Большая Энциклопедия Нефти и Газа
ТВС поглощается обмоткой РРС. Чем больше выведен сердечник из катушки, тем меньше ее индуктизное сопротивление и тем больше поглощается энергия вследствие большей величины протекающего по ней тока, а следовательно, тем меньше размер изображения по горизонтали. И, наоборот, при введении сердечника в катушку протекающий по ней ток уменьшается, уменьшается потеря энергии и размер изображения по горизонтали увеличивается. [46]
В этом случае настройка колебательной цепи осуществляется изменением индуктивности катушки L. Плавное изменение индуктивности достигается ( способ, впервые предложенный в 1923 г. П. Н. Куксенко и А. Л. Минцем) при помощи сердечника из специального магнитного материала с малыми потерями на высоких частотах ( магнетит, карбонильное железо) или из красной меди ( или латуни), перемещаемого внутри катушки. Введение внутрь катушки ферромагнитного сердечника увеличивает индуктивность, а введение медного сердечника уменьшает ее. [47]
Указанные преимущества можно реализовать в диапазоне волн, где потери в магнитном материале незначительны. С увеличением частоты потери в магнитном сердечнике, эквивалентные увеличению активных потерь в обмотке, возрастают в квадрате. Начиная с некоторой частоты, уменьшение активного сопротивления за счет снижения числа витков при введении сердечника начинает перекрываться потерями в самом сердечнике. В этом случае применение магнитного сердечника может быть оправдано только необходимостью изменять в некоторых пределах величину индуктивности катушки при настройке. [48]
Добротность катушки с магнитным сердечником зависит от потерь в материале, величины k и очень сильно от частоты. С увеличением частоты добротность падает, так как потери в сердечнике растут, а цс уменьшается. Частоту, на которой введение сердечника не увеличивает добротность катушки, можно считать верхней границей рабочего диапазона. [49]
К группе магнитодиэлектриков относятся карбонильное железо и альсифер. Промышленность выпускает несколько сортов карбонильного железа, отличающихся в основном размерами зерна. Карбонильное железо марки Р-2 может использоваться на частотах до 50 Мгц; марки Р-4 — на частотах до 10 — 20 Мгц. На более высоких частотах добротность катушки при введении сердечника значительно снижается и применение сердечников становится нецелесообразным. [50]
Чагнитный поток Ф, так же как и электрический ток, является скалярной величиной. Неверно, так как скорость не меняется. Индуктивность i t / /, а в данном случае между индуктивностью L и током / зависимость линейная. Чтобы движение стало равномерным, груз сначала должен набрать необходимую скорость под действием силы F. После насыщения при уменьшении тока от / до / / ас магнитная индукция В изменяется линейно. Индуцированный ток должен создавать магнитное поле, препятствующее удалению, магнита. Определив таким образом направление индуцированного поля по правилу буравчика, найдите направление тока в катушке. Вспомните, чему равна производная от синусоидальной функции. В данном случае следует применить закон полного тока. При введении сердечника потокосцепление увеличивается и, следовательно, индуцированные ЭДС И ток создают поток, направленный встречно основному потоку, что приводит к уменьшению суммарного тока в катушке. Не только магнитное, но и электрическое поле. Это невозможно, так как в катушке будет наводиться ЭДС индукции. [51]
Что будет если в катушку ввести железный сердечник?
Если в катушку, по которой идет ток, внести железный сердечник, её магнитное действие усиливается, почему?. Железный сердечник — ферромагнетик, многократно усиливающий магнитное поле. По катушке идет ток, он порождает магнитное поле, это магнитное поле порождает электрический ток в сердечнике (это я влияние магнитной индукции) а ток в сердечнике порождает еще одно магнитное поле, т.е. общее магнитное поле увеличивается.
Какую роль играет сердечник в катушке?
Для увеличения индуктивности катушки часто снабжают замкнутым или разомкнутым ферромагнитным сердечником. Катушки индуктивности подавления высокочастотных помех имеют ферродиэлектрические сердечники: ферритовые, флюкстроловые, из карбонильного железа.
Почему индуктивность катушки с сердечником больше?
Когда вал винта вращается по часовой стрелке — сердечник перемещается внутрь катушки, увеличивая эффективную магнитную проницаемость и, следовательно, величину индуктивности.
Для чего нужен железный сердечник?
Что такое магнитопровод трансформатора и зачем он нужен? Магнитопровод или сердечник трансформатора позволяет более эффективно преобразовывать напряжение, уменьшая при этом потери. Для изготовления сердечников используют специальную ферромагнитную сталь.
Зачем сердечник в катушке индуктивности?
Катушки индуктивности с ферритовым сердечником широко используются в высокочастотных цепях (до 250 МГц) для развязки по питанию, в ключевых (импульсных) источниках питания, преобразователях типа DC-DC и в качестве различного рода фильтров, в разделительных цепях.
Как называется катушка с железным сердечником внутри?
Катушка с железным сердечником внутри называется электромагнитом.
Как влияет введение сердечника на величину индуктивности?
