Магнитный поток через контур пропорционален индукции магнитного поля (Ф ~ B), индукция пропорциональна силе тока в проводнике
(B ~ I), следовательно магнитный поток пропорционален силе тока (Ф ~ I).

ЭДС самоиндукции зависит от скорости изменения силы тока в эл.цепи, от свойств проводника
(размеров и формы) и от относительной магнитной проницаемости среды, в которой находится проводник.

Физическая величина, показывающая зависимость ЭДС самоиндукции от размеров и формы проводника и от среды, в которой находится проводник, называется коэффициентом самоиндукции или индуктивностью.

Индуктивность - физ. величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1 Ампер за 1 секунду.

где Ф - магнитный поток через контур, I - сила тока в контуре.

Единицы измерения индуктивности в системе СИ:

Индуктивность катушки зависит от: числа витков, размеров и формы катушки и от относительной магнитной проницаемости среды

(возможен сердечник).

Индуктивность взаимная - величина, характеризующая магнитную связь двух или более электрических цепей (контуров). Если имеется два проводящих контура, то часть линий магнитной индукции, создаваемых током в первом контуре, будет пронизывать площадь, ограниченную вторым контуром (т. е. будет сцеплена с контуром 2).

Магнитный поток Ф 12 через контур 2, созданный током I 1 в контуре 1, прямо пропорционален току:

Коэффициент пропорциональности M 12 зависит от размеров и формы контуров 1 и 2, расстояния между ними, их взаимного расположения, а также от магнитной проницаемости окружающей среды и называется взаимной индуктивностью или коэффициентом взаимной индукции контуров 1 и 2. В системе СИ И. в. измеряется в Генри.

Трансформаторная ЭДС. Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Линии индукции магнитного поля, создаваемого переменным током в первичной обмотке, благодаря наличию сердечника практически без потерь пронизывают витки вторичной обмотки. Поскольку магнитный поток во вторичной обмотке изменяется со временем (т.к. в первичной обмотке переменный ток), то согласно закону Фарадея в ней возбуждается ЭДС индукции. Трансформатор может работать только на переменном токе, т.к. магнитный поток, созданный постоянным током, не изменяется с течением времени.

Пусть первичная обмотка трансформатора подключена к источнику тока с переменной ЭДС E 1 и с действующим значением напряжения U 1 . На вторичной обмотке ЭДС E 2 и напряжение U 2 .

Из законов Ома следует, что напряжение на обмотке равно

где r — сопротивление обмотки. При изготовлении трансформатора сопротивление первичной обмотки r 1 делают очень малым, поэтому часто им можно пренебречь. Тогда

Если пренебречь потерями магнитного потока в сердечнике, то в каждом витке вторичной обмотки будет индуцироваться точно такая же ЭДС индукции e 1 , как и ЭДС индукции e 2 в каждом витке первичной обмотки, т.е. e 1 = e 2 . Следовательно, отношение ЭДС в первичной E 1 и вторичной E 2 обмотках равно отношению числа витков в них:

Трансформаторный ток. Токи обмоток обратно пропорциональны числам витков (I 1 /I 2 приблиз = w 1 /w 2 = 1/n). С увеличением тока активно-индуктивного приемника вторичное напряжение несколько снижается.

Поток рассеивания.

Рис.1.11. К определению магнитного потока рассеяния в катушке с ферромагнитным сердечником

часть магнитного потока катушки замыкается не по сердечнику, а по воздуху. Эта часть потока носит название потока рассеивания Ф р (рис. 1.11). Таким образом, полный поток, сцепленный с витками катушки равен

Индуктивностью называется идеализированный элемент электрической цепи, в котором происходит запасание энергии магнитного поля. Запасания энергии электрического поля или преобразования электрической энергии в другие виды энергии в ней не происходит.

Наиболее близким к идеализированному элементу – индуктивности – является реальный элемент электрической цепи – индуктивная катушка.

В отличие от индуктивности в индуктивной катушке имеют место также запасание энергии электрического поля и преобразование электрической энергии в другие виды энергии, в частности в тепловую.

Количественно способность реального и идеализированного элементов электрической цепи запасать энергию магнитного поля характеризуется параметром, называемым индуктивностью.

Таким образом термин «индуктивность» применяется как название идеализированного элемента электрической цепи, как название параметра, количественно характеризующего свойства этого элемента, и как название основного параметра индуктивной катушки.

