Индуктивное сопротивление катушки индуктивности

Кроме широко известного активного сопротивления в цепи электрического тока могут присутствовать и другие, например, индуктивное сопротивление, а также емкостное.

Все три вида сопротивления названы сопротивлениями, поскольку оказывают противодействие электрическому току, но каждый делает это по-своему. В этой статье рассмотрим не только как появляется индуктивное сопротивление, но и что это такое и как оно используется.

Что такое индуктивное сопротивление

Само понятие индуктивного сопротивления встречается в полном сопротивлении переменной сети. Объясняется тем, что как такового индуктивного сопротивления в природе не существует. Есть индуктивность, которая никак не связана с резистивным сопротивлением. Вот в это нужно разобраться.

Индуктивность – это электрическая инертность, возникающая в замкнутой цепи при прохождении электрического тока. Для примера, чтобы машина, идущая на какой-то скорости, могла остановиться, ей нужно время и место для тормозов. Что-то подобное происходит с индуктивностью.

Почему тогда используют понятие индуктивное сопротивление? При изменении направления или величины тока, магнитное поле, окутывающее проводник, по которому течет ток, своим влиянием мешает производить указанные изменения.

Его действие сопоставимо действию резистивного сопротивления, то есть, в каких-то случаях они могут быть похожи.

В каких элементах возникает

Поскольку индуктивность – составляющая электрического тока, то она возникает в любых проводниках, по которым проходит переменный электрический ток. Особо выражено это в замкнутых контурах с сердечником из магнитопровода. Некоторая паразитная индуктивность присутствует в печатных платах и даже в микросхемах.

Катушка индуктивности

Самым распространенным элементом, обладающим индуктивностью, является катушка индуктивности. Что она из себя представляет? Как правило, для намотки используют каркас из диэлектрического материала. Он может быть круглый, прямоугольный или квадратный.

Если диаметр провода большой, а число витков незначительно, то можно обойтись и без каркаса. Несколько слов о самой намотке, она может быть:

  • однослойной или многослойной;
  • провод может быть одножильным или многожильным;
  • есть несколько способов намотки (внавал, универсал и подобные);
  • сами секции нередко делают раздельными;
  • для увеличения индуктивного сопротивления катушки индуктивности добавляют ферромагнитный сердечник, который перемещается внутри корпуса
  • относительно катушки, оказывая влияние на магнитное поле;
  • чтобы индуктивность понизить, используют диамагнитный сердечник.

От чего зависит индуктивное сопротивление

Прежде чем ответить на поставленный вопрос, следует отметить, чем отличается активное и индуктивное сопротивление. При включении в постоянную цепь активного сопротивления произойдет изменение величины тока на этом участке.

На самом сопротивлении появится некое напряжение, свидетельствующее о наличии ограничения тока. Такое положение вещей будет сохраняться при включении и выключении питания.

Совсем иначе происходит при замене резистора на катушку индуктивности. При включении питания на катушке будет наблюдаться падение напряжения, свидетельствующее о затруднительном проходе тока. Через какое-то время падение напряжения снизится практически до нуля, что говорит о беспрепятственном проходе тока.

индуктивное сопротивление катушки

Ограничение может быть связано только с некоторым активным сопротивлением провода катушки. Такое состояние будет продолжаться до тех пор, пока питание не отключат. На катушке вновь появится напряжение, но обратное напряжению питания. Причем это напряжение может значительно превышать питающее напряжение.

Первое, от чего зависит индуктивное сопротивление, - частота изменения величины или направления тока. Второе – величина индуктивности самой катушки.

Отличие между индуктивным сопротивлением и обычным активным (омическим) заключается в том что при прохождении через катушку переменного тока в ней не происходит потеря мощности. Для постоянного тока индуктивное сопротивление равно нулю.

Вокруг точечного заряда всегда присутствует электромагнитное поле. При движении заряда, поле также перемещается. Причем это поле имеет свою инерционность, заставляя заряд двигаться прямолинейно. Чем больше зарядов скапливается, тем большую силу обретает поле. Так в одиночном проводнике сила поля будет одна, а скрученном в катушку проводе это электромагнитное поле будет намного сильнее.

