L'induttanza caratterizza le proprietà degli elementi di un circuito elettrico di accumulare l'energia di un campo magnetico. È anche una misura della relazione tra corrente e campo magnetico. Viene anche confrontato con l'inerzia dell'elettricità, proprio come la massa con una misura dell'inerzia dei corpi meccanici.
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Il fenomeno dell'autoinduzione
Se la corrente che scorre attraverso un circuito conduttore cambia di grandezza, si verifica il fenomeno dell'autoinduzione. In questo caso, il flusso magnetico attraverso il circuito cambia e appare una fem ai terminali dell'anello di corrente, chiamata fem di autoinduzione. Questo EMF è opposto alla direzione della corrente ed è uguale a:
ε=-∆F/∆t=-L*(∆I/∆t)
È ovvio che l'EMF di autoinduzione è uguale alla velocità di variazione del flusso magnetico causata da una variazione della corrente che scorre attraverso il circuito, ed è anche proporzionale alla velocità di variazione della corrente. Il coefficiente di proporzionalità tra l'EMF di autoinduzione e la velocità di variazione della corrente è chiamato induttanza ed è indicato con L. Questo valore è sempre positivo e ha un'unità SI di 1 Henry (1 H). Vengono utilizzate anche frazioni frazionarie: millihenry e microhenry. Possiamo parlare di un'induttanza di 1 Henry se una variazione di corrente di 1 ampere provoca un EMF di autoinduzione di 1 Volt. Non solo il circuito ha induttanza, ma anche un conduttore separato, nonché una bobina, che può essere rappresentata come un insieme di circuiti collegati in serie.
L'induttanza immagazzina energia, che può essere calcolata come W=L*I2/2, dove:
- W: energia, J;
- L – induttanza, H;
- I è la corrente nella bobina, A.
E qui l'energia è direttamente proporzionale all'induttanza della bobina.
Importante! In ingegneria, un'induttanza è anche un dispositivo in cui viene immagazzinato un campo elettrico. Il vero elemento più vicino a tale definizione è un induttore.
La formula generale per calcolare l'induttanza di una bobina fisica ha una forma complessa ed è scomoda per i calcoli pratici. È utile ricordare che l'induttanza è proporzionale al numero di spire, al diametro della bobina e dipende dalla forma geometrica. Inoltre, l'induttanza è influenzata dalla permeabilità magnetica del nucleo su cui si trova l'avvolgimento, ma la corrente che scorre attraverso le spire non è influenzata. Per calcolare l'induttanza, ogni volta è necessario fare riferimento alle formule sopra per un progetto specifico. Quindi, per una bobina cilindrica, la sua caratteristica principale è calcolata dalla formula:
L=μ*μ*(N2*S/l),
dove:
- μ è la permeabilità magnetica relativa del nucleo della bobina;
- μ – costante magnetica, 1,26*10-6 H/m;
- N è il numero di giri;
- S è l'area della bobina;
- l è la lunghezza geometrica della bobina.
Per calcolare l'induttanza per una bobina cilindrica e bobine di altre forme, è meglio utilizzare programmi di calcolo, compresi i calcolatori online.
Collegamento in serie e in parallelo di induttori
Le induttanze possono essere collegate in serie o in parallelo, ottenendo un insieme con nuove caratteristiche.
Collegamento in parallelo
Quando le bobine sono collegate in parallelo, la tensione su tutti gli elementi è uguale e le correnti (variabili) sono distribuiti inversamente alle induttanze degli elementi.
- U=U1=U2=U3;
- io=io1+I2+I3.
L'induttanza totale del circuito è definita come 1/L=1/L1+1/L2+1/L3. La formula è valida per un numero qualsiasi di elementi, e per due bobine è semplificata nella forma L=L1*L2/(L1+L2). Ovviamente l'induttanza risultante è minore dell'induttanza dell'elemento con il valore più piccolo.
connessione seriale
Con questo tipo di connessione, la stessa corrente scorre attraverso il circuito formato da bobine, e la tensione (variabile!) su ogni componente del circuito è distribuita proporzionalmente all'induttanza di ciascun elemento:
- U=U1+U2+U3;
- io=io1= io2= io3.
L'induttanza totale è uguale alla somma di tutte le induttanze e sarà maggiore dell'induttanza dell'elemento con il valore maggiore. Pertanto, tale connessione viene utilizzata se necessario per ottenere un aumento dell'induttanza.
Importante! Quando si collegano bobine in una batteria in serie o in parallelo, le formule di calcolo sono corrette solo nei casi in cui è esclusa l'influenza reciproca dei campi magnetici degli elementi tra loro (schermatura, lunga distanza, ecc.). Se esiste un'influenza, il valore totale dell'induttanza dipenderà dalla posizione relativa delle bobine.
Alcuni problemi pratici e progetti di induttori
In pratica, vengono utilizzati vari modelli di induttori. A seconda dello scopo e del campo di applicazione, i dispositivi possono essere realizzati in vari modi, ma bisogna tenere conto degli effetti che si verificano nelle bobine reali.
Fattore di qualità dell'induttore
Una vera bobina, oltre all'induttanza, ha molti più parametri e uno dei più importanti è il fattore qualità. Questo valore determina le perdite nella bobina e dipende da:
- perdite ohmiche nel filo dell'avvolgimento (maggiore è la resistenza, minore è il fattore di qualità);
- perdite dielettriche nell'isolamento del filo e nel telaio dell'avvolgimento;
- perdita dello schermo;
- perdite fondamentali.
