Inductanţă

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 26 februarie 2022; verificările necesită 2 modificări .
Inductanţă
Dimensiune L 2 MT -2 I -2
Unități
SI gn
GHS cm −1 s 2 _

Inductanța (sau coeficientul de autoinducție ) este coeficientul de proporționalitate dintre curentul electric care curge în orice circuit închis și fluxul magnetic total , numit și fluxul de legătură creat de acest curent prin suprafața [1] , a cărui margine este acest circuit. [2] [3] [4] .

Inductanța este inerția electrică, similară cu inerția mecanică a corpurilor. Dar EMF de auto-inducție poate servi ca măsură a acestei inerții electrice ca proprietate a conductorului . Se caracterizează prin proprietatea conductorului de a contracara apariția, încetarea și orice modificare a curentului electric din acesta.

In formula:

 - legătura de flux ,  - puterea curentului în circuit,  - inductanța.

Prin inductanță se exprimă EMF de autoinducție în circuit, care apare atunci când curentul se modifică în acesta [4] :

.

Din această formulă rezultă că inductanța este numeric egală cu fem-ul de autoinducție (în volți ) care apare în circuit atunci când curentul se modifică cu 1 A în 1 s .

Pentru o putere dată de curent, inductanța determină energia câmpului magnetic creat de acest curent [4] :

.

În practică, secțiunile circuitului cu inductanță semnificativă sunt realizate sub formă de inductori [4] . Elementele de inductanță scăzută (utilizate pentru frecvențe mari de operare) pot fi spire simple (inclusiv incomplete) sau chiar conductori drepti; la frecvențe mari de funcționare, este necesar să se țină cont de inductanța tuturor conductorilor [5] .

Pentru a simula inductanța, adică un EMF pe un element care este proporțional și în semn opus ratei de schimbare a curentului prin acest element, dispozitivele care nu se bazează pe inducția electromagnetică sunt folosite în electronică [6] (vezi Gyrator ); unui astfel de element i se poate atribui o anumită inductanță efectivă, care este utilizată în calcule complet (deși în general vorbind cu anumite condiții limită) în același mod în care se folosește o inductanță obișnuită.

Denumirea și unitățile de măsură

În sistemul SI de unități, inductanța este exprimată în henries [7] [8] , prescurtat „H”. Un circuit are o inductanță de un henry dacă, atunci când curentul se modifică cu un amper pe secundă, la bornele circuitului va apărea o tensiune de un volt .

În variantele sistemului CGS  - sistemul CGSM și în sistemul Gaussian , inductanța se măsoară în centimetri ( 1 H = 10 9 cm ; 1 cm = 1 nH ) [4] ; pentru centimetri, numele abhenry este folosit și ca unități de inductanță . În sistemul CGSE , unitatea de inductanță este fie lăsată nenumită, fie uneori denumită stathenry ( 1 stathenry ≈ 8,987552⋅10 11  henry : factorul de conversie este numeric egal cu 10 −9 din pătratul vitezei luminii , exprimat în cm/s).

Simbolul L , folosit pentru a desemna inductanța, a fost adoptat în onoarea lui Emil Khristianovici Lenz [9] [10] . Unitatea de inductanță este numită după Joseph Henry [11] . Termenul de inductanță în sine a fost propus de Oliver Heaviside în februarie 1886 [12] .

Justificare teoretică

Dacă un curent circulă într-un circuit conductor, atunci curentul creează un câmp magnetic [4] .

Vom lua în considerare în aproximarea cvasi-statică, implicând faptul că câmpurile electrice alternative sunt suficient de slabe sau se modifică suficient de lent astfel încât câmpurile magnetice generate de acestea să poată fi neglijate.

Considerăm că curentul este același pe toată lungimea circuitului (neglijând capacitatea conductorului, care permite acumularea de sarcini în diferitele sale secțiuni, ceea ce ar face ca curentul să fie neuniform de-a lungul conductorului și ar complica vizibil imagine).

Conform legii Biot - Savart - Laplace , mărimea vectorului de inducție magnetică creat de un curent elementar (în sensul micii geometrice a secțiunii conductorului, considerată sursă elementară a câmpului magnetic) în fiecare punct din spațiu. este proporţională cu acest curent. Însumând câmpurile create de fiecare secțiune elementară, ajungem la concluzia că și câmpul magnetic (vector de inducție magnetică) creat de întreg conductorul este proporțional cu curentul generator.