Введение магнитного сердечника увеличивает индуктивность КИ. Это равносильно тому, что КИ при заданной индуктивности имеют меньшее число витков, малую длину провода, небольшие размеры.
Как влияет материал и конструкция сердечника на свойства катушек индуктивности?
Сердечник из магнитного материала, помещенный внутри катушки, концентрирует магнитное поле и тем самым увеличивает ее индуктивность. Применение магнитных сердечников позволяет уменьшить размеры катушки и в ряде случаев увеличить ее добротность.
Какой железный сердечник будет больше нагреваться?
Сплошной сердечник будет нагреваться больше, поскольку он имеет меньшее электрическое сопротивление, чем сердечник, набранный из тонких изолированных пластин. Соответственно, сила вихревого тока в нем будет больше.
Как по другому называется сердечник?
Серде́чник, или Зубя́нка (лат. Cardámine) — род травянистых растений семейства Капустные (Brassicaceae).
Для чего нужен зазор в сердечнике?
Поскольку энергия, запасенная в сердечнике, пропорциональна величине индуктивности и квадрату величины тока, катушка с оптимальным зазором в сердечнике позволяет запасти (хранить) больше энергии при постоянном подмагничивании, чем катушка без зазора (что хорошо).
Как влияет сердечник на магнитное поле катушки?
Если вставить железный сердечник, то магнитное поле увеличится, так же можно увеличить его если увеличить ток, а если ток уменьшить, то магнитное поле ослабнет.
Что значит на катушке 5.2 1?
В маркировках катушек число передаточного отношения ведущей и ведомой шестерен указывается цифрами, например, 4,8:1 или 5,2:1. То есть, эти числа показывают, что ротор катушки сделает 4 целых 8 десятых и, соответственно, 5 целых 2 десятых оборота за один полный оборот ручки катушки.
Для чего используется сердечник?
Сердечник — основная часть пули/бронебойного боеприпаса.
Для чего нужен сердечник в кабеле?
Зачем нужен сердечник в кабеле? Наличие продольного усиливающего элемента позволяет увеличивать растягивающую нагрузку на кабельное изделие, то есть сделать его более прочным на разрыв. Благодаря такому усовершенствованию кабель с сердечником приобретает универсальные свойства, а срок службы значительно увеличивается.
Что означает на катушке 5.5 1?
Что означает передаточное число на катушке? Это значит, что за один оборот ручки ротор делает вокруг шпули 5 оборотов (если передаточное отношение обозначено как 5:1). Это норма. Также существуют высокоскоростные катушки, когда за один оборот ручки, ротор делает 6 оборотов, или 6,2 к 1.
Для чего в катушке электромагнита устанавливается железный сердечник?
Электромагнит — это катушка с большим количеством витков обмотки, надетая на железный сердечник, которая обретает свойства магнита при прохождении по обмотке электрического тока.
Отчего не зависит индуктивность катушки?
Индуктивность L зависит от свойств самого проводника (его формы, размеров, количества витков и т. п., а также магнитной проницаемости среды μ). Так магнитное поле катушки (соленоида) много сильнее магнитного поля прямого проводника при прочих равных условиях. L не зависит от силы тока I, магнитного поля Ф и т.
Как влияет индуктивность на силу тока?
Индуктивность в цепи, так же, как и ёмкость, влияет на силу переменного тока. Объясняется это явлением самоиндукции. В любом проводнике, по которому протекает переменный ток, возникает ЭДС самоиндукции. При подключении катушки к источнику постоянного напряжения сила тока в цепи нарастает постепенно.
Как проверить исправность катушки индуктивности?
Простым методом является схема, когда для измерения нужен милливольтметр. Измерять индуктивность катушки мультиметром нужно, пользуясь рекомендациями с предварительной калибровкой (например, зная что первоначальные настройки 10-50 или 100 мкГн, в этой точке погрешность будет наименьшая).
Каким образом можно уменьшить магнитное поле катушки с током?
Магнитное поле катушки, в которой находится ток, можно ослабить если вынуть железный сердечник. *(Т. к. вставив в катушку железный сердечник мы увеличим магнитное поле; если увеличить ток в катушке, магнитное поле также увеличится (следовательно, не подходит); в случае Г) также увеличивается магнитное поле.)
Для чего пластины сердечника трансформатора стягивают шпильками?
Зачем пластины сердечника трансформатора стягиваются шпильками? Ответ: Сделано это для того, чтобы обеспечить максимально плотное прилегание изолированных пластин друг к другу, а также, чтобы сделать пакет пластин сердечника прочным и достаточно устойчивым к механическим повреждениям.
Почему сердечник трансформатора может нагреваться?
Сердечник нагревается под действием вихревых токов. Сердечник греется от избытка тепла. А избыток тепла от того, что греются обмоточные провода. А они греются от того, что через них идет или слишком большой ток, или у них для такого тока слишком большое активное сопротивление.
Для чего стопор на катушке?
Стопор обратного хода нужен как раз для того — чтобы леску не сматывало, когда заброшена снасть. НО бывают такие моменты, когда нужно плавно отмотать назад. Снимаешь со стопора, ручкой отматываешь назад и снова стопоришь.