Tutte queste grandezze determinano la resistenza alla perdita e il fattore di qualità è un valore adimensionale pari a Q=ωL/Rlosses, dove:
- ω = 2*π*F - frequenza circolare;
- L - induttanza;
- ωL è la reattanza della bobina.
Possiamo approssimativamente dire che il fattore di qualità è uguale al rapporto tra resistenza reattiva (induttiva) e attiva. Da un lato, all'aumentare della frequenza, il numeratore aumenta, ma allo stesso tempo, per effetto pelle, aumenta anche la resistenza alla perdita per una diminuzione della sezione utile del filo.
effetto schermo
Per ridurre l'influenza di corpi estranei, nonché i campi elettrici e magnetici e l'influenza reciproca degli elementi attraverso questi campi, le bobine (soprattutto quelle ad alta frequenza) sono spesso posizionate in uno schermo. Oltre all'effetto benefico, la schermatura provoca una diminuzione del fattore di qualità della bobina, una diminuzione della sua induttanza e un aumento della capacità parassita. Inoltre, più le pareti dello schermo sono vicine alle spire della bobina, maggiore è l'effetto dannoso. Pertanto, le bobine schermate sono quasi sempre realizzate con possibilità di regolazione dei parametri.
Induttanza del trimmer
In alcuni casi, è necessario impostare con precisione il valore dell'induttanza in loco dopo aver collegato la bobina ad altri elementi del circuito, compensando le deviazioni dei parametri durante la messa a punto. Per questo vengono utilizzati metodi diversi (commutazione dei tocchi dei giri, ecc.), Ma il metodo più accurato e fluido è l'accordatura con l'aiuto di un nucleo. È realizzato sotto forma di un'asta filettata, che può essere avvitata e svitata all'interno del telaio, regolando l'induttanza della bobina.
Induttanza variabile (variometro)
Laddove sia richiesta una rapida regolazione dell'induttanza o dell'accoppiamento induttivo, vengono utilizzate bobine di diverso design. Contengono due avvolgimenti: mobile e fisso. L'induttanza totale è uguale alla somma delle induttanze delle due bobine e dell'induttanza reciproca tra di esse.
Modificando la posizione relativa di una bobina in un'altra, viene regolato il valore totale dell'induttanza. Tale dispositivo è chiamato variometro ed è spesso utilizzato nelle apparecchiature di comunicazione per sintonizzare circuiti risonanti nei casi in cui l'uso di condensatori variabili è impossibile per qualche motivo.Il design del variometro è piuttosto ingombrante, il che ne limita la portata.
Induttanza sotto forma di spirale stampata
Le bobine con una piccola induttanza possono essere realizzate sotto forma di una spirale di conduttori stampati. I vantaggi di questo design sono:
- producibilità della produzione;
- elevata ripetibilità dei parametri.
Gli svantaggi includono l'impossibilità di una regolazione fine durante la regolazione e la difficoltà di ottenere valori di induttanza elevati: maggiore è l'induttanza, maggiore è lo spazio occupato dalla bobina sulla scheda.
Avvolgitore sezionale
L'induttanza senza capacità è solo su carta. Con qualsiasi implementazione fisica della bobina, si verifica immediatamente una capacità di interturn parassita. Questo è dannoso in molti casi. La capacità parassita si somma alla capacità del circuito LC, riducendo la frequenza di risonanza e il fattore di qualità del sistema oscillatorio. Inoltre, la bobina ha una propria frequenza di risonanza, che provoca fenomeni indesiderati.
Per ridurre la capacità parassita vengono utilizzati vari metodi, il più semplice dei quali è l'induttanza dell'avvolgimento sotto forma di diverse sezioni collegate in serie. Con questa inclusione, le induttanze si sommano e la capacità totale diminuisce.
Induttore su nucleo toroidale
Le linee del campo magnetico di un induttore cilindrico vengono disegnate attraverso l'interno dell'avvolgimento (se è presente un nucleo, quindi attraverso di esso) e chiuse dall'esterno attraverso l'aria. Questo fatto comporta diversi svantaggi:
- l'induttanza è ridotta;
- le caratteristiche della bobina sono meno suscettibili di calcolo;
- qualsiasi oggetto portato in un campo magnetico esterno modifica i parametri della bobina (induttanza, capacità parassita, perdite, ecc.), quindi in molti casi è necessaria la schermatura.
Le bobine avvolte su nuclei toroidali (a forma di anello o di ciambella) sono in gran parte esenti da queste carenze. Le linee magnetiche passano all'interno del nucleo sotto forma di anelli chiusi. Ciò significa che gli oggetti esterni non hanno praticamente alcun effetto sui parametri di una bobina avvolta su un tale nucleo e la schermatura non è necessaria per un tale progetto. Anche l'induttanza aumenta, a parità di altre condizioni, e le caratteristiche sono più facili da calcolare.
Gli svantaggi delle bobine avvolte su tori includono l'impossibilità di una regolazione regolare dell'induttanza sul posto. Un altro problema è l'elevata intensità di manodopera e la bassa producibilità dell'avvolgimento. Tuttavia, questo vale per tutti gli elementi induttivi in generale, in misura maggiore o minore.
Inoltre, uno svantaggio comune dell'implementazione fisica dell'induttanza è il peso e le dimensioni elevati, l'affidabilità relativamente bassa e la bassa manutenibilità.
Pertanto, nella tecnologia, cercano di sbarazzarsi dei componenti induttivi. Ma ciò non è sempre possibile, quindi i componenti degli avvolgimenti verranno utilizzati sia nel prossimo futuro che nel medio termine.
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