Inductor

Inductor
Unele tipuri de inductori. Cel de sus și cel de jos al centrului sunt inductori toroidali.
Tip	Pasiv
Principiul de funcționare	Inductie electromagnetica
Prima producție	Michael Faraday (1831)
Simbol electric

Vezi: componentă electronică
Manual

Inductorul este o componentă electrică care generează un câmp magnetic atunci când curge curent electric ( direct sau alternativ sau impulsiv).

În teoria circuitelor , inductorul este o componentă ideală (a cărei dimensiune fizică este inductanța ) în care toată energia electrică absorbită este stocată în câmpul magnetic produs. Inductoarele reale, realizate cu o înfășurare a unui fir conductor, au, de asemenea, fenomene disipative și capacitive, care trebuie luate în considerare.

Mai mult decât atât, în circuite în permanent regim sinusoidal , inductor determină o diferență de fază de 90 de grade între tensiunea aplicată și curentul care curge prin ea: în special, în aceste condiții de funcționare, curentul care trece printr - o bobină ideală este defazată întârziată. cu un sfert de perioadă în ceea ce privește tensiunea aplicată terminalelor sale.

Inductoarele sunt utilizate într-o varietate de dispozitive electrice și electronice, inclusiv transformatoare și motoare electrice , precum și într-o varietate de circuite de curent alternativ de înaltă frecvență.

Fizica inductorului

Diferite tipuri de inductoare mici

Realizare

Un inductor constă dintr-o înfășurare a materialului conductor , de obicei sârmă de cupru , acoperită cu o peliculă izolatoare subțire. În practică, un inductor poate fi presupus ca un solenoid . Pentru a crește inductanța , este adesea folosit pentru a efectua înfășurarea pe un miez de material cu permeabilitate magnetică ridicată (de exemplu, ferite ). Un inductor poate fi de asemenea introdus într-un circuit integrat . În acest caz, aluminiul este utilizat în mod obișnuit ca material conductor. Cu toate acestea, este rar ca un inductor să fie introdus într-un circuit integrat: limitările practice fac mult mai obișnuită utilizarea unui circuit numit " girator ", care utilizează un condensator pentru a simula comportamentul unui inductor. Inductoarele mici utilizate pentru frecvențe foarte mari sunt uneori realizate cu un fir simplu care trece printr-un cilindru sau o margine (inel mic) de ferită.

Inductanţă

Pentru a înțelege conceptul de autoinducție, a cărui inductanță este coeficientul său, este necesar să se ia în considerare o buclă circulară traversată de un anumit curent I, bobina, ca orice circuit de conducere a curentului, conform legii elementare a lui Laplace, este o sursă de magnetice. camp. Aceeași rotație, sursă a câmpului magnetic B, este afectată de fluxul de B legat de circuit. Prin urmare, se numește flux magnetic auto-indus, deoarece este generat și perceput de circuitul conductor în sine. Inductanța este numită și coeficient de autoinducție. Inductorul este elementul fizic, iar cantitatea sa fizică se numește inductanță . Desigur, firul de cupru are o rezistență electrică , în special la frecvențe înalte ( efect de piele ) și există o cuplare capacitivă între virajele vecine. Mai mult, trebuie luate în considerare pierderile din miezul magnetic care pot fi introduse. Acestea și alte fenomene parazitare (parazite pentru că nedorite) diferențiază inductorul real de inductorul ideal. Adesea, în practică, inductorul este numit prin cantitatea sa fizică (inductanță).

Putere

Energia stocată în inductor (măsurată în Jouli în SI ) este egală cu cantitatea de muncă necesară pentru a obține curentul care curge în el și, astfel, pentru a genera câmpul magnetic. Aceasta este dată de:

E_{\mathrm {induttore} }=W={1 \over 2}LI^{2}

{\ displaystyle E _ {\ mathrm {inductor}} = W = {1 \ peste 2} LI ^ {2}}

E_ \ mathrm {inductor} = W = {1 \ over 2} L I ^ 2

unde I este curentul care curge în inductor și L inductanța. În schimb, W corespunde energiei stocate în inductor și se exprimă și cu această literă a alfabetului.