В каких единицах измеряется

Впервые индуктивность была вычислена американским ученым-физиком Джоном Генри и была названа в его честь – Генри, сокращенно Гн. Диапазон индуктивности очень широк, в приведенной ниже таблице видно, какие производные существуют:

Кратные Дольные
Величина Название Обозначение Величина Название Обозначение
101 декагенри даГн daH 10-1 децигенри дГн dГн
102 гектогенри гГн hH 10-2 сантигенри сГн cГн
103 килогенри кГн kH 10-3 миллигенри мГн mГн
106 мегагенри МГн MH 10-6 микрогенри мкГн µГн
109 гигагенри ГГн GH 10-9 наногенри нГн nГн
1012 терагенри ТГн TH 10-12 пикогенри пГн pГн
1015 петагенри ПГн PH 10-15 фемтогенри фГн fГн
1018 эксагенри ЭГн EH 10-18 аттогенри аГн aГн
1021 зеттагенри ЗГн ZH 10-21 зептогенри зГн zГн
1024 иоттагенри ИГн YH 10-24 иоктогенри иГн yГн

Первые две строчки производных в каждой части таблицы применять не рекомендуют, указывают либо в десятых или сотых долях генри, либо десятках и сотнях. В СИ используется указанное обозначение в других системах, таких как СГМС обозначение может отсутствовать, либо применяется статгенри ≈ 8,987552⋅1011 или абгенри.

Индуктивность, L - измеряется в Генри (Гн). Индуктивное сопротивление XL - измеряется в Омах (Ом)

Формула индуктивного сопротивления

Как на практике можно определить индуктивность. Вспомним, индуктивность – это, говоря упрощенно, связь между электрическим зарядом и скоростью его движения. Чтобы получить индуктивность равную 1 Гн, необходимо менять скорость тока в секунду так, чтобы создаваемая самоиндукция ЭДС была равна 1В.

формула индуктивного сопротивления

Формула индуктивного сопротивления для синусоидального тока выглядит так XL = ω•L = 2•π•f•L, где XLиндуктивное сопротивление в Ом, ω – угловая частота, L – индуктивность катушки в Гн, f – частота тока в Гц.

Сопротивление катушки переменному току

Как видно из последней формулы, индуктивное сопротивление напрямую связано с индуктивностью и частотой. Кроме того, оказывают влияние следующие факторы:

  • число витков в катушке;
  • их способ намотки;
  • наличие или отсутствие сердечника, а также материал, из которого он сделан;
  • наличие других магнитных полей;
  • температура окружающей среды.

Как видно из определения, к переменному относится не только меняющийся по направлению ток. Это может быть однонаправленный ток с переменной составляющей, например, пульсирующий или импульсный. Только приняв во внимание все составляющие, влияющие на потокосцепление, можно определить точное значение сопротивление катушки индуктивности.

Расчёт индуктивного сопротивления катушки

Как видно из вышеперечисленного расчет сопротивления производится очень сложно. Порой теоретически даже невозможно точно произвести расчет из-за различных помех, создаваемых как самим устройством, так и расположенных рядом. Самый простой способ, помогающий определить индуктивное сопротивление определенной цепи – замерить проходящий через цепь ток и напряжение на концах цепи.

катушка индуктивности

Однако полученный результат будет справедлив только для этой ситуации и условий, наблюдавшихся во время замера. Обычно нечасто требуется знать точное индуктивное сопротивление, а только при проекте и отладке некоторых систем. При замене катушек индуктивности существуют различные инструкции, помогающие без дополнительных расчетов определять индуктивное сопротивление. Кроме того, регулировочные элементы помогают добиваться необходимых показателей.

Где применяется катушка индуктивности

Свойства индуктивной катушки своеобразные, небольшая доработка добавляет ей новые свойства, что делает ее весьма востребованной. Рассмотрим лишь некоторые области, где она с успехом нашла свое применение:

  1. 1. Конечно, это сама электротехника. Сочетания катушки с резистором или конденсатором делает ее способной задерживать или пропускать определенные частоты.
  2. 2. В импульсной технике катушка индуктивности выступает в качестве накопителя энергии.
  3. 3. Соединенные определенным образом катушки образуют различные по назначению трансформаторы.
  4. 4. Катушка индуктивности дает возможность повышать напряжение постоянного тока.
  5. 5. Электромагнит – еще одно применение катушки.
  6. 6. Используются для выплавки металла в доменных печах.
  7. 7. Особенно в старых приемниках катушка часто выступала в качестве антенны.
  8. 8. Современные индукционные плиты никак не могут работать без катушки индуктивности.
  9. 9. Если сердечник катушки соединить с подвижным механизмом – получится отличный датчик движения.
  10. 10. Индукционные магнитометры имеют основным элементом катушку индуктивности.
  11. 11. Для ускорения частиц в лабораториях также применяют своеобразную катушку.
  12. 12. Специальные накопителя энергии не могут обойтись без этого элемента.