Что такое ферритовый сердечник?
Ферритовый сердечник представляет собой изделие специальной формы, выполненное из непроводящей керамики, однородного материала различных оксидов, смешанных с оксидом железа, как основным материалом. Доступны различные формы ферритовых сердечников, адаптированные к конкретным магнитным и механическим требованиям.
Что возникает в катушке?
И заключающейся в следующем: "в катушке (как во всяком проводнике), находящейся в магнитном поле, возникает индукционный ток, если магнитное поле испытывает какое-либо изменение.
Что означает 2000 на катушке?
На шпуле устанавливают маркировку, кратной 1000. Маркировка 1000 значит, что вместится 100 м лески диаметром 0,1 мм. На 2000 — модели — 100 м лески 0,2 мм.
Для чего нужен Байтраннер на катушке?
Совмещенные в одном удилище передний и задний фрикционные тормоза называются байтраннер. Благодаря данной системе, установленной в катушку для спиннинга, можно вываживать рыбу долгими часами. Главное, вовремя стравливать леску, переключая режимы: с переднего фрикциона на задний и наоборот.
Для чего нужен Байтранер в катушке?
Байтранер — это специальное устройство в катушке, позволяющее с помощью специального рычажка, отключать и подключать основной фрикционный тормоз. Таким образом, байтранер — это второй регулируемый фрикционный тормоз, другими словами второй уровень сопротивления вращения шпули.
Как индуктивность влияет на частоту?
Обычно, величина индуктивности определяет частоту резонанса и наоборот. Чем выше индуктивность, тем ниже частота резонанса, что является следствием увеличения емкости обмотки.
Какие факторы влияют на индуктивность катушек?
Факторы, влияющие на индуктивность:
- Количество витков в катушке
- Площадь катушки
- Длина катушки
- Материал сердечника катушки
Что показывает индуктивность катушки?
Индуктивность характеризует способность катушки препятствовать нарастанию силы тока. Обрати внимание! За единицу измерения индуктивности принят генри (Гн). Различные катушки могут иметь разную индуктивность.
Для чего Электромагниту сердечник?
Электромагнит — устройство, создающее магнитное поле при прохождении электрического тока через него. Обычно электромагнит состоит из обмотки и ферромагнитного сердечника, который приобретает свойства магнита при прохождении по обмотке электрического тока.
Как выбрать материал сердечника?
При выборе материала сердечника необходимо учитывать величину потерь в сердечнике, которая зависит от частоты и магнитной индукции и растет с увеличением обоих параметров. Сравнительные зависимости величины удельных потерь от частоты для некоторых магнитомягких материалов при магнитной индукции 0,1 Тл приведены на рис.
Как сердечник влияет на индуктивность катушки?
Путем перемещения сердечника внутрь катушки и обратно можно изменять ее эффективную магнитную проницаемость и, следовательно, величину индуктивности. Это называется настройкой магнитной проницаемости и используется для подстройки частот в радиочастотных схемах.
Как увеличить индуктивность катушки с сердечником?
Сердечник можно сделать подвижным, прикрепив его к винтовому валу и закрепив гайкой на другом конце катушки. Когда вал винта вращается по часовой стрелке — сердечник перемещается внутрь катушки, увеличивая эффективную магнитную проницаемость и, следовательно, величину индуктивности.
Что означает 5.2 1 на катушке?
В маркировках катушек число передаточного отношения ведущей и ведомой шестерен указывается цифрами, например, 4,8:1 или 5,2:1. То есть, эти числа показывают, что ротор катушки сделает 4 целых 8 десятых и, соответственно, 5 целых 2 десятых оборота за один полный оборот ручки катушки.
Катушки индуктивности
Катушки индуктивности обладают свойством оказывать реактивное сопротивление переменному току при незначительном сопротивлении постоянному току. Совместно с конденсаторами они используются для создания фильтров, осуществляющих частотную селекцию электрических сигналов, а так же для создания элементов задержки сигналов и запоминающих элементов, осуществления связи между цепями через магнитный поток и т.д. В отличие от резисторов и конденсаторов они не являются стандартизованными изделиями, а изготавливаются для конкретных целей и имеют такие параметры, которые необходимы для осуществления тех или иных преобразований электрических сигналов, токов и напряжений.
Функционирование катушек индуктивности основано на взаимодействии тока и магнитного потока. Известно, что при изменении магнитного потока Ф в проводнике, находящемся в магнитном поле, возникает ЭДС, определяемая скоростью изменения магнитного потока
Поэтому при подключении к проводнику источника постоянного напряжения ток в нем устанавливается не сразу, так как в момент включения изменяется магнитный поток и в проводе индуцируется ЭДС, препятствующая нарастанию тока, а спустя некоторое время, когда магнитный поток перестает изменяться. Если же к проводнику подключен источник переменного напряжения, то ток и магнитный поток будут изменяться непрерывно и наводимая в проводнике ЭДС будет препятствовать протеканию переменного тока, что эквивалентно увеличению сопротивления проводника. Чем выше частота изменения напряжения, приложенного к проводнику,, тем больше величина ЭДС, наводимая в нем, следовательно, тем больше сопротивление, оказываемое проводником протекающему току. Это сопротивление X L не связано с потерями энергии, поэтому является реактивным. При изменении тока по синусоидальному закону наводимая ЭДС будет равна
Она пропорциональна частоте w , а коэффициентом пропорциональности является индуктивность L. Следовательно, индуктивность характеризует способность проводника оказывать сопротивление переменному току. Величина этого сопротивления Х L = w L
Индуктивность короткого проводника (мкГн) определяется его размерами:
где l -длина провода в см, d — диаметр провода в см.