Circuite electrice

Inductor de precizie pentru experimente de fizică

Un inductor se opune doar schimbărilor de curent. Dacă ar fi ideal, nu ar avea rezistență la curent continuu , cu excepția momentului când este activat și când este îndepărtat (în aceste fenomene tranzitorii inductorul tinde să amortizeze variațiile curentului). Însă adevăratul inductor are o rezistență electrică diferită de zero și, prin urmare, circuitul în care este inserat cheltuiește, de asemenea, energie pentru a menține un curent constant care nu variază câmpul magnetic creat, dar disipează în rezistența prezentată de firul de cupru. În general, neglijând fenomenele parazitare (rezistență și capacitate ), relația dintre tensiunea aplicată la extremele inductorului cu inductanța L și curentul i (t) care variază în timp și curge în inductor este descrisă prin ecuația diferențială :

v(t)=L{\frac {di(t)}{dt}}

{\ displaystyle v (t) = L {\ frac {di (t)} {dt}}}

v (t) = L \ frac {di (t)} {dt}

rezultă că, dacă un curent care variază în timp, cum ar fi un curent alternativ sinusoidal , curge în inductor, o tensiune variabilă în timp ( alternantă în cazul curentului alternativ) sau o forță electromotivă (abr. fem) este indusă de-a lungul inductorului însuși . Această relație poate fi dedusă din ecuațiile de bază ale electromagnetismului având în vedere fenomenele de inducție electromagnetică ( legea Faraday-Neumann-Lenz ) și relația constitutivă a câmpului magnetic produs de un solenoid. De fapt, fiind câmpul magnetic B produs de un solenoid :

$B=\mu \cdot {\frac {N}{\ell }}\cdot I$ ${\ displaystyle B = \ mu \ cdot {\ frac {N} {\ ell}} \ cdot I}$ $B = \ mu \ cdot \ frac {N} {\ ell} \ cdot I$

(cu N număr de spire, ℓ lungimea solenoidului, μ permeabilitatea magnetică a mediului plasat în interiorul solenoidului și I intensitatea curentului care circulă prin el) dacă curentul I care curge în solenoid / inductor este variabil în timp, de asemenea, B va să fie variabilă în timp. Deoarece B este variabil în timp, se produce o variație a fluxului câmpului magnetic concatenat cu solenoidul în sine, care produce, conform legii Faraday-Neummann-Lenz , un emf auto-indus de-a lungul inductorului. Această diferență de potențial indusă se opune, conform legii lui Lenz, cauzei care a generat-o sau curentului variabil care curge inițial pe inductor (deci printr-un curent de semn opus) de la care opoziția inductorului cu variațiile de curent acesta este motivul pentru care dioda volantului este conectată la capetele inductorului atunci când doriți să eliminați componenta reziduală a semnului opus, de fapt energia electrică inițială pierdută este stocată sub forma energiei câmpului magnetic în solenoid / inductor și apoi eliberat din nou sub formă de energie electrică (curent) cu semn opus încetării alimentării electrice a inductorului, de unde și adjectivul elementului „reactiv” referitor la această componentă.

Amplitudinea emf este corelată cu intensitatea curentului și cu frecvența sinusoidelor prin următoarea ecuație:

V=I\times \omega L

{\ displaystyle V = I \ times \ omega L}

V = I \ times \ omega L

unde ω este pulsația sinusoidului legată de frecvența f prin:

\omega =2\pi f

{\ displaystyle \ omega = 2 \ pi f}

\ omega = 2 \ pi f

Se definește reactanța inductivă (dimensională egală cu rezistența și reactanța capacitivă):

\mathbf {X} _{L}=\omega L=2\pi fL

{\ displaystyle \ mathbf {X} _ {L} = \ omega L = 2 \ pi fL}

{\ displaystyle \ mathbf {X} _ {L} = \ omega L = 2 \ pi fL}

unde X _L este reactanța inductivă, ω este pulsația, f este frecvența în hertz și L este inductanța.