Связь между напряжением и током в индуктивной катушке определяется законом электромагнитной индукции, из которого следует, что при изменении магнитного потока, пронизывающего индуктивную катушку, в ней наводится электродвижущая сила е, пропорциональная скорости изменения потокосцепления катушки ψ и направленная таким образом, чтобы вызываемый ею ток стремился воспрепятствовать изменению магнитного потока:

Чем выше индуктивность проводника, тем больше будет магнитное поле при одном и том же значении электрического тока. Физически индуктивность в электрической цепи – это катушка, состоящая из пассивного (диэлектрик) или активного (ферромагнитный материал, железо) сердечника и намотанного на него электрического провода.

Если протекающий ток изменяет свою величину во времени, то есть является не постоянным, а переменным, то в индуктивном контуре меняется магнитное поле, вследствие чего возникает ЭДС (электродвижущая сила) самоиндукции. Эта ЭДС также как и электрическое напряжение измеряется в вольтах (В).

Единицей измерения индуктивности является Гн (генри). Она названа в честь Джозефа Генри – американского ученого, открывшего явление самоиндукции. Считается, что контур (катушка индуктивности) имеет величину 1 Гн, если при изменении тока в 1 А (ампер) за одну секунду в нем возникает ЭДС величиною в 1 В (вольт). Обозначается индуктивность буквой L, в честь Эмиля Христиановича Ленца– знаменитого российского физика. Термин «индуктивность» был предложен Оливером Хевисайдом – английским ученым-самоучкой в 1886 году.

Свойства индуктивности

• Индуктивность всегда положительна.
• Индуктивность зависит только от геометрических размеров контура и магнитных свойств среды (сердечника).

Катушка индуктивности

Катушка индуктивности – электронный компонент, представляющий собой винтовую либо спиральную конструкцию, выполненную с применением изолированного проводника. Основным свойством катушки индуктивности, как понятно из названия – индуктивность. Индуктивность – это свойство преобразовать энергию электрического тока в энергию магнитного поля. Величина индуктивности для цилиндрической или кольцевой катушки равна

Где ψ — потокосцепление, µ 0 = 4π*10 -7 – магнитная постоянная, N – количество витков, S – площадь поперечного сечения катушки.

Также катушке индуктивности присущи такие свойства как небольшая ёмкость и малое активное сопротивление, а идеальная катушка и вовсе их лишена. Применение данного электронного компонента отмечается практически повсеместно в электротехнических устройствах.

Цели применения различны:

• подавление помех в электрической цепи;
• сглаживание уровня пульсаций;
• накопление энергетического потенциала;
• ограничение токов переменной частоты;
• построение резонансных колебательных контуров;
• фильтрация частот в цепях прохождения электрического сигнала;
• формирование области магнитного поля;
• построение линий задержек, датчиков и т.д.

Применение в технике

Катушки индуктивности применяются:

По большому счёту, во всех генераторах электрического тока любого типа, равно как и в электродвигателях, их обмотки представляют собой катушки индуктивности. Следуя традиции древних изображения плоской Земли, стоящей на трёх слонах или китах, сегодня мы могли бы с большим основанием утверждать, что жизнь на Земле покоится на катушке индуктивности.

– это качество работы катушки в цепях переменного тока. Добротность катушки индуктивности определяют как отношение её индуктивного сопротивления к активному сопротивлению. Грубо говоря, индуктивное сопротивление – это сопротивление катушки переменному току, а активное сопротивление – это сопротивление катушки постоянному току и сопротивление, обусловленное потерями электрической мощности в каркасе, сердечнике, экране и изоляции катушки. Чем меньше активное сопротивление, тем выше добротность катушки и её качество. Таким образом, можно сказать, что чем выше добротность, тем меньше потери энергии в катушке индуктивности.

Индуктивное сопротивление определяется формулой:

X L = ωL = 2πfL

Где ω = 2πf – круговая частота (f – частота, Гц); L – индуктивность катушки, Гн.

Добротность катушки индуктивности определяется формулой:

Q = X L / R = ωL / R = 2πfL / R

Где R – активное сопротивление катушки индуктивности, Ом.

Энергия магнитного поля тока

Вокруг проводника с током существует магнитное поле, которое обладает энергией. Откуда она берется? Источник тока, включенный в эл. цепь, обладает запасом энергии. В момент замыкания эл. цепи источник тока расходует часть своей энергии на преодоление действия возникающей ЭДС самоиндукции. Эта часть энергии, называемая собственной энергией тока, и идет на образование магнитного поля. Энергия магнитного поля равна собственной энергии тока.
Собственная энергия тока численно равна работе, которую должен совершить источник тока для преодоления ЭДС самоиндукции, чтобы создать ток в цепи.