Если провод намотан на каркас, то образуется катушка индуктивности. В этом случае магнитный поток концентрируется и величина индуктивности возрастает.
2.3.2.Конструкции катушек индуктивности.
Конструкционной основой катушки индуктивности является диэлектрический каркас, на который наматывается провод в виде спирали. Обмотка может быть как однослойной (рис.2.21,а), так и многослойной (рис.2.21,6). В некоторых случаях многослойная обмотка делается секционированной (рис.2.21,в). В интегральных схемах применяются плоские спиральные катушки индуктивности (рис.2.21,г).
Для увеличения индуктивности применяют магнитные сердечники. Помещенный внутрь катушки сердечник концентрирует магнитное поле и тем самым увеличивает ее индуктивность. Перемещением сердечника внутри каркаса можно изменяп, индуктивность. На рис.2.22 представлены три разнидности цилиндрических сердечников: С — стержневой, Т — трубчатый и ПР — подстроечный резьбовой и две разновидности броневых. Броневые сердечники состоят из двух чашек 2, изготовленных из карбонильного железа или ферритаов.
Они могут иметь либо замкнутый магнитопровод (тип СБ — а), либо разомкнутый (тип С Б — б). Для изменения индуктивности служит подстроечный цилиндрический сердечник 1. Помимо цилиндрических и броневых сердечников применяют торроидальные (кольцевые) сердечники. На высоких частотах (десятки-сотни МГц) применяют подстроечные цилиндрические сердечники из диамагнетиков (латунь, медь). При введении этих сердечников внутрь катушки индуктивность уменьшается.
В катушках индуктивности, работающих на низких в качестве сердечников используют пермаллои. При этом рается из тонких пластин толщиной 0,002-0,1мм.
Для уменьшения влияния электромагнитного поля катушки на другие элементы схемы, а также для уменьшения влияния внешних полей на катушку индуктивности, ее располагают внутри металлического экрана, как это показано на рис.2.23 (1 — заглушка, 2 — экран, 3 — корпус, 4 — обмотка, 5 — каркас, 6 -подстроечный стержень, 7 — чашка сердечника, 8 — основание, 9 — заливка).
2.3.3. Индуктивность и собственная емкость катушек индуктивности.
Индуктивность является основным параметром катушки индуктивности. Ее величина (мкТн) определяется соотношением
L=L 0 W 2 D . 10 -3
где W — число витков, D — диаметр катушки в см, L 0 — коэффициент, зависящий от отношения длины катушки / к ее диаметру О.
Для однослойных катушек величина L 0 определяется соотношением
Оптимальными в этом случае являются отношение а диаметр катушки в пределах от 1 до 2 см. При расчете диаметр катушки D принимается равным диаметру каркаса D 0
Для многослойных катушек величина L 0 зависит не только от величины 1/D , но и от отношения толщины намотки t к диаметру катушки D. Она определяется по графикам (рис.2.24). В этом случае внешний диаметр катушки D=D 0 + 2t
При расчете катушки индуктивности предварительно задаются геометрическими размерами катушки и определяют коэффициент L 0 , а затем по заданной величине индуктивности L находят число витков:
где I, — в мкГн , D — в см.
Для намотки катушки обычно применяют провод оптимального диаметра, который рассчитывается с помощью эмпирических формул и графиков. Для этого по графику S=f(t/D; l /D) (рис.2.25) находят вспомогательный коэффициент S. Затем рассчитывают коэффициент
где f -в мкГц , D — в см. Затем рассчитывают коэффициент a 1
где f — частота в Гц. После чего по графику b 1 = f( a 1 ) ( рис. 2.26) находят вспомогательный коэффициент b 1S и расчитывают оптимальный диаметр провода (мм)
Полученное значение округляется до ближайшего стандартного значения (табл.2.6) и выбирается марка провода с диаметром d из
Основные параметры обмоточных проводов
Максимальный диаметр в изоляции , мм
После выбора оптимального диаметра провода проверяют возможность размещения обмотки в заданных размерах l и t . Для однослойных катушек рассчитывают шаг намотки
Если t> d из; то обмотка размещается. В противном случае задаются большей величиной l и повторяют расчет.
Для многослойных катушек рассчитывают толщину обмотки
где а — коэффициент неплотности обмотки ( a = 1,05. 1,3), и находят фактическое значение наружного диаметра катушки D=D 0 +2t. Если эта величина отличается от выбранной в начале расчета более чем на 10%, то задаю тся новыми значениями l и t и расчет повторяют. При помещении катушки в экран индуктивность катушки уменьшается
где h — коэффициент, зависящий от отношения l /D (рис.2.27),
D — диаметр катушки,
D эк -диаметр экрана.
