Катушка индуктивности

Катушка индуктивности
Тип	Пассивный элемент
Принцип работы	Электромагнитная индукция
Изобретён	Майкл Фарадей
Впервые создан	1831
Символьное обозначение

Кату́шка индукти́вности представляет собой пассивный двухполюсный электрический компонент, который накапливает энергию в магнитном поле, когда через него протекает переменный электрический ток. Состоит из изолированного провода, намотанного на каркас. Если катушка выполнена из толстого провода с небольшим количеством витков, то каркас не используется.

Физические основы

Электрический ток $I$ создает вокруг себя магнитное поле $B$

При протекании через проводник (катушку) переменного электрического тока возникает изменяющееся во времени магнитное поле, которое индуцирует электродвижущую силу (ЭДС), описываемую законом Фарадея:

Для любого контура индуцированная электродвижущая сила равна скорости изменения магнитного потока, проходящего через этот контур, взятой со знаком минус.

В виде математических выражений это можно представить следующим образом:

${\mathcal {E}}=-{\frac {d\Phi _{\mathbf {B} }}{dt}}$, где ${\mathcal {E}}$ — электродвижущая сила, $\Phi _{\mathbf {B} }$ — магнитный поток, создаваемый протекающим по проводнику током $I$, создающим магнитное поле $B$.

Учитывая, что $\Phi _{\mathbf {B} }$ можно выразить формулой:

$\Phi _{\mathbf {B} }=LI$,

где $L$ — индуктивность проводника, а $I$ — протекающий по нему ток,

имеем:

${\mathcal {E}}=-{\frac {d\Phi _{\mathbf {B} }}{dt}}$ = $-L{dI \over dt}$

Для катушки ЭДС на её концах будет выражаться формулой:

${\mathcal {E}}$ = $-N{{d\Phi _{B}} \over dt}$ = $-NL{dI \over dt}$, где $N$ — количество витков катушки.

Поскольку индуцируемое напряжение имеет полярность (направление), противоположную изменению тока, создавшему его, катушка индуктивности противодействуют любым изменениям проходящего через неё тока, то есть имеет индуктивное сопротивление, которое прямо пропорционально частоте переменного тока и выражается формулой:

$X_{L}=\omega L$,

где $\omega$ — круговая частота.

В цепи постоянного тока катушка индуктивности играет роль сглаживающего элемента в момент коммутации, предотвращая броски тока через последовательно включённую нагрузку. В дальнейшем, поскольку после прекращения переходных процессов реактивная составляющая сопротивления катушки уже не работает, её наличие на характеристики цепи практически не влияет.

Параметры

Катушку индуктивности можно охарактеризовать следующими параметрами:

• индуктивность — (от лат. inductio – на­ве­де­ние, по­бу­ж­де­ние), ве­ли­чи­на, ха­рак­те­ри­зую­щая маг­нит­ные свой­ст­ва элек­трической це­пи. Индуктивность яв­ля­ет­ся ко­ли­че­ст­вен­ной ха­рак­те­ри­сти­кой эф­фек­та са­мо­ин­дук­ции;
• добротность (отношение индуктивного сопротивления к активному):

$Q={\frac {\omega L}{R}}$;

• сопротивление потерь. Сопротивление катушки не является чисто реактивным. Потери складываются из потерь в проводах, диэлектрике, сердечнике и экране (если он есть):

$R_{\text{пот}}=r_{w}+r_{d}+r_{s}+r_{e}{\mbox{,}}$

где $r_{w}$ — потери в проводах,

$r_{d}$ — потери в диэлектрике,

$r_{s}$ — потери в сердечнике,

$r_{e}$ — потери на вихревые токи

• собственная ёмкость — межвитковая ёмкость катушки, в результате которой катушка индуктивности представляет собой колебательный контур с характерной частотой резонанса. Для уменьшения собственной ёмкости используют сложные схемы намотки катушек, разбиение одной обмотки на разнесённые секции;
• механическая прочность, габаритные размеры, масса.

Конструкция

Виды сердечников

Для увеличения индуктивности катушку снабжают магнитным сердечником, который может иметь форму продольного стержня, замкнутого каркаса или тора. Сердечники катушек, работающих в низкочастотных цепях,выполняются из электротехнических сталей или магнитомягких сплавов (пермаллоев).

Для работы на высоких частотах сердечники делают из ферромагнитных материалов. Для уменьшения межвитковой ёмкости катушки часто наматывают «внавал», то есть не укладывая витки слоями один к одному. Кроме того, обмотку секционируют.

Применение катушек индуктивности

• Фильтры.
  • LC-фильтры используются для пропускания или блокировки определенных частот. Применяются в радиоприемниках, усилителях, кроссоверах для акустических систем.
  • RC-фильтры. Используются для сглаживания напряжения или тока. Применяются в блоках питания, стабилизаторах напряжения.
• Энергетические системы.
  • Индукционные катушки. Используются для передачи энергии бесконтактным способом. Применяются в беспроводных зарядных устройствах, электромобилях.
  • Дроссели. Основное предназначение дросселя — защита от высокочастотных сигналов. Применяются в блоках питания, сварочных аппаратах.
• Коммуникационные системы.
  • Трансформаторы, представляющие собой устройства для изменения напряжения в цепи переменного тока. Принцип его действия основан на явлении электромагнитной индукции. Применяются в самых разных схемных решениях: как в силовой энергетике, так и в системах управления.
  • Катушки связи. Используются для передачи сигнала между двумя цепями. Применяются в радиоприемниках, усилителях.
• Системы управления.
  • Реле. Катушка индуктивности используется для включения или выключения цепи с помощью электромагнитного поля. Применяются в системах управления.
  • Соленоиды. Используются для создания линейного движения с помощью электромагнитного поля. Применяются в клапанах, электромагнитных замках.
• Другие приложения.
  • Металлоискатели используют катушки индуктивности для обнаружения металлических предметов.
  • Беспроводные системы передачи данных. Используют катушки индуктивности для передачи данных на короткие расстояния.
  • Индукционные печи. Используют катушки индуктивности для нагрева металлов.