyisen arvon. Eli jos virta kasvaa, indusoitu jännite "hidastaa" elektronien virtausta; jos virta pienenee, jännitteen polariteetti vaihtuu ja "auttaa" elektronivirran pysymään samalla tasolla. Tätä vastusta virran muutokselle kutsutaan reaktanssiksi.

Matemaattinen suhde kelan yli kulkevan jännitteen ja sen läpi kulkevan virran muutosnopeuden välillä on seuraava:

Suhde di/dt on hetkellisen virran (i) muutosnopeus ajan kuluessa, ja se mitataan ampeereina sekunnissa. Induktanssi (L) mitataan Henryllä ja hetkellinen jännite (u) mitataan voltteina. Analysoidaan yksinkertainen induktiivinen piiri, jotta voidaan näyttää, mitä vaihtovirralla tapahtuu:

Yksinkertainen induktiivinen piiri: käämin virta on 90 o jäljessä jännitteestä.

Jos juonitaan virta ja jännite tälle yksinkertaiselle piirille, sitten hän katsoo näin:

Kuten muistat, induktorin jännitteen muutos on vastaus sen läpi kulkevan virran muutokseen. Tästä voimme päätellä, että hetkellinen jännite on nolla aina, kun virran hetkellinen arvo on huipussaan (nollamuutos tai virran siniaallon nollakulma), ja hetkellinen jännite on yhtä suuri kuin sen huippuarvo aina, kun hetkellinen virta on suurimman muutoksen kohdissa (virta-aallon jyrkimmän kaltevuuden pisteet, joissa se ylittää nollaviivan). Kaikki tämä johtaa siihen, että jänniteaalto on 90 o eri vaiheesta virta-aallon kanssa. Kaavio näyttää, kuinka jänniteaalto antaa "otoksen" virta-aaltolle: jännite "johtaa" virtaa ja virta "jättää" jännitteen jälkeen.

Jos piirrämme piirimme tehoarvot tälle kaaviolle, kaikki muuttuu vielä mielenkiintoisemmaksi:

Koska hetkellinen teho on hetkellisen jännitteen ja hetkellisen virran tulo (p = iu), se on nolla, jos hetkellinen jännite tai virta on nolla. Aina kun hetkellinen virta- ja jännitearvot ovat positiivisia (nollaviivan yläpuolella), teho on myös positiivinen. Kuten esimerkissä resistiivisellä piirillä, teho saa positiivisen arvon, vaikka hetkellinen virta ja jännite olisivat negatiivisia (nollaviivan alapuolella). Kuitenkin, koska jännite- ja virta-aallot ovat 90 o eri vaiheista, on tapauksia, joissa virta on positiivinen ja jännite negatiivinen (tai päinvastoin), mikä johtaa negatiivisiin hetkellisiin tehoarvoihin.

Mutta mitä on negatiivinen voima? Negatiivinen teho tarkoittaa, että kela vapauttaa energiaa takaisin piiriin. Positiivinen teho tarkoittaa, että kela imee energiaa piiristä. Koska positiiviset ja negatiiviset tehojaksot ovat suuruudeltaan ja kestoltaan yhtä suuret, koko syklin aikana kela laittaa takaisin piiriin niin paljon tehoa kuin se ottaa siitä. Käytännössä tämä tarkoittaa, että käämin reaktanssi ei haihduta energiaa, mikä eroaa vastuksen reaktanssista, joka haihduttaa energiaa lämpönä. Kaikki yllä oleva pätee kuitenkin vain ihanteellisiin keloihin, joiden johdoissa ei ole vastusta.

Induktorin resistanssi, joka muuttaa virran voimakkuutta, tulkitaan vastukseksi vaihtovirralle kokonaisuutena, joka määritelmän mukaan muuttaa jatkuvasti hetkellistä suuruutta ja suuntaa. Tämä AC-resistanssi on samanlainen kuin normaali vastus, mutta eroaa siitä siinä, että se johtaa aina vaihesiirtoon virran ja jännitteen välillä ja myös haihduttaa nollatehoa. Näiden erojen vuoksi tällä resistanssilla on hieman erilainen nimi - reaktanssi. Reaktanssi, kuten tavallinen reaktanssi, mitataan ohmeina, vain se on merkitty symbolilla X, ei R. Tarkemmin sanottuna induktorin reaktanssi on yleensä merkitty isolla X-kirjaimella ja L-kirjaimella indeksinä: X L.

Koska induktorin yli oleva jännite on verrannollinen virran muutosnopeuteen, se on suurempi nopeasti muuttuvilla virroilla ja pienempi hitaammin muuttuvilla virroilla. Tämä tarkoittaa, että minkä tahansa induktorin reaktanssi (ohmeina) on suoraan verrannollinen vaihtovirran taajuuteen. Tarkka kaava reaktanssin laskemiseksi on seuraava:

Jos kela, jonka induktanssi on 10 mH, altistetaan taajuuksille 60, 120 ja 2500 Hz, sen reaktanssi saa seuraavat arvot:

Reaktanssiyhtälössä lauseke "2πf" on tärkeä. Se tarkoittaa lukua radiaaneina sekunnissa, joka luonnehtii vaihtovirran "kiertoa" (yksi täydellinen vaihtovirtajakso edustaa yhtä täydellistä kiertoa). Radiaani on kulmien mittayksikkö: yhdessä täydessä ympyrässä on 2π radiaania, aivan kuten siinä on 360 o. Jos laturi on kaksinapainen, se tuottaa yhden täydellisen jakson jokaista akselin täydellistä kierrosta kohti, mikä tarkoittaa 2π radiaania tai 360 o. Jos vakio 2π kerrotaan taajuudella hertseinä (jaksoja sekunnissa), tulos on luku radiaaneina sekunnissa, joka tunnetaan vaihtovirran kulmataajuudena (syklisenä).

Vaihtovirran kulmataajuutta voidaan ilmaista lausekkeen 2πf lisäksi pienellä kreikkalaisella kirjaimella ω (Omega). Tässä tapauksessa kaava X L = 2πfL voidaan kirjoittaa muodossa X L = ωL.

On tärkeää ymmärtää, että kulmataajuus on ilmaus siitä, kuinka nopeasti aalto suorittaa syklinsä loppuun, mikä on yhtä suuri kuin 2π radiaania. Se ei välttämättä edusta vaihtovirtaa tuottavan generaattorin todellista akselinopeutta. Jos generaattorissa on enemmän kuin kaksi napaa, sen kulmataajuus on akselin nopeuden kerrannainen. Tästä syystä ω ilmaistaan joskus sähköisenä radiaanina sekunnissa sen erottamiseksi mekaanisesta liikkeestä.

Millä tahansa menetelmällä kulmataajuuden ilmaisemiseksi on selvää, että se on suoraan verrannollinen induktorin reaktanssiin. Vaihtovirran taajuuden (tai generaattorin akselin pyörimisnopeuden) kasvaessa kela antaa suuremman vastuksen virran kulkua vastaan ja päinvastoin. Vaihtovirta yksinkertaisessa induktiivisessa piirissä on yhtä suuri kuin jännite (voltteina) jaettuna kelan reaktanssilla (ohmeina). Kuten näet, tämä on samanlainen kuin se, että vaihto- tai tasavirta yksinkertaisessa resistiivisessä piirissä on yhtä suuri kuin jännite (voltteina) jaettuna resistanssilla (ohmeina). Tarkastellaanpa esimerkkinä seuraavaa kaaviota:

Meidän on kuitenkin pidettävä mielessä, että jännitteellä ja virralla on eri vaiheet. Kuten aiemmin mainittiin, jännitteen vaihesiirto on +90 o suhteessa virtaan (kuva alla). Jos esitämme jännitteen ja virran vaihekulmat matemaattisesti (kompleksilukujen muodossa), näemme, että induktorin vaihtovirtaresistanssilla on seuraava vaihekulma:

Induktorin yli kulkeva virta on 90 o jäljessä jännitteestä.

Matemaattisesti voidaan sanoa, että induktorin vaihtovirtaresistanssin vaihekulma on 90 o. Virran reaktanssin vaihekulma on erittäin tärkeä piirianalyysissä. Tämä merkitys on erityisen ilmeinen analysoitaessa monimutkaisia vaihtovirtapiirejä, joissa reaktiiviset ja yksinkertaiset vastukset ovat vuorovaikutuksessa keskenään. Se osoittautuu myös hyödylliseksi edustamaan minkä tahansa komponentin vastusta sähkövirralle kompleksilukuina (eikä vastuksen ja reaktanssin skalaarimäärien sijaan).

Miten kela käyttäytyy tasa- ja vaihtovirtapiirissä?

Induktori DC-piirissä

Joten tähän kokeeseen tarvitsemme virtalähteen, joka tuottaa vakiojännitteen, hehkulampun ja itse kelan.

Hyvän induktanssin omaavan kelan valmistamiseksi meidän on otettava ferriittisydän:

Kierrä lakattu kuparilanka sen ympärille ja kuori liittimet:

Mittaamme käämimme induktanssin LC-mittarilla:

132 mikrohenryä.

Nyt kokoamme kaiken tämän kaavion mukaan:

Missä

L - kela

La - 12 voltin hehkulamppu

Bat - virtalähde, jonka jännite on asetettu 12 volttiin

Lamppu syttyi!

Kuten muistat, kondensaattorimme ei läpäissyt tasavirtaa:

Päättelemme: tasavirta kulkee lähes esteettömästi kelan läpi. Ainoa vastus on itse lanka, josta kela on kierretty.

Induktori vaihtovirtapiirissä

Kootaan tämä koko juttu tämän kaavion mukaan:

Siitä tuli jotain tällaista:

Kokemus N1

Aluksi käytämme signaalia, jonka taajuus on 1 kilohertsi.

Selvitetään mikä on mitä. Vihreässä kehyksessä olen näyttänyt oskilloskoopin automaattiset mittaukset

Nostamme taajuuden 10 kilohertsiin

Amplitudi ei laskenut. Signaali pysyy sellaisena kuin se on.

Nosta 100 kilohertsiin

Nostamme taajuuden 200 kilohertsiin

200 kilohertsin taajuudella amplitudi putosi puoleen ja vaihe-ero kasvoi.

Nostamme taajuuden 300 kilohertsiin.

Keltaisen signaalin amplitudi on pudonnut jo 720 millivolttiin. Vaihe-ero kasvoi entisestään.

Nostamme taajuuden 500 kilohertsiin

Amplitudi laski 480 millivolttiin.

Lisää toinen taajuus 1 megahertsiin asti

Keltaisen kanavan amplitudiksi tuli 280 millivolttia.

No, lisäämme taajuuden rajaan, jonka taajuusgeneraattori antaa meidän tuottaa: 2 megahertsiä

"Keltaisen" signaalin amplitudista tuli niin pieni, että minun piti jopa lisätä sitä 5 kertaa.

Ja voimme sanoa, että vaihesiirrosta on tullut melkein 90 astetta tai π/2.

Joten minkä johtopäätöksen voimme tehdä?

Taajuuden kasvaessa kelan vastus kasvaa ja myös vaihesiirto kasvaa. Ja mitä korkeampi taajuus, sitä suurempi vaihesiirto on, mutta enintään 90 astetta.

Kokemus N2

Pienennetään kelan induktanssia. Ajetaan se uudelleen samoilla taajuuksilla. Poistin puolet kierroksista ja tein käännöksiä ferriitin reunaan, mikä pienensi induktanssia 33 mikrohenryyn.

Suoritetaan siis kaikki käyttämällä samoja taajuusarvoja

1 kilohertsin taajuudella arvomme ei ole juurikaan muuttunut.

10 kilohertsiä

Mikään ei ole muuttunut täälläkään.

100 kilohertsiä

Myöskään melkein mikään ei ole muuttunut, paitsi että keltainen signaali alkoi hiljaa liikkua.

200 kilohertsiä

Tässä jo nähdään, että keltaisen signaalin amplitudi alkaa laantua ja vaihesiirto nopeuttaa.

300 kilohertsiä

Vaihesiirto kasvoi ja amplitudi laski vielä enemmän

500 kilohertsiä

Siirtymä kasvoi entisestään ja myös keltaisen signaalin amplitudi pieneni.

1 megahertsi

Keltaisen signaalin amplitudi pienenee, vaihesiirto kasvaa. ;-)

2 megahertsiä, taajuusgeneraattorini raja

Vaihesiirto tuli lähes 90 astetta ja amplitudi jopa alle puoli volttia.

Tästä eteenpäin johtopäätös ehdottaa itseään:

Kun induktanssi pienenee, myös induktorin resistanssi pienenee.

Induktorin reaktanssi

Yksinkertaisten johtopäätösten avulla fyysikot päättelivät kaavan:

Missä

X L - kelat, ohm

P on vakio ja yhtä suuri kuin noin 3,14

F - taajuus, Hz

L - induktanssi, H

Johtopäätös

Induktorin läpi kulkee tasavirta ilman ongelmia. Ainoa vastus on itse lanka, josta kela on kierretty.

Kelan resistanssi riippuu sen läpi kulkevan virran taajuudesta ja ilmaistaan kaavalla:

Induktanssi on sähköpiirin idealisoitu elementti, johon magneettikentän energiaa varastoidaan. Sähkökenttäenergiaa ei varastoida tai sähköenergiaa muunneta muun tyyppiseksi energiaksi.

Lähin idealisoitua elementtiä - induktanssi - on sähköpiirin todellinen elementti - induktiivinen kela.

Toisin kuin induktanssi, induktiivinen käämi varastoi myös sähkökenttäenergiaa ja muuntaa sähköenergian muun tyyppiseksi energiaksi, erityisesti lämpöenergiaksi.

Kvantitatiivisesti sähköpiirin todellisten ja idealisoitujen elementtien kyvylle varastoida magneettikentän energiaa on ominaista parametri, jota kutsutaan induktanssiksi.

Siten termiä "induktanssi" käytetään sähköpiirin idealisoidun elementin nimenä, tämän elementin ominaisuuksia kvantitatiivisesti kuvaavan parametrin nimenä ja induktiivisen kelan pääparametrin nimenä.

Jännitteen ja virran suhde induktiivisessa kelassa määräytyy sähkömagneettisen induktion lailla, josta seuraa, että kun induktiivisen kelan läpi kulkeva magneettivuo muuttuu, siihen indusoituu sähkömotorinen voima e, joka on verrannollinen muutosnopeuteen kelan ψ vuokytkennästä ja suunnattu siten, että sen aiheuttama virta pyrkii estämään magneettivuon muuttumisen:

Mitä suurempi johtimen induktanssi , sitä suurempi magneettikenttä on samalla sähkövirran arvolla. Fyysisesti induktanssi sähköpiirissä on kela, joka koostuu passiivisesta (dielektrisestä) tai aktiivisesta (ferromagneettinen materiaali, rauta) ytimestä ja sen ympärille kierretystä sähköjohdosta.

Jos virtaava virta muuttaa arvoaan ajan myötä, eli se ei ole vakio, vaan muuttuva, magneettikenttä induktiivisessa piirissä muuttuu, mikä johtaa itseinduktion EMF:ään (elektromotoriseen voimaan). Tämä EMF, kuten sähköjännite, mitataan voltteina (V).

Induktanssin yksikkö on H (henry). Se on nimetty amerikkalaisen tiedemiehen Joseph Henryn mukaan, joka löysi itseinduktion ilmiön. Oletetaan, että piirin (kelan) arvo on 1 H, jos virran muutoksella 1 A (ampeeri) sekunnissa, siihen ilmestyy 1 V (voltti) emf. Induktanssi on merkitty L-kirjaimella kuuluisan venäläisen fyysikon Emil Khristianovitš Lenzin kunniaksi. Termiä "induktanssi" ehdotti itseoppinut englantilainen tiedemies Oliver Heaviside vuonna 1886.

Induktanssin ominaisuudet

Induktanssi on aina positiivinen.
Induktanssi riippuu vain piirin geometrisista mitoista ja väliaineen (ytimen) magneettisista ominaisuuksista.

Induktori

Induktori on elektroninen komponentti, joka on ruuvi- tai spiraalirakenne, joka on valmistettu eristetystä johtimesta. Induktorin pääominaisuus, kuten nimestä voi päätellä, on induktanssi. Induktanssi on ominaisuus, joka muuttaa sähkövirran energian magneettikentän energiaksi. Sylinterimäisen tai rengaskäämin induktanssiarvo on yhtä suuri kuin

Missä ψ on vuokytkentä, µ 0 = 4π*10 -7 on magneettivakio, N on kierrosten lukumäärä, S on kelan poikkileikkauspinta-ala.

Lisäksi kelalla on sellaisia ominaisuuksia kuin pieni kapasitanssi ja alhainen aktiivinen vastus, ja ihanteellinen kela on täysin vailla niitä. Tämän elektronisen komponentin käyttöä havaitaan lähes kaikkialla sähkölaitteissa.

Sovelluksen tarkoitukset ovat erilaiset:

häiriöiden vaimennus sähköpiirissä;
tasoittaa pulsaatioiden tasoa;
energiapotentiaalin kertyminen;
vaihtuvataajuisten virtojen rajoitus;
resonanssivärähtelypiirien rakentaminen;
suodatustaajuudet sähköisissä signaalipiireissä;
magneettikenttäalueen muodostaminen;
viivelinjojen, antureiden jne. rakentaminen.

Sovellus tekniikassa

Induktoreita käytetään:

Yleisesti ottaen kaikissa kaikentyyppisissä sähkövirtageneraattoreissa sekä sähkömoottoreissa niiden käämit ovat keloja. Muinaisen perinteen mukaisesti litteän maapallon esittämisestä kolmen norsun tai valaan päällä voisimme nykyään enemmän oikeutetusti väittää, että elämä maan päällä lepää induktiivisen kelan varassa.

– tämä on kelan toiminnan laatu vaihtovirtapiireissä. Induktorin laatutekijä määritellään sen induktiivisen reaktanssin ja sen aktiivisen resistanssin suhteena. Karkeasti sanottuna, induktiivinen reaktanssi on kelan vastus vaihtovirtaa vastaan, ja aktiivinen vastus- tämä on käämin resistanssi tasavirralle ja vastus, joka johtuu sähkötehon häviöistä kehyksessä, ytimessä, suojassa ja käämin eristyksessä. Mitä pienempi aktiivinen vastus, sitä korkeampi on kelan laatutekijä ja sen laatu. Siten voidaan sanoa, että mitä korkeampi laatutekijä, sitä pienempi energiahäviö kelassa.

Induktiivinen reaktanssi määräytyy kaavalla:

X L = ωL = 2πfL

missä ω = 2πf – ympyrätaajuus (f – taajuus, Hz); L – kelan induktanssi, H.

Induktorin laatutekijä määräytyy kaavalla:

Q = X L / R = ωL / R = 2πfL / R

Missä R on induktorin aktiivinen vastus, Ohm.

Nykyinen magneettikentän energia

Virtaa kuljettavan johtimen ympärillä on magneettikenttä, jolla on energiaa. Mistä se tulee? Virtalähde sisältyy sähköön ketjussa on energiavarasto. Sähkökatkon hetkellä. Virtalähdepiiri kuluttaa osan energiastaan voittaakseen itseinduktiivisen emf:n vaikutuksen, joka syntyy. Tämä osa energiasta, jota kutsutaan virran omaksi energiaksi, menee magneettikentän muodostukseen. Magneettikentän energia on yhtä suuri kuin virran sisäinen energia.
Virran omaenergia on numeerisesti yhtä suuri kuin työ, joka virtalähteen on tehtävä voittaakseen itseinduktio-emf:n muodostaakseen virran piiriin.

Virran synnyttämän magneettikentän energia on suoraan verrannollinen virran neliöön. Mihin magneettikentän energia menee virran pysähtymisen jälkeen? – erottuu (kun piiri avataan riittävän suurella virralla, voi syntyä kipinä tai kaari).