Энергия магнитного поля, созданного током, прямо пропорциональна квадрату силы тока. Куда пропадает энергия магнитного поля после прекращения тока? – выделяется (при размыкании цепи с достаточно большой силой тока возможно возникновение искры или дуги).

Как следует из первого выражения, чтобы выявить физический смысл индуктивности, надо принять значение силы тока, протекающего по проводнику, равным единице. Тогда получим, что:

индуктивность - это физическая величина, численно равная магнитному потоку, охватываемому проводником, если сила тока, протекающего по проводнику, равна 1 А.

Чтобы получить единицу индуктивности, надо выразить ее из формулы Ф = L I: L = Ф/I и в полученное выражение подставить единицы магнитного потока [Ф] =1 Вб и силы тока [I ] =1 А. Получаем:

Эта единица имеет собственное наименование: 1 Гн (генри).

Единица индуктивности названа в честь американского физика Д.Генри, независимо от Фарадея открывшего явление электромагнитной индукции, обнаружившего явление самоиндукции и установившего причины, влияющие на индуктивность цепи.

С учетом новых выражений для магнитного потока, закон электромагнитной индукции для случая самоиндукции, при условии, что индуктивность цепи остается постоянной, можно записать в таком виде:

Исходя из этого выражения, физический смысл индуктивности принимает несколько иное звучание.

Индуктивность - это физическая величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в проводнике, если скорость изменения силы тока в этом проводнике равна 1 А в 1 с.

Соответственно, чтобы получить единицу индуктивности, ее надо выразить из формулы

и в полученное выражение подставить единицы ЭДС [e] = 1 В, времени [t ] = 1 с, силы тока [I ] = 1 А. Получаем:

Индуктивность, по всей видимости, должна зависеть от параметров контура: его конфигурации, геометрических размеров, числа витков, от среды, заполняющей контур, а значит, при заданной силе тока определять величину магнитного потока, пронизывающего контур.

Например, для катушки индуктивность должна быть тем больше, чем больше площадь ее поперечного сечения и чем большее число витков она содержит, так как обе эти величины при неизменной силе тока увеличивают магнитный поток, пронизывающий катушку. По этой же причине индуктивность катушки должна возрастать во много раз при вставлении в нее сердечника, изготовленного из ферромагнитного материала.

В общем случае, магнитный поток, пронизывающий контур, по которому идет ток, может меняться не только за счет изменения тока, но и за счет изменения индуктивности проводника, образующего контур, поэтому полученные выражения для изменения магнитного потока и ЭДС самоиндукции лучше записать в виде:

При включении источника тока, в проводящем контуре, по которому начинает идти ток, его сила возрастает от нуля до некоторого максимального значения. Возникающая в контуре ЭДС самоиндукции, препятствует нарастанию тока. При этом источник тока совершает работу против индуцированного электрического поля, за счет чего происходит превращение энергии источника тока в энергию магнитного поля.

Прирост энергии магнитного поля за очень маленький промежуток времени равен элементарной работе по перемещению заряда по замкнутой цепи, взятой с обратным знаком:

Так как, по определению,

С другой стороны,

А , тогда:

При изменении магнитного потока, пронизывающего контур, сила индукционного тока в нем также изменяется, но при неизменной индуктивности, между этими двумя величинами существует линейная зависимость: I = Ф/L . Эта зависимость может быть отражена графически.

На графике площадь элементарного прямоугольника численно равна приросту энергии магнитного поля при изменении магнитного потока на малую величину DФ . Полная, или максимальная энергия магнитного поля на графике численно равна площади треугольника.

Цель работы

Целью данной работы является изучение явления электромагнитной индукции и его законов, измерение индуктивности катушки, исследование зависимости индуктивности катушки от силы тока, протекающего по ее обмотке, а также индуктивности катушки, ее полного и индуктивного сопротивлений от частоты переменного тока.

Краткая теория.