Это лишь основные области применения, но уже по этому списку видно, что катушка – хороший труженик. Рассмотрим некоторые области применения более подробно.

Катушка как электромагнит

Для получения электромагнита используют сердечник из магнитомягкого материала. Для этого подходят:

  • металлы: сталь, чугун;
  • сплавы железа с никелем или кобальтом.
Интересно. Если магнитопровод сделать цельным, тогда у него будут большие потери, поэтому его собирают из отдельных листов.

Электромагниты могут работать как от постоянного, так и переменного тока. Причем электромагнит постоянного тока может быть нейтральным, когда притягивающая сила образуется независимо от направления движения тока, и поляризованным. В этом случае используется две обмотки: основная и поляризующая. Основная создает магнитный поток, а вторая направляет его в нужном направлении.

Электромагниты, работающие на переменном токе, вырабатывают переменное магнитное поле, но на сердечник оно действует в одном направлении. Однако сила притяжения меняется от нуля до максимума. Частота притяжения вдвое выше частоты тока.

Катушка как источник ЭДС

Эта особенность используется в индукционных плитах. Катушка, расположенная прямо под плитой, при работе создает вокруг себя электромагнитные волны. Эти волны, воздействуя на материал кухонной посуды, нагревают ее. Причем сама плита остается достаточно холодной, нагревается лишь от самой посуды. Такие плиты перестают работать, если посуды на ней нет, что делает их безопасными в пожарном отношении.

от чего зависит индуктивное сопротивление

Более мощные устройства используются на сталелитейных заводах. Доменную печь делают круглой и обвивают ее толстыми, обычно медными проводами. Когда по проводу пропускают ток большой мощности и частоты, создается мощное электромагнитное поле, воздействующее на металл, находящийся в печи. От действия этого поля металл нагревается и плавится.

Это же устройство, но меньшего размера используется, когда необходимо нагреть небольшой кусок металла, например, для ковки.

Катушки индуктивности в качестве трансформатора

В первых двух вариантах обычно используется одна катушка, но если соединить две и более катушки и по одной из них пропустить ток, то получится интересный момент. В этой катушке появится наведенная ЭДС. Она окутает все находящиеся в ее поле другие катушки и в них появится ток. Но это еще не все.

Регулируя число витков в других катушках, можно подобрать необходимое напряжение. То есть, число витков может увеличивать или уменьшать напряжение относительно напряжения, проходящего по рабочей катушке. Чтобы такая передача была более продуктивной, используют один из видов сердечника:

  • стержневой;
  • броневой;
  • тороидальный.

Конструкция сердечника особого влияния на трансформатор не оказывает, это больше предпочтение производителя. Осталось рассмотреть еще одну удивительную особенность катушки индуктивности – способность генерации.

Катушка индуктивности — элемент колебательного контура

Вспомним, что произойдет, если катушку, по которой идет ток, обесточить? На ее концах сразу начнет расти напряжение. Если параллельно катушке подключить конденсатор, то он будет забирать избыток заряда, а затем начнет разряжаться через катушку.

Другими словами, конденсатор станет источником тока. По катушке пойдет обратный ток, но когда конденсатор разрядится, ток по катушке все равно будет идти какое-то время, перезаряжая конденсатор.

Это похоже на детские качели. Если их раскачать и отойти, то они под действием инерции будут какое-то время продолжать качаться. «Раскачка» колебательного контура осуществляется за счет источника питания, а когда контур войдет в резонанс, то есть индуктивная и емкостная составляющие начнут работать слаженно, то реактивное сопротивление станет равно нулю.

Еще это называют полосой пропускания. Такое свойство часто используется в фильтрах частот.

Это лишь некоторые особенности, связанные с индуктивностью, но этого достаточно, чтобы понять – индуктивность – одна из многогранных особенностей электрической энергии, без которой в современном мире не прожить.

Похожие материалы на сайте: