Понимание магнитных полей и индуктивности: принципы, применения и проектирование

Всякий раз, когда электроны текут через проводник, вокруг него генерируется магнитное поле — это явление известно как электромагнетизм.

Магнитные поля влияют на выравнивание электронов внутри атомов и могут оказывать силы через пространство, так же как электрические поля между заряженными частицами. Как электрические поля, магнитные поля могут проникать пустое пространство и влиять на материю на расстоянии.

Сила поля и поток поля

Поля оцениваются двумя концепциями: силой поля и потоком поля. Сила поля представляет «толчок», который поле оказывает на расстоянии, в то время как поток поля обозначает общее влияние поля сквозь пространство. Они аналогичны напряжению (толчок) и току (поток) в проводнике, хотя поток поля может существовать в вакууме, тогда как ток требует подвижных зарядников.

Как электрическое сопротивление противодействует току, так свойства материалов противодействуют магнитному потоку. Величина развивающегося потока в области пропорциональна приложенной силе поля и обратно пропорциональна магнитному противлению материала. Природа среды — воздух, сталь или другое ферромагнитное вещество — определяет это противление.

Пока электрическое поле может накапливать свободный заряд на проводниках, магнитное поле производит род «инерции», который сопротивляется изменениям в потоке электронов внутри проводника, создающего поле.

Более сильные магнитные поля с индуктивностями

Индуктивности используют этот принцип, намотывая проводящий провод в катушки, концентрируя магнитное поле сверх того, что может достичь прямой провод. Некоторые катушки самонесущие, в то время как другие намотаны на сплошные ядра. Ядро может быть прямым или замыкающимся — квадратным, прямоугольным или круглым — для полного содержания потока. Эти конструктивные решения существенно влияют на характеристики индуктивности.

Схемный символ индуктивности — простая катушка. Варианты включают параллельные линии вдоль оси катушки для обозначения ядра, или современный стиль «горба», заменяющий форму катушки.

 

 

По мере протекания тока через катушку, она генерирует концентрированное магнитное поле. Поток поля представляет накопленную энергию, связанную с кинетическим движением электронов. Больший ток производит более сильное поле и больше накопленной энергии.

 

 

Поскольку индуктивности накапливают энергию как магнитное поле, они ведут себя иначе от резисторов, которые лишь рассеивают энергию как тепло. Накопленная энергия прямо пропорциональна току.

Следовательно, индуктивности сопротивляются изменениям тока. Когда ток растет или падает, индуктивность генерирует напряжение противоположной полярности, пытаясь сохранить ток стабильным. Эта самоиндукция — краеугольный камень поведения индуктивностей.

Возрастающий ток усиливает магнитное поле, и результирующее изменение индуцирует напряжение, противодействующее дальнейшему изменению. Убывающий ток ослабляет поле, индуцируя напряжение противоположной полярности, помогающее оставшемуся току.

В теории, идеально изолированная индуктивность могла бы поддерживать постоянный ток, если замкнуть ее накоротко, но на практике сопротивление обычных проводов заставляет ток быстро затухать, если только провод не сверхпроводящий.

 

 

Когда ток увеличивается, индуктивность «заряжается» и ведет себя как нагрузка, создавая падение напряжения, противоположное направлению тока. Когда ток уменьшается, индуктивность «разряжается» и ведет себя как источник, создавая падение напряжения в том же направлении, что и ток.

 

 

 

Когда питание впервые приложено к размагниченной индуктивности, она изначально сопротивляется току, представляя полное напряжение источника. По мере нарастания тока магнитное поле растет, поглощая энергию. В конечном счете ток достигает максимума, и падение напряжения через индуктивность становится минимальным, хотя ток остается высоким.

Таким образом, в отличие от конденсаторов — где накопленная энергия повышает напряжение на приборе — индуктивности поддерживают накопление энергии за счет поддержания постоянного тока.

Материал ядра также имеет значение: ферромагнитные ядра (например, мягкое железо) усиливают поток для заданной силы поля, тогда как не магнитные материалы вроде алюминия или воздуха дают малое усиление.

Что такое индуктивность?

Индуктивность количественно оценивает способность индуктивности накапливать энергию при заданном токе и сопротивляться изменениям тока. Обозначается заглавной буквой «L» и измеряется в генри (Гн). Индуцированное напряжение равно индуктивности, умноженной на скорость изменения тока (V = L di/dt).

Дроссель vs Индуктивность

Исторически индуктивности, используемые для блокирования высокочастотных AC сигналов, назывались дросселями. В высокомощных применениях их также могут называть реакторами. Понимание этих терминов важно при изучении AC цепей и индуктивного реактивного сопротивления.

Обзор

• Индуктивности противодействуют изменениям тока, генерируя противоположное напряжение.
• При возрастающем токе они действуют как нагрузки; при убывающем — как источники.
• Индуктивность, измеряемая в генри, отражает это поведение.
• Дроссели и реакторы — исторические или крупномасштабные названия для индуктивностей.

Связанные рабочие листы

• Рабочий лист: Индуктивность