Всякий контур, по которому течет ток, пронизывается магнитным полем, созданным этим током. Если сила тока в контуре меняется, то изменяется и сцепленный с контуром магнитный поток, поэтому вследствие явления электромагнитной индукции в контуре возникает ЭДС. Возникновение ЭДС в контуре при изменении силы тока в нем называется самоиндукцией. В соответствии с законом Фарадея величина ЭДС индукции пропорциональна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего контур, то есть,

Магнитный поток, создаваемый током, протекающим в контуре, называется потоком самоиндукции  s . Поток самоиндукции пропорционален индукции магнитного поля, создаваемого этим током, которая, в свою очередь, пропорциональна величине силы тока в контуре. Поэтому магнитный поток самоиндукции пропорционален величине силы тока

, (2.07.2)

где L – индуктивность контура.

Индуктивность контура – это скалярная физическая величина, характеризующая способность контура создавать поток самоиндукции и зависящая от его формы, размеров и магнитной проницаемости среды. Из (2.07.2) следует, что индуктивность контура измеряется величиной магнитного потока, сцепленного с контуром, при силе тока в нем равной 1 А. За единицу измерения индуктивности в системе СИ принимается 1 Гн – это индуктивность такого контура, с которым сцеплен магнитный поток в 1 Вб при силе тока в контуре, равной 1 А.

При неизменной индуктивности закон Фарадея для самоиндукции выглядит следующим образом:

(2.07.3)

т. е. ЭДС самоиндукции пропорциональна скорости изменения силы тока в контуре. В соответствии с законом Фарадея можно дать другое определение индуктивности. Индуктивность определяется величиной ЭДС, возникающей в контуре, при изменении в нем силы тока на 1 А за 1 с. Тогда, согласно (2.07.3), 1 Гн – это индуктивность такого контура, в котором индуцируется ЭДС, равная 1 В, при изменении в нем силы тока на 1 А за 1 с. Знак минус в формуле (2.07.3) отражает правило Ленца, согласно которому самоиндукция противодействует всякому изменению силы тока в контуре и представляет собой аналогию с инерцией в механике.

В электрической цепи наличие индуктивности приводит к возникновению добавочного индуктивного сопротивления катушки переменному току

, (2.07.4)

где  – частота переменного тока.

Модуль полного сопротивления Z катушки переменному току определяется по закону Ома

(2.07.5)

где U и I – эффективные значения напряжения и силы тока в катушке.

Полное сопротивление катушки Z складывается из сопротивления катушки в цепи постоянного тока R (омического или активного сопротивления) и индуктивного сопротивления X L в соответствии с формулой:

. (2.07.6)

или, подставив

(2.07.7)

из которого можно выразить индуктивность катушки L

(2.07.8)

Соотношение (2.07.8) лежит в основе опыта по определению индуктивности. Для того, чтобы определить индуктивность, необходимо измерить частоту переменного тока, действующее значение силы переменного тока, протекающего через катушку, действующее значения напряжения на катушке и омическое сопротивление катушки.

Индуктивность длинного соленоида с сердечником может быть рассчитана по формуле

, (2.07.9)

где  – магнитная проницаемость сердечника;
– магнитная постоянная;n – число витков, приходящихся на единицу длины катушки; V – объем катушки.

Измеряя индуктивность катушки, можно определять магнитную проницаемость материала, из которого изготовлен сердечник. В частности, таким способом можно определять магнитную проницаемость горных пород. Определив индуктивность катушки с сердечником из исследуемой породы L с и без сердечника L 0 , по отношению этих индуктивностей L С / L 0 определяют  . Определение магнитной проницаемости горных пород и минералов необходимо для изучения вопросов, связанных с установлением качества железных руд и железистых пород, магнитным обогащением полезных ископаемых, с разведкой рудных тел, исследованием трещиноватости массива горных пород.

Выполнение работы

Необходимые приборы : лабораторный стенд, внутри которого смонтированы все элементы схемы; генератор периодических сигналов; цифровой вольтметр. Рабочая схема опыта показана на рис. 18 и на панели стенда.

- Катушка индуктивности -

Данный справочник собран из разных источников. Но на его создание подтолкнула небольшая книжка "Массовой радиобиблиотеки" изданная в 1964 году, как перевод книги О. Кронегера в ГДР в 1061 году. Не смотря на такую ее древность, она является моей настольной книгой (наряду с несколькими другими справочниками). Думаю время над такими книгами не властно, потому что основы физики, электро и радиотехники (электроники) незыблемы и вечны.