Reactanța inductivă este componenta imaginară pozitivă a impedanței . Impedanța complexă a unui inductor este dată de:

\mathbf {Z} =j\omega L=j2\pi fL

{\ displaystyle \ mathbf {Z} = j \ omega L = j2 \ pi fL}

{\ displaystyle \ mathbf {Z} = j \ omega L = j2 \ pi fL}

unde j este unitatea imaginară .

Cu excepția cazului în care fenomenele parazitare, cum ar fi disipările prezente în cazuri reale, inductorul ideal, au deci o impedanță pur imaginară egală cu reactanța sa, indicând cu el capacitatea sa de a stoca energia magnetică.

Rețele inductoare

Dacă există mai mulți inductori în paralel, presupunând că inducția reciprocă dintre ei este neglijabilă, aceștia sunt echivalenți cu un singur inductor cu inductanță echivalentă ( L _eq ):

{\frac {1}{L_{\mathrm {eq} }}}={\frac {1}{L_{1}}}+{\frac {1}{L_{2}}}+\cdots +{\frac {1}{L_{n}}}

{\ displaystyle {\ frac {1} {L _ {\ mathrm {eq}}}} = {\ frac {1} {L_ {1}}} + {\ frac {1} {L_ {2}}} + \ cdots + {\ frac {1} {L_ {n}}}}

\ frac {1} {L_ \ mathrm {eq}} = \ frac {1} {L_1} + \ frac {1} {L_2} + \ cdots + \ frac {1} {L_n}

De fapt, curentul care este injectat în această rețea este distribuit între diferiți inductori în așa fel încât produsele inductanțelor lor pentru curenții care trec prin ele sunt egale. Acest lucru se datorează faptului că, dacă curentul injectat variază în timp, diferența de potențial între diferiți inductori trebuie să fie egală.

Dacă luăm în considerare inductoarele în serie, curentul care curge prin ele este același, dacă inducția lor reciprocă este neglijabilă, fluxul legat de setul de inductori este egal cu suma fluxului legat de fiecare element unic.

Urmează:

L_{\mathrm {eq} }=L_{1}+L_{2}+\cdots +L_{n}\,\!

{\ displaystyle L _ {\ mathrm {eq}} = L_ {1} + L_ {2} + \ cdots + L_ {n} \, \!}

L_ \ mathrm {eq} = L_1 + L_2 + \ cdots + L_n \, \!

Aplicații

Un inductor seamănă cu un electromagnet în structură, dar este utilizat în alt scop: stocarea energiei într-un câmp magnetic.

O aplicație foarte obișnuită este în sursele de comutare (de exemplu: sursele de alimentare pentru computer ) care, în comparație cu sursele de alimentare liniare tradiționale, au o eficiență mai mare.

Datorită capacității lor de a modifica semnalele de curent alternativ, inductoarele sunt utilizate în electronica analogică și în procesarea semnalelor electrice, inclusiv transmisiile prin aer.

Deoarece reactanța inductivă X _{L se} modifică cu frecvența, un filtru electronic poate folosi inductoare împreună cu condensatori și alte componente pentru a filtra părți specifice ale spectrului de frecvență al unui semnal. Doi sau mai mulți inductori (cu câmpul magnetic în comun) constituie un transformator utilizat în mod obișnuit atât în echipamente electronice, cât și în electrotehnică .

Factorul Q

Un inductor ideal nu prezintă fenomene disipative: energia stocată în câmpul magnetic este returnată în totalitate. Într-un inductor real, curentul curge printr-un fir conductor, cu propria sa rezistență, și generează un câmp magnetic care traversează miezul (dacă este prezent) și orice alte obiecte din apropiere (scuturi sau altele). Rezistența firului la frecvențe ridicate crește datorită efectului pielii , aproximativ proporțional cu rădăcina pătrată a frecvenței. Miezul și orice materiale magnetice din apropiere au o histerezis care are ca rezultat pierderi proporționale cu frecvența și curenții turbionari proporționali cu pătratul frecvenței. Dacă materialele învecinate sunt conductoare, vom avea doar pierderi de curgere turbionară (proporționale cu pătratul curentului). Toate acestea sunt indicate de un factor de calitate Q (în limba engleză: factor Q ):