Индуктивность уменьшается тем больше, чем меньше диаметр экрана. В большинстве случаев D эк /D >1,6ё1,8. При этом индуктивность уменьшается не более чем на 20%.
Многослойные катушки обычно выполняют с сердечниками броневого типа, при использовании которых большая часть силовых линий магнитного поля катушки замыкается через сердечник, а меньшая-через воздух, вследствие чего влияние экрана на индуктивность катушки значительно ослабляется.
Применение сердечников из магнитных материалов позволяет уменьшить число витков катушки индуктивности и соответственно ее габариты. Основным параметром сердечника является магнитная проницаемость m с При его наличии индуктивность катушки становится равной
Поскольку в расчетные формулы входят эмпирические коэффициенты, то индуктивность изготовленной катушки отличается от расчетной. Применение подстроечных магнитных сердечников позволяет получить требуемое значение индуктивности.
Собственная емкость является паразитным параметром катушки индуктивности, ограничивающим возможности ее применения. Ее возникновение обусловлено конструкцией катушки индуктивности: емкость существует между отдельными витками катушки, между витками и сердечником, витками и экраном, витками и другими элементами конструкции. Все эти распределенные емкости можно объединить в одну, называемую собственной емкостью катушки C L
Наименьшей собственной емкостью обладают однослойные катушки индуктивности Приближенно она рассчитывается по формуле (пФ)
где D — диаметр катушки в см. Обычно она не превышает 1-2пФ.
Собственная емкость многослойных катушек значительно больше. При многослойной рядовой намотке она достигает ЗОпФ; при намотке «внавал» она несколько меньше. Существенное уменьшение емкости многослойных катушек достигается при использовании универсальной обмотки, при выполнении которой провод укладывается под некоторым углом к образующей цилиндрического каркаса. Схема такой намотки показана на рис.2.28. Как только провод доходит до края катушки, направление укладки меняется. Цикл универсальной обмотки выбирается таким, что, совершив один оборот вокруг каркаса, провод возвращается к положение, отличающееся от исходного на угол b . Этот угол выбирается таким, чтобы каждый последующий виток находился рядом с предыдущим.
Угол j , под которым осуществляется укладка провода, находится из соотношения
где l -осевая длина катушки,
D — диаметр витка.
Наименьшее значение угла j получается для витков, имеющих наименьший диаметр, равный диаметру каркаса D 0.
Обычно при использовании универсальной обмотки длину катушки принимают в пределах от 2 до 10мм. Количество циклов намотки связано с рачетнным числом витков W соотношением
Величина собственной емкости катушек с универсальной обмоткой составляет от 3 до 8пФ. Дополнительное снижение емкости достигается серкцонированием обмотки, как показано на рис.2.21,в.
Совместное действие индуктивности и емкости можно учесть введением понятия об эквивалентной индуктивности катушки, определяемой из уравнения
где -собственная резонансная частота катушки индуктивности.
Если рабочая частота много ниже собственной резонансной частоты w L , то приближенно можно считать L э =L.
В процессе работы на катушку действуют различные внешние факторы:температура, влага и другие, влияющие на ее индуктивность.Наиболее существенным является влияние температуры, которое оценивают температурным коэффициентом .
Температурная нестабильность индуктивности обусловлена целым рядом факторов: при нагреве увеличивается длина и диаметр провода обмотки, увеличивается длина и диаметр каркаса, в результате чего изменяются шаг и диаметр витков; кроме того при изменении температуры изменяются диэлектрическая проницаемость материала каркаса, что ведет к изменению собственной емкости катушки.
Для повышения температурной стабильности применяют каркасы из материала с малым значением коэффициента линейного расширения. Этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяет керамика. Повышению температурной стабильности катушек способствует прочное сцепление обмотки с каркасом. С этой целью обмотку выполняют методом вжигания серебра в керамический каркас. В этом случае изменение размеров токопроводящего слоя определяется только линейным расширением каркаса. Такие катушки индуктивности имеют TKL >(5-100) . 10 -6 Стабильность многослойных катушек существенно хуже, так как в них невозможно избежать изменения линейных размеров провода обмотки. Многослойные катушки имеют TKL > (50-100) . 10 -6
2.3.4. Потери в катушках индуктивности.
В катушках индуктивности помимо основного эффекта взаимодействия тока и магнитного поля наблюдаются паразитные эффекты, вследствие которых сопротивление катушки не является чисто реактивным и равным Х L . Наличие паразитных эффектов ведет к появлению потерь в катушке, оцениваемых сопротивлением потерь R П , которое определяет добротность катушки индуктивности
Потери складываются из потерь в проводах, диэлектрике, сердечнике и экране.
Потери в проводах вызваны тремя причинами.
Во-первых, провода обмотки обладают омическим сопротивлением
где l -длина провода обмотки, d- диаметр провода, р- удельное сопротивление.