Raționamentul de mai sus este valabil pentru un vid. În cazul prezenței unui mediu magnetic [13] (magnet) cu o susceptibilitate magnetică notabilă (sau chiar mare), vectorul de inducție magnetică (care intră în expresia fluxului magnetic) va diferi semnificativ (sau chiar de multe ori) din ceea ce ar fi fost în absența unui magnet (în vid). Ne vom limita aici la o aproximare liniară, apoi vectorul de inducție magnetică, deși eventual crescut (sau micșorat) de un număr vizibil de ori în comparație cu absența unui magnet în același circuit cu un curent, rămâne totuși proporțional cu curentul. care o generează.

Apoi fluxul magnetic, adică fluxul câmpului vectorului de inducție magnetică:

prin orice suprafață fixă ​​specifică S (în special și prin suprafața de interes pentru noi, a cărei margine este conturul nostru cu curentul) va fi proporțională cu curentul, deoarece este proporțional cu curentul B peste tot sub integrală.

Rețineți că o suprafață a cărei margine este un contur poate fi destul de complexă dacă conturul în sine este complex. Deja pentru un circuit sub forma unei simple bobine cu mai multe spire, o astfel de suprafață se dovedește a fi destul de complexă. În practică, acest lucru duce la utilizarea unor reprezentări simplificatoare care facilitează reprezentarea unei astfel de suprafețe și calcularea aproximativă a fluxului prin ea (și, de asemenea, introducerea unor concepte speciale suplimentare în legătură cu aceasta, care sunt descrise în detaliu într-un paragraf separat de mai jos). Cu toate acestea, aici, într-o considerație pur teoretică, nu este nevoie să se introducă reprezentări simplificatoare suplimentare, este suficient să rețineți că, indiferent cât de complex este conturul, în acest paragraf ne referim la „flux complet” - adică curge prin întreaga suprafață complexă (cum ar fi o suprafață cu mai multe foi) întinsă pe toate spirele bobinei (dacă vorbim de o bobină), adică ceea ce se numește flux linkage. Dar din moment ce nu trebuie să-l calculăm în mod specific aici, ci trebuie doar să știm că este proporțional cu curentul, nu suntem prea interesați de tipul specific de suprafață prin care ne interesează curgerea (la urma urmei, proporționalitatea curentului). proprietatea este păstrată pentru orice ).

Deci ne-am justificat:

~

aceasta este suficientă pentru a afirma, prin introducerea notaţiei L pentru factorul de proporţionalitate, că

În încheierea fundamentării teoretice vom arăta că raționamentul este corect în sensul că fluxul magnetic nu depinde de forma specifică a suprafeței întinse peste contur. (Într-adevăr, chiar și cel mai simplu contur poate fi întins - în sensul că conturul ar trebui să fie marginea sa - nu o singură suprafață, ci altele diferite, de exemplu, începând cu două suprafețe potrivite, apoi o suprafață poate fi ușor îndoită și nu va mai coincide cu secunda). Prin urmare, trebuie demonstrat că fluxul magnetic este același pentru orice suprafețe întinse pe același contur.

Dar acest lucru este adevărat: să luăm două astfel de suprafețe. Împreună vor forma o suprafață închisă. Și știm (din legea Gauss pentru un câmp magnetic) că fluxul magnetic prin orice suprafață închisă este zero. Acest lucru (sub rezerva semnelor) înseamnă că fluxul printr-o suprafață și cealaltă suprafață sunt egale. Ceea ce dovedește corectitudinea definiției.

Proprietățile inductanței

Inductanța circuitului cu o singură tură și inductanța bobinei

Mărimea fluxului magnetic care pătrunde într-un circuit cu o singură tură este legată de mărimea curentului după cum urmează [4] :

unde  este inductanța bobinei. În cazul unei bobine formate din N spire, expresia anterioară se modifică la forma:

unde  este suma fluxurilor magnetice prin toate spirele (acesta este așa-numitul flux total, numit flux în inginerie electrică , el este cel care apare ca flux magnetic în general în cazul unei bobine în definiția generală de inductanță și în considerația teoretică de mai sus; cu toate acestea, pentru simplificare și comoditate pentru bobinele cu mai multe spire în inginerie electrică, ele folosesc un concept separat și o denumire separată) și  - deja inductanța unei bobine cu mai multe ture. numită legătură de flux sau flux magnetic total [16] . Coeficientul de proporționalitate se numește altfel coeficientul de autoinducție al circuitului sau pur și simplu inductanță [4] .

Dacă fluxul care pătrunde în fiecare dintre spire este același (ceea ce poate fi adesea considerat adevărat pentru o bobină într-o aproximare mai mult sau mai puțin bună), atunci . În consecință, (fluxul magnetic total prin fiecare tură crește de N ori - deoarece acum este creat de N spire simple, iar legătura de flux este de N ori mai mare, deoarece acesta este un flux prin N spire simple). Dar în bobine reale, câmpurile magnetice din centru și de la margini sunt diferite, așa că se folosesc formule mai complexe.

Inductanța solenoidului

Un solenoid  este o bobină a cărei lungime este mult mai mare decât diametrul său (se presupune, de asemenea, în calculele ulterioare, că grosimea înfășurării este mult mai mică decât diametrul bobinei). În aceste condiții și fără utilizarea unui miez magnetic, densitatea fluxului magnetic (sau inducția magnetică) , care este exprimată în sistemul SI în tesla [T], în interiorul bobinei departe de capete (aproximativ) este

sau

unde este constanta magnetică , este numărul de spire, este curentul în amperi [A], este lungimea bobinei în metri [m] și este densitatea de înfășurare a spirelor în [m -1 ]. Neglijând efectele marginilor de la capetele solenoidului, obținem [17]legătura fluxului prin bobină este egală cu densitatea fluxului [T] ori aria secțiunii transversale [m 2 ] și numărul de spire :

unde este volumul bobinei. De aici urmează formula pentru inductanța solenoidului (fără miez):

Dacă bobina din interior este complet umplută cu un miez magnetic, atunci inductanța diferă de un factor  - permeabilitatea magnetică relativă [18] a miezului:

În cazul în care S poate fi înțeles ca aria secțiunii transversale a miezului [m 2 ] și această formulă poate fi utilizată chiar și cu înfășurare groasă, cu excepția cazului în care aria secțiunii transversale totale a bobinei nu depășește zona secțiunii transversale a miezului de mai multe ori.

Inductanța unei bobine toroidale (bobina cu miez inel)

Pentru o bobină toroidală înfășurată pe un miez dintr-un material cu permeabilitate magnetică ridicată, se poate folosi aproximativ formula pentru un solenoid direct infinit ( vezi mai sus ):

unde  este o estimare a lungimii solenoidului (  este raza medie a torusului). Cea mai bună aproximare este dată de formula

unde se presupune un miez dreptunghiular cu o rază exterioară R și o rază interioară r , înălțimea h .

Inductanța unui conductor lung drept

Pentru un fir lung drept (sau cvasi-liniar) cu secțiune transversală circulară, inductanța este exprimată printr-o formulă aproximativă [19] :

unde este constanta magnetică ,  este permeabilitatea magnetică relativă a mediului extern (care umple spațiul (pentru vid ),  este permeabilitatea magnetică relativă a materialului conductor,  este lungimea firului,  este raza secțiunii sale.

Tabelul inductanțelor

Simbolul indică constanta magnetică ( 4π⋅10 −7  H/m ). În cazul de înaltă frecvență, curentul circulă pe suprafața conductorilor ( efect de piele ) și, în funcție de tipul conductorilor, uneori este necesar să se facă distincția între inductanța de înaltă și joasă frecvență. Pentru aceasta se folosește constanta Y : Y = 0 , când curentul este distribuit uniform pe suprafața firului (efect de piele), Y = 1 4 , când curentul este distribuit uniform pe secțiunea transversală a firului. În cazul efectului de piele, trebuie avut în vedere că la distanțe mici între conductori curg curenți turbionari suplimentari în suprafețe (efect de ecranare), iar expresiile care conțin Y devin inexacte.

Coeficienții de autoinducție ai unor circuite închise
Vedere Inductanţă cometariu
solenoid
cu înfășurare subțire [20]

pentru pentru

N : Numărul de spire
r : Raza
l : Lungime
w = r/l
m = 4w 2
E,K : Integrală eliptică
Cablu coaxial,
de înaltă frecvență
a 1 : Raza
a: Raza
l : Lungime

bobină rotundă simplă [19] [21]
r: Raza de viraj
a: Raza firului
dreptunghi [19] [22] [23]

b, d : Lungimile muchiilor
d >> a, b >> a
a : Raza firului
Două
fire paralele
a : Raza firului
d : Distanță, d ≥ 2a
l : Lungimea perechii
Două
fire paralele, de înaltă
frecvență
a : Raza firului
d : Distanță, d ≥ 2a
l : Lungimea perechii
Sârmă paralelă cu un perete
perfect conducător
a: Raza firului
d: Distanță, d ≥ a
l : Lungime
Sârmă paralelă cu
peretele,
de înaltă frecvență
a: Raza firului
d: Distanță, d ≥ a
l : Lungime

Vezi și

Note

  1. Dacă circuitul este multi-turn (bobină) sau, în general, are o formă complexă, suprafața, a cărei margine va fi, poate avea o formă destul de complexă. Acest lucru nu afectează majoritatea afirmațiilor generale, totuși, pentru a simplifica o înțelegere specifică a situației și a estimărilor cantitative în cazul unei bobine, această suprafață este de obicei considerată aproximativ ca o colecție („stiva”) de foi individuale, fiecare dintre acestea este legat de o singură tură separată, iar debitul total printr-o astfel de suprafață este considerat aproximativ ca suma debitelor prin toate astfel de foi.
  2. Kasatkin A. S. Fundamentele ingineriei electrice. M .: Liceu, 1986.
  3. Bessonov L. A. Fundamentele teoretice ale ingineriei electrice. Circuite electrice. M .: Liceu, 1978.
  4. 1 2 3 4 5 6 7 8 Inductanță - articol din Marea Enciclopedie Sovietică
  5. Adevărat, acest caz, în principiu, depășește aproximarea cvasi-staționară, ceea ce ne permite să considerăm elementele circuitului ca fiind independente, adică conceptul de inductanță a unui element individual de circuit începe să-și piardă sensul clar; cu toate acestea, în orice caz, poate fi folosit cel puțin pentru un calcul estimativ.
  6. În primul rând, utilizarea unor astfel de dispozitive, care nu se bazează pe inducția electromagnetică, se datorează unor motive precum necesitatea sau dezirabilitatea de a avea o dimensiune a elementului mai mică decât este posibilă pentru un inductor; de exemplu - în microcircuite, precum și pentru elemente de inductanță foarte mare.
  7. Henry (unitatea de inductanță) - articol din Marea Enciclopedie Sovietică
  8. Inductanță // Kazahstan. Enciclopedia Națională . - Almaty: Enciclopedii kazahe , 2005. - T. II. — ISBN 9965-9746-3-2 .  (CC BY SA 3.0)
  9. Glenn Elert. Hipertextul de fizică: inductanță (1998–2008). Arhivat din original pe 19 noiembrie 2012.
  10. Michael W. Davidson. Expresii moleculare: electricitate și magnetism Introducere: inductanță (1995–2008). Arhivat din original pe 19 noiembrie 2012.
  11. Henry Joseph - articol din Marea Enciclopedie Sovietică
  12. Heaviside, O. Electrician. feb. 12, 1886, p. 271. Vezi retipărire Arhivat 16 februarie 2022 la Wayback Machine .
  13. Prezența unui magnet este deosebit de importantă pentru bobinele cu miez feromagnetic etc.
  14. Aceasta se referă la inductanța adevărată; în electronică, este posibil să se creeze artificial elemente (nu se bazează pe fenomenul de auto-inducție), în care dependența EMF de derivata curentă va fi aceeași ca într-un inductor, dar cu un coeficient de semn opus - astfel de elemente pot fi numite în mod convențional (în funcție de comportamentul lor într-un circuit electric) elemente cu inductanță negativă, dar nu sunt relevante pentru subiectul acestui articol.
  15. Dacă considerăm structura curenților (exact sau aproximativ) fixă, adică dacă curenții nu sunt redistribuiți peste volumul conductorului în procesul de excitare a acestora.
  16. Flux linkage - articol din Marea Enciclopedie Sovietică
  17. * Sivukhin D.V. Curs general de fizică. — M. . - T. III. Electricitate.
  18. Ca și în alte cazuri, prezența unui magnet, mai ales dacă este un feromagnet , pentru care are loc întotdeauna histerezisul , duce la o neliniaritate mai mult sau mai puțin semnificativă (mai ales mare pentru materialele cu miez dur magnetic); prin urmare, formula pentru inductanță, care implică tocmai aproximarea liniară, trebuie considerată aproximativă, iar în cazul general, ca permeabilitate magnetică, formula include o anumită valoare efectivă care depinde de mărimea curentului din bobină.
  19. 1 2 3 Enciclopedia fizică, redactor-șef A. M. Prokhorov. Inductance // Dicţionar enciclopedic fizic. - Enciclopedia Sovietică . - M. , 1983.
  20. Lorenz, L. Über die Fortpflanzung der Elektrizität // Annalen der Physik . - 1876. - T. VII . - S. 161-193. (Expresia dată este inductanța unui cilindru cu un curent în jurul suprafeței sale). .
  21. Elliott, RS Electromagnetics. — New York: Institute of Electrical and Electronics Engineers , 1993. Notă: constanta −3/2 este incorectă.
  22. Rosa, EB The Self and Mutual Inductances of Linear Conductors  //  Buletinul Biroului de Standarde: jurnal. - 1908. - Vol. 4 , nr. 2 . - P. 301-344 .
  23. Moscow Power Engineering Institute: Mathcad Calculation Server . Consultat la 16 aprilie 2012. Arhivat din original la 17 februarie 2020.