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

{\ displaystyle Q = {\ frac {\ omega {} L} {R}}}

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

Cu cât valoarea este mai mare, cu atât este mai bună eficiența inductorului. În practică, este o funcție destul de complexă a frecvenței (frecvența apare în numărător în ω, pulsația, dar rezistența R care apare în numitor este, așa cum s-a menționat, puternic legată de aceasta). Inductorul trebuie ales în corespondență cu maximul acestei funcții. În toate acestea, fenomenele de saturație (curent prea intens) care provoacă o prăbușire a inductanței și, prin urmare, a factorului Q nu au fost luate în considerare și care trebuie de asemenea luate în considerare la alegerea inductorului.

Formule pentru calcularea inductanței

1. Solenoid cu miez magnetic închis:

L={\frac {N^{2}}{R_{B}}}={\frac {\mu N^{2}A}{l}}

{\ displaystyle L = {\ frac {N ^ {2}} {R_ {B}}} = {\ frac {\ mu N ^ {2} A} {l}}}

L = \ frac {N ^ 2} {R_B} = \ frac {\ mu N ^ 2A} {l}

R _B : reticență totală

μ : Permeabilitatea magnetică absolută a miezului

N : numărul de ture

A : zona secțiunii miezului magnetic

l : lungimea miezului

2. Sârmă conductoare drepte în aer:

L=2l\;10^{-6}\left(\ln {\frac {4l}{d}}-1\right)

{\ displaystyle L = 2l \; 10 ^ {- 6} \ left (\ ln {\ frac {4l} {d}} - 1 \ right)}

{\ displaystyle L = 2l \; 10 ^ {- 6} \ left (\ ln {\ frac {4l} {d}} - 1 \ right)}

l = lungimea conductorului

d = diametrul conductorului

Deci, dacă un conductor lung de 10 mm cu un diametru de 1 mm are o inductanță de aproximativ 5,38 nH, același fir lung de 100 mm are o inductanță de 100 nH.

3. Solenoid cilindric scurt, fără miez magnetic:

L=\mu 10^{-6}{\frac {r^{2}N^{2}}{90r+10l}}

{\ displaystyle L = \ mu 10 ^ {- 6} {\ frac {r ^ {2} N ^ {2}} {90r + 10l}}}

L = \ mu 10 ^ {- 6} \ frac {r ^ 2N ^ 2} {90r + 10l}

(este disponibil un calculator online . A se vedea nota: ^[1] )

r = raza exterioară a înfășurării în inci

l = lungimea înfășurării în inci

N = numărul de ture

4. Inductor cilindric multistrat în aer (fără miez magnetic):

L=\mu {\frac {0{,}0008\;r^{2}N^{2}}{6r+9l+10d}}

{\ displaystyle L = \ mu {\ frac {0 {,} 0008 \; r ^ {2} N ^ {2}} {6r + 9l + 10d}}}

L = \ mu \ frac {0 {,} 0008 \; r ^ 2N ^ 2} {6r + 9l + 10d}

r = raza medie de înfășurare în inci

l = lungimea înfășurărilor în inci

N = numărul de ture

d = grosimea înfășurărilor (adică raza exterioară minus raza interioară)

5. Fir spiral plat fără miez magnetic:

L={\frac {r^{2}N^{2}}{(2r+2{,}8\;d)\times 10^{5}}}

{\ displaystyle L = {\ frac {r ^ {2} N ^ {2}} {(2r + 2 {,} 8 \; d) \ times 10 ^ {5}}}}

L = \ frac {r ^ 2N ^ 2} {(2r + 2 {,} 8 \; d) \ times 10 ^ 5}

r = raza medie a spiralei

N = numărul de ture

d = grosimea înfășurării (adică raza exterioară minus raza interioară)

Prin urmare, o înfășurare spirală de 8 spire, raza medie de 25 mm și grosimea de 10 mm ar trebui să aibă o inductanță de 5,13 µH.

6. Inductanța unei înfășurări pe un material magnetic de formă toroidală (secțiune circulară) a cărui permeabilitate magnetică relativă este cunoscută $\mu _{r}$ ${\ displaystyle \ mu _ {r}}$ $\ mu_r$ :

L=\mu {\frac {N^{2}r^{2}}{D}}

{\ displaystyle L = \ mu {\ frac {N ^ {2} r ^ {2}} {D}}}

L = \ mu \ frac {N ^ 2r ^ 2} {D}

μ = permeabilitatea absolută a miezului magnetic

N = numărul de ture

r = raza înfășurării

D = diametrul total al toroidului

Formulele de mai sus dau rezultate aproximative (în special a doua, cea a unui fir drept). Cel mai precis este al șaselea care se referă la un inductor toroidal .

Trebuie remarcat faptul că, în înfășurări circulare, inductanța este proporțională cu pătratul numărului de ture. Acest lucru este util în practică deoarece, odată ce se cunoaște inductanța și numărul de ture ale unui inductor, inductanța acestuia poate fi ușor modificată prin variația numărului de ture cu o precizie rezonabilă.

Istorie

În 1885 , William Stanley, Jr. a realizat primul inductor bazat pe o idee a lui Lucien Gaulard și John Gibbs . El a fost precursorul transformatorului modern.

Galerie de imagini

Imagini ale inductoarelor plăcii de circuite imprimate :

Inductor pentru circuit imprimat
Vedere explodată a aceluiași inductor
Inductor pentru circuitul tipărit cu rotațiile făcute pe circuitul tipărit în sine
Vedere explodată a aceluiași inductor

Diferite forme de miezuri magnetice pentru inductanțe (imagini realizate de computer):

Nucleul C
Core U
Nucleul E
Nucleul ER
Miez EFD
Miezul toroidal
Nucleul EP
Nucleul RMN

Notă

^ Calculator online pentru inductor (atât în inci, cât și în centimetri). 66pacific.com Resurse pentru oamenii de știință amatori

Elemente conexe

Alte proiecte

Wikționarul conține lema dicționarului „ inductor ”
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre inductor

linkuri externe

[1]

Controlul autorității	Tezaur BNCF 24537 · LCCN (EN) sh85041716 · GND (DE) 4182601-2

Portalul fizicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu fizica

[1] Calculator online pentru inductor (atât în inci, cât și în centimetri). 66pacific.com Resurse pentru oamenii de știință amatori

[1]

V · D · M Componente electronice și electrice
Dispozitiv semiconductor	Circuit integrat · CMOS · Diodă ( avalanșă · DIAC · PIN · Schottky · Varicaps · LED · Triac · Zener ) · dispozitiv multiport · FET · Un fotodetector (SCR) · JFET · memristor · MOSFET ( putere ) · Transistor ( Tiristor · Transistor bipolar de joncțiune (BJT) · Tranzistor Darlington · tranzistor bipolar cu poartă izolată · Unistor de tranzistor
Regulator de voltaj	Convertor Boost · dolar Convertor · convertor Buck-boost · Convertor Cuk · Convertor Sepic · pompa de încărcare · regulator liniar
Tub de vid	Fotomultiplicator · Tub Foto · Gyrotron · clistron · magnetron · Maser · Nuvistor · tetroda · Călătorind tub val · tub Williams
Tub cu raze catodice (CRT)	Iconoscop · Monoscopio · Magic Eye · Cameră tub
Conductă de gaz plină	Cu catod rece lămpi fluorescente (CCFL) · Crossatron · Dekatron · GM · ignitrons · krytron · Lampa neon · Nixie · Rectifier mercur · tiratronice · Trigatron
Dispozitiv pasiv	Conectori (conector electric · Conectori RF ) · Cablu electric · Sârmă · Întrerupător de circuit · întrerupător · Potențiometru · Rezistor · termistor · Transformator · Varistor
Reactanţă	Condensator · Inductor · Comutator cu mercur · Oscilator de cristal · Releu