Это сопротивление (Ом) можно выразить через число витков W и средний диаметр катушки D СР
где -диаметр провода в см.
Во-вторых, сопротивление провода обмотки переменному току возрастает с ростом частоты, что обусловлено поверхностным эффектом, суть которого состоит в том, что ток протекает не по всему сечению проводника, а по кольцевой части поперечного сечения (рис.2.29), ширина (мм) которой равна
где f — частота в МГц,
r — удельное сопротивление в мкOм · м.
Вследствие этого провод длиной l имеет сопротивление переменному току равное
где S ЭФ — площадь кольца, которая равна
После преобразования получаем
В третьих, в проводах обмотки, свитой в спираль, проявляется эффект близости (рис.2.30), суть которого состоит в вытеснении тока под воздействием вихревых токов и магнитного поля к периферии провода, прилегающей к каркасу, в результате чего сечение, по которому протекает ток, принимает серповидный характер, что ведет к дополнительному возрастанию сопротивления провода.
Сопротивление r Б , обусловленное эффектом близости, прямо пропорционально диаметру провода, а сопротивление r П , обусловленное эфектом, обратно пропорционально диаметру провода ( рис.2.31).
Существует оптимальный диаметр провода d опт , при котором сопротивление
провода току высокой частоты r f = r Б + r П оказывается минимальным. Для однослойных катушек d опт = 0,2-0,6мм, для многослойных d опт =0,08-0,2мм. Существенно уменьшить потери в проводах можно применяя провод «литцендрат», состоящий из большего числа жилок, скрученных в жгут. При небольшом диаметре тонких жилок ослабляется поверхностный эффект, а скручивание жилок в жгут ослабляет эффект близости.
Существует методика расчета сопротивления r f , по которой предварительно рассчитывается вспомогательный коэффициент
где f — частота в Гц,
d- диаметр провода в см.
Затем по таблице находятся коэффициенты F(z) и G(z).
После этого по графику (рис.2.32) определяется вспомогательный коэффициент К з , зависящий от геометрии катушки.
По (2.50) рассчитывается сопротивление провода катушки току высокой частоты
где D — наружный диаметр катушки в см,
d -диаметр провода в см.
Если однослойная катушка намотана проводом оптимального диаметра и параметр z >5, то сопротивление r f можно определить по формуле
где D — в см, d — в см, f ‘- в МГц.
Потери в диэлектрике обусловлены тем, что между соседними витками катушки существует емкость, имеющая две составляющих-емкость через воздух С ов и емкость через диэлектрик С од (рис.2.33).
Потери в диэлектрике учитываются величиной tg d , зная которую можно рассчитать сопротивление потерь
r Д = 0,25С од tg d L 2 f 3 . 10 -3
где С од — в пф, L — в мкГн, f — в МГц.
Потери в сердечнике складываются из потерь на вихревые токи d в , потерь на гистерезис d г и начальных потерь d п и учитываются как тангенс угла потерь в сердечнике
tg d с = d в f + d г Н + d п
В справочниках приводятся значения . tg d с для различных типов сердечников. Сопротивление потерь определяется по формуле
r c = tg d с w L
Потери в экране обусловлены тем, что ток, протекающий по катушке, индуцирует ток в экране. Потери, вносимые экраном, определяются по формуле
где D э — диаметр экрана в см,
l э — длина экрана в см,
f — частота в МГц.
Величина h = f(l/D) определяется по графику (рис.2.27).
Таким образом суммарное сопротивление потерь в катушке индуктивности, определяющее ее добротность, равно
R п = r f + r д +r c + r э
Практически величина добротности лежит в пределах от 30 до 200. Повышение добротности достигается оптимальным выбором диаметра провода, увеличением размеров катушки индуктивности и применением сердечников с высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями. С учетом потерь и паразитной емкости катушку индуктивности можно представить в виде эквивалент-
ной схемы (рис.2.34,а), где R п = r f + r д +r c + r э . эта схема может быть приведена к более удобному виду (рис.2.34,б), где L э -эквивалентная индуктивность, учитывающая собственную емкость. Величины. L э и R п , а следовательно, добротность Q = w L/ R п зависят от температуры. Зависимость Q от температуры определяется температурным коэффициентом добротности ТКД= D Q / Q D Т
2.3.5.Разновидности катушек индуктивности.
Контурные катушки индуктивности. Эти катушки используются совместно с конденсаторами для получения резонансных контуров. Они должны иметь высокую стабильность, точность и добротность. В диапазоне длинных и средних волн эти катушки многослойные, как правило, с намоткой типа «универсаль». Для повышения добротности применяют многожильные провода типа «литцендрат». Для изменения индуктивности применяют цилиндрические сердечники из альсифера или карбонильного железа.
В диапазоне коротких и ультракоротких волн используются однослойные катушки с индуктивностью порядка единиц микрогенри и добротностью порядка 50 — 100. Число витков таких катушек не превышает одного-двух десятков, диаметр каркаса 10 — 20 мм. В качестве каркасов используют керамику, полиэтилен и полистирол. Для уменьшения собственной емкости применяют ребристые каркасы. Обмотка выполняется одножильным медным проводом диаметром около 1 мм. На УКВ применяют бескаркасные катушки из неизолированного провода.
Катушки связи. Эти катушки применяются для обеспечения индуктивной связи между отдельными цепями и каскадами. Такая связь позволяет разделить по постоянному току цепи базы и коллектора и т.д.
К таким катушкам не предъявляются жесткие требования на добротность и точность, поэтому они выполняются из тонкого провода в виде двух обмоток небольших габаритов. Основными параметрами этих катушек являются индуктивность и коэффициент связи
где L 1 и L 2 — индуктивность связанных катушек,
М — взаимная индуктивность между ними. Величина коэффициента связи зависит от расстояния между катушками, чем оно меньше, тем больше k.
Вариометры. Это такие катушки, в которых предусмотрена возможность изменения индуктивности в процессе эксплуатации для перестройки колебательных контуров.
Они состоят из двух катушек, соединенных последовательно. Одна из катушек неподвижная (статор), другая располагается внутри первой и вращается (ротор). При изменении положения ротора относительно статора изменяется величина взаимоиндукции, а следовательно, индуктивность вариометра
L = L 1 + L 2 + 2М
Такая система позволяет изменять индуктивность в 4 — 5 раз.
Дроссели. Это катушки индуктивности, обладающие высоким сопротивлением переменному току и малым сопротивлением постоянному . Обычно включаются в цепях питания усилительных устройств. Предназначены для защиты источников питания от попадания в них высокочастотных сигналов. На низких частотах они используются в фильтрах цепей питания и обычно имеют металлические сердечники.
Катушки индуктивности для ГИС. На частотах порядка 10 — 100 МГц находят применение тонкопленочные спиральные катушки. На площади в 1 кв.см, располагается не более 10 витков. Добротность таких катушек не превышает 20-30. Поэтому они находят ограниченное применение. В ГИС предпочтительны миниатюрные торроидальные катушки на ферритовых сердечниках, индуктивность которых достигает десятков тысяч микрогенри.
В последнее время наметилась тенденция замены катушек специальными схемами на транзисторах (гираторы) и электромеханическими, пьезоэлектрическими и акустоэлектронными фильтрами, основанными на принципе механических упругих колебаний и механического резонанса. Скорость распространения упругих колебаний в твердом теле примерно в 100 тысяч раз меньше скорости распространения электромагнитных волн, что позволяет создавать очень компактные механические резонаторы с распределенными параметрами, обладающие добротностью порядка 10 3 . Развитие микроэлектроники привело к появлению фильтров на приборах с зарядовой связью и фильтров на поверхностных акустических волнах. Кроме того, в ИМС широкое применение находят активные RC — фильтры, в которых используются операционные усилители с глубокой частотно-зависимой обратной связью.
Закон электромагнитной индукции — формулы и определение с примерами
Вам уже известно, что электрический ток, или движущиеся заряды, создают в окружающем пространстве магнитное поле. А возможен ли обратный процесс, при котором с помощью магнитного поля в замкнутом проводнике будет создан электрический ток?
Именно такой вопрос заинтересовал выдающегося английского физика Майкла Фарадея, который в 1821 г. в своем дневнике поставил перед собой задачу: «Превратить магнетизм в электричество». Через 10 лет упорного труда эта задача была им успешно решена. В августе 1831 г. Фарадей сделал фундаментальное открытие в области электромагнитных явлений.
При проведении опытов Фарадей обнаружил, что при введении постоянного магнита в катушку (рис. 160, а) или при выведении из нее (рис. 160, б) стрелка гальванометра в цепи катушки отклонялась, т. е. в цепи возникал кратковременный электрический ток. Изменение направления движения магнита приводило к отклонению стрелки гальванометра в противоположную сторону (см. рис. 160).
Фарадей наблюдал возникновение индукционного тока в цепи исследуемой катушки 1 не только при перемещении постоянного магнита, но и в том случае, если замыкали (размыкали) ключ в цепи, содержащей катушку 2, расположенную внутри катушки 1 (рис. 161 ).
Индукционный ток возникал в катушке 1 также при перемещении контура с током 2 в непосредственной близости от исследуемой катушки.
Таким образом, в результате серии экспериментов Фарадей установил, что возникновение индукционного тока в замкнутом контуре достигается при изменении магнитного потока через него.
Явление возникновения ЭДС индукции при изменении магнитного потока через площадь, ограниченную контуром, называется явлением электромагнитной индукции.
Эксперименты Фарадея позволили установить закон электромагнитной индукции (закон Фарадея), количественно определяющий ЭДС индукции в контуре:
Как видно из приведенного соотношения, ЭДС индукции не зависит от материала проводника, его сопротивления, температуры и от носителей тока, а определяется только характером изменения магнитного поля.
Максвелл в 1873 г. дал современную формулировку закона электромагнитной индукции:
Покажем, что если бы правило Ленца не выполнялось, то взаимодействие индукционного тока с внешними полями приводило бы к неограниченному росту энергии системы без подвода ее извне, т. е. к нарушению закона сохранения энергии.
Определение потерь мощности в импульсных источниках питания — Компоненты и технологии
Закон электромагнитной индукции
Явление электромагнитной индукции открыл в 1831 г. английский физик М. Фарадей и на основе этого открытия сформулировал один из важнейших физических законов — закон электромагнитной индукции.
Явление электромагнитной индукции можно продемонстрировать следующими опытами. Внутрь цилиндрической катушки, концы которой соединены с гальванометром, с определенной скоростью вводится постоянный магнит. Стрелка гальванометра отклоняется, обнаруживая электрический ток в катушке (рис. 10.1, а). При удалении магнита от катушки стрелка гальванометра отклоняется в обратную сторону.
Гальванометр обнаруживает ток в катушке, если перемещать ее относительно другой катушки с током, которую назовем первичной (рис. 10.1, б). На рис. 10.1, в показаны две катушки, расположенные на одном сердечнике. Одна из них присоединена к источнику электрической энергии через ключ, вторая замкнута через гальванометр.
Электрические катушки между собой не связаны, но при замыкании ключа наблюдается отклонение стрелки гальванометра в одну сторону, при размыкании — в другую.
Возбуждение электродвижущей силы в контуре при изменении потокосцепления этого контура называется электромагнитной индукцией.
Преобразование энергии из одного вида в другой посредством магнитного поля или изменение энергии поля количественно определяются через абсолютное значение изменения потокосцепления. Явление электромагнитной индукции, сопровождающее эти процессы, связано со скоростью изменения потокосцепления.
Закон электромагнитной индукции устанавливает количественное выражение для индуктированной э. д. с.
Таким образом, э. д. с. катушки определяется скоростью изменения ее общего потокосцепления и общая формула закона электромагнитной индукции имеет вид
В 1833 г. проф. Петербургского университета Э. X. Ленц установил общее правило для определения направления индуктированного тока и электромагнитных сил, возникающих в результате взаимодействия магнитного поля с индуктированным током.
Если магнитный поток, сцепленный с проводящим замкнутым контуром, изменяется, в контуре возникают явления электрического и механического характера, препятствующие изменению магнитного потока.
Правило Ленца отражает проявления электромагнитной инерции в системах контуров с токами. Этому правилу соответствует знак минус в формулах, выражающих закон электромагнитной индукции [см. (10.1) — (10.3)], если принять положительными направления магнитного потока и индуктированной в контуре э.д.с., удовлетворяющие правилу правого буравчика (рис. 10.2, а).
Применение элементов высшей математики при решении задач с физическим содержанием
Однако, сравнительный анализ различных способов решения заданий, а также умение использовать изученный в курсе алгебры и начал анализа математический аппарат, безусловно пригодятся выпускникам средней школы для продолжения образования в стенах высшей.
Кроме того, весьма важно установление четкой связи в умах учеников между различными ветвями познания окружающего мира, их взаимодополняющего влияния на точность и четкость воссоздаваемой картины реальности. Я полагаю, что задумываться об этом человек должен как можно раньше, для того чтобы в будущей деятельности плодотворно заниматься творческой исследовательской работой.
Для начала рассмотрим задачу №1, предлагавшуюся на вступительных экзаменах в МФТИ , так как её результаты можно будет использовать при решении последующих задач.
Задача 1. В цепи, изображенной на рис.1 , при разомкнутом ключе К заряд на конденсаторе с емкостью С2 (С2=С1/3) равен q2, а конденсатор с емкостью С1 не заряжен. Через какое время после замыкания ключа заряд на конденсаторе С1 будет иметь максимальное значение? Чему будет равен этот заряд? Омическими потерями в катушке с индуктивностью L пренебречь.
Обозначим буквами М, N, F соответствующие точки схемы. Изначально на левой пластине конденсатора С2 был заряд q20, на правой — (-q20).По закону сохранения заряда сумма зарядов на левой пластине конденсатора С2 правой пластине конденсатора С1 остается постоянной, так как заряды в эту часть схемы извне не поступают q1+q2=q20.
j M-j N=q1/C1; (1) j N-j F=q2/C2 (2). Выберем направление тока в цепи против часовой стрелки, при этом заряд q2 должен уменьшаться.
Падение напряжения на катушке индуктивности IR=j M-j F+e сам. инд. По закону электромагнитной индукции e cам.инд=Так как активное сопротивление катушки индуктивности равно 0, то j M-j FСкладывая уравнения (1) и (2),получим j M-j F=q1/C1+q2/C2. Подставляя данное соотношение в (3), мы получим уравнение (4), справедливое для любого момента времени:
q1/C1+q2/C2— Продифференцируем это уравнение по времени, получим:
учитывая, что мы приходим к дифференциальному уравнению которое является уравнением гармонических колебаний.
Общее решение этого уравнения I(t) = Imax sin(w t+j ), где w 2 =.
Инерционной частью в данной модели являются заряды на конденсаторах q1 и q2, которые не могут измениться мгновенно из-за наличия индуктивности в цепи.
В момент замыкания ключа j M=j N, так как конденсатор C1 не заряжен.