Единица индуктивности генри (гн) - индуктивность такой катушки, в которой возникает э д.с. самоиндукции, равная 1 в, при изменении силы тока в этой катушке на 1 а в 1 сек. В радиотехнике чаще применяют более мелкие единицы индуктивности, см. Таблицу 3 Менее употребительна единица индуктивности, заимствованная из абсолютной системы единиц: 1 см=10 -9 гн=1 нгн=10 -3 мкги=10 -6 мгн. Индуктивность может быть вычислена по формуле:

Следовательно, индуктивность прямо пропорциональна квадрату числа витков w и обратно пропорциональна магнитному сопротивлению R м:

где: l - длина магнитной линии, см; μ - абсолютная магнитная проницаемость, гн/см; q - площадь поперечного сечения магнитного потока, см 2 . В настоящее время в технике принята величина, обратная.Rк, - так называемый „коэффициент индуктивности витка". Этот коэффициент A l иногда приводится в технических данных на магнитмые материалы:

Величина абсолютной магнитной проницаемости μ зависит от материала. Для магнитных материалов в литературе указывается относительная магнитная проницаемость μr г, а абсолютная магнитная проницаемость рассчитывается по формуле

где:

Символом μ 0 обозначается магнитная проницаемость вакуума или магнитная постоянная. Относительная магнитная проницаемость является безразмерной величиной. Энергия, запасаемая в магнитном поле при его образовании, составляет:

где: L - индуктивность, гн; I- ток, а.

Электродвижущая сила , наводимая в катушке, имеющей ω витков, рассчитывается по формуле

Так как в цепи, обладающей индуктивностью, значение тока не может измениться скачком, то при подключении катушки к источнику постоянного напряжения (рис. 7) и при размыкании цепи ток в последней изменяется по законам, которые подобны законам изменения напряжения на емкости в цепи с сопротивлением и емкостью. При Ri < Rl практически можно учитывать только сопротивление R l . Ток в цепи при замыкании ключа K1,

где: Ri - внутреннее сопротивление источника, ом; R L - сопротивление катушки, ом; Е- э. д. с. источника, в; t - время, сек; τ L - постоянная времени цепи, сек; L- индуктивность, гн. Постоянная времени в этом случае

Ток в цепи при выключении э. д. с. Е (на рис. 7 разомкнут контакт K 1 и замкнут контакт K 2)

Постоянная времени при этом

Интервал времени, за который ток достигает половины максимального значения,

При последовательном соединении катушек без взаимоиндукции (рис. 8) общая индуктивность

L общ = L 1 + L 2 + L 3 +...+ L n

При параллельном соединении (рис. 9) суммарная индуктивность

Для двух катушек, соединенных параллельно , суммарная индуктивность

При последовательном соединении двух катушек с взаимоиндукцией (расположенных соосно и на малом расстоянии друг от друга (рис. 8) суммарная индуктивность

где: М - взаимная индуктивность, гн. Для случая параллельного соединения двух катушек

Знак плюс ставится при одинаковом, а знак минус при встречном направлении магнитных полей. Взаимная индуктивность определяется формулой

где буквой k обозначен коэффициент связи, который всегда меньше единицы, Определение коэффициента связи производится следующимобразом (рис. 10):

Индуктивность проводника относительно земли

где: / - длина проводника, см; h - высота над землей, см; г - радиус проводника, см; l n - натуральный логарифм.

Индуктивность коаксиальною кабеля

где: D - диаметр наружного провода, см; d - диаметр внутреннею провода, см.

Индуктивность тороидальной катушки (рис. 11)

где: ω - число витков; μ - абсолютная магнитная проницаемость материала; F- площадь поперечною сечения магнитопровода, см 2 ; I - средняя длина магнитной линии, см.

Индуктивность катушки с прямоугольным сечением (рис. 12)

где: h - высота, см; b - ширина, см; I - длина, см; k - коэффициент, определяемый по графикам на рис. 13.

Индуктивность двухпроводной линии

г де: D - расстояние между проводами, см; d - диаметр проводов, см.

Индуктивность однослойной цилиндрической катушки (рис. 14)

где^ l - длина катушки, см; D - диаметр катушки, см. Эта формула справедлива при условии l> 0,3D Индуктивность катушки с сердечником из магнитодиэлектрика или феррита

где: A I - коэффициент индуктивности витка, мкгн. Преобразуя эту формулу, получаем:

Вместо значения A l в таблицах с параметрами сердечников может быть указан так называемый коэффициент сердечника К. Величины A I и K связаны между собой следующим соотношением: