Itseinduktio: määritelmä, kaava, käytännön sovellus

"Itseinduktio pysäyttää jännitteen nousun induktiivisissa piireissä." Jos työsi tai harrastuksesi liittyy sähköön, olet todennäköisesti kuullut tällaisia ​​lausuntoja. Itse asiassa tämä ilmiö on luontainen induktiivisille piireille, sekä eksplisiittisesti, esimerkiksi käämille, että implisiittisesti, kuten kaapelin loisparametreille. Tässä artikkelissa selitämme yksinkertaisesti, mitä itseinduktio on ja missä sitä sovelletaan.

Määritelmä

Itseinduktio on sähkömotorisen voiman (EMF) ilmaantumista johtimeen, joka on suunnattu vastakkaiseen suuntaan suhteessa virtalähteen jännitteeseen, kun virta kulkee. Lisäksi se tapahtuu sillä hetkellä, kun virtapiirissä muuttuu. Vaihtuva sähkövirta synnyttää muuttuvan magneettikentän, joka puolestaan ​​indusoi EMF: n johtimeen.

Tämä on samanlainen kuin Faradayn sähkömagneettisen induktion lain muotoilu, joka sanoo:

Kun magneettivuo kulkee johtimen läpi, jälkimmäiseen syntyy EMF. Se on verrannollinen magneettivuon muutosnopeuteen (mat. aikajohdannainen).

Tuo on:

E = dФ / dt,

Missä E on itseinduktion EMF, mitattuna voltteina, F on magneettivuo, mittayksikkö on Wb (weber, se on myös yhtä suuri kuin V / s)

Induktanssi

Olemme jo sanoneet, että itseinduktio on luontainen induktiivisille piireille, joten tarkastelemme itseinduktioilmiötä induktorin esimerkillä.

Induktori on elementti, joka on eristetty johdinkela. Induktanssin lisäämiseksi kierrosten määrää lisätään tai kelan sisään asetetaan pehmeästä magneettisesta tai muusta materiaalista valmistettu sydän.

Induktanssin mittayksikkö on Henry (H). Induktanssi viittaa siihen, kuinka voimakkaasti johdin vastustaa sähkövirtaa. Koska jokaisen johtimen ympärille, jonka läpi virta kulkee, muodostuu magneettikenttä, ja jos asetat johtimen vaihtokenttään, siihen syntyy virta. Vuorostaan ​​lisätään kunkin kelan kierroksen magneettikentät. Sitten syntyy voimakas magneettikenttä kelan ympärille, jonka läpi virta kulkee. Kun sen voimakkuus muuttuu kelassa, muuttuu myös sen ympärillä oleva magneettivuo.

Faradayn sähkömagneettisen induktion lain mukaan, jos vaihtuva magneettivuo tunkeutuu kelaan, siinä syntyy itseinduktiovirta ja EMF. Ne estävät virran kulkemisen induktorissa virtalähteestä kuormaan. Niitä kutsutaan myös itseinduktio-EMF-ulkovirroiksi.

Itseinduktanssin EMF-kaava induktanssille on:

Toisin sanoen mitä suurempi induktanssi ja mitä enemmän ja nopeammin virta on muuttunut, sitä voimakkaampi EMF-piikki on.

Kun kelan virta kasvaa, syntyy itseinduktion EMF, joka on suunnattu virtalähteen jännitettä vastaan, vastaavasti virran kasvu hidastuu. Sama tapahtuu pienentäessä - itseinduktio johtaa EMF: n ilmestymiseen, joka ylläpitää virran kelassa samaan suuntaan kuin ennen. Tästä seuraa, että jännite kelan navoissa on päinvastainen kuin virtalähteen napaisuus.

Alla olevasta kuvasta näet, että kun induktiivinen piiri kytketään päälle / pois päältä, virta ei synny äkillisesti, vaan muuttuu vähitellen. Myös kommutaatiolait puhuvat tästä.

Toinen induktanssin määritelmä kuulostaa tältä: magneettivuo on verrannollinen virtaan, mutta sen kaavassa induktanssi toimii suhteellisuuskertoimena.

Ф = L * I

Muuntaja ja keskinäinen induktio

Jos asetat kaksi kelaa lähekkäin, esimerkiksi yhdelle ytimelle, havaitaan keskinäisen induktion ilmiö. Ohjataan vaihtovirta ensimmäisen läpi, sitten sen vaihtovirta tunkeutuu toisen käännöksiin ja sen ulostuloihin ilmestyy EMF.

Tämä EMF riippuu vastaavasti langan pituudesta, kierrosten lukumäärästä sekä väliaineen magneettisen läpäisevyyden suuruudesta. Jos asetat ne vierekkäin, EMF on alhainen, ja jos otat pehmeästä magneettiteräksestä tehdyn ytimen, EMF on paljon suurempi. Itse asiassa muuntaja toimii näin.

Mielenkiintoista: tätä kelojen keskinäistä vaikutusta toisiinsa kutsutaan induktiiviseksi kytkemiseksi.

Hyötyä ja haittaa

Jos ymmärrät teoreettisen osan, kannattaa pohtia, missä itseinduktioilmiötä sovelletaan käytännössä. Katsotaanpa esimerkkejä siitä, mitä näemme jokapäiväisessä elämässä ja tekniikassa. Yksi hyödyllisimmistä sovelluksista on muuntaja, olemme jo keskustelleet sen toimintaperiaatteesta. Nyt niitä löytyy yhä vähemmän, mutta aiemmin loisteputkilamppuja käytettiin päivittäin lampuissa. Heidän työnsä periaate perustuu itseinduktion ilmiöön. Voit nähdä hänen suunnitelmansa alta.

Jännitteen kytkemisen jälkeen virta kulkee piirin läpi: vaihe - kuristin - spiraali - käynnistin - spiraali - nolla.

Tai päinvastoin (vaihe ja nolla). Kun käynnistin on lauennut, sen koskettimet avautuvat kaasua (kela, jolla on suuri induktanssi) pyrkii pitämään virran samassa suunnassa, indusoi suuren itseinduktion EMF: n ja lamput sytytetään.

Samoin tämä ilmiö koskee bensiinillä toimivan auton tai moottoripyörän sytytyspiiriä. Niissä mekaaninen (katkaisija) tai puolijohdekytkin (transistori ECU: ssa) on asennettu induktorin ja miinuksen (massa) väliseen rakoon. Tämä avain katkaisee kelan virransyöttöpiirin sillä hetkellä, kun sylinteriin täytyy muodostua kipinä polttoaineen sytyttämiseksi. Sitten kelan ytimeen varastoitunut energia lisää itseinduktion EMF: ää ja jännitettä kynttilän elektrodi kasvaa kunnes kipinäväli hajoaa tai kunnes se palaa kela.

Virtalähteissä ja audiolaitteissa on usein tarpeen poistaa signaalista ylimääräinen aaltoilu, kohina tai taajuus. Tätä varten käytetään eri kokoonpanojen suodattimia. Yksi vaihtoehdoista on LC, LR suodattimet. Estämällä vastaavasti virran ja vaihtovirran resistanssin kasvu on mahdollista saavuttaa asetetut tavoitteet.

Itseinduktio EMF vahingoittaa kytkinten, katkaisijoiden, pistorasioiden, katkaisijoiden ja muiden asioiden koskettimia. Olet ehkä huomannut, että kun irrotat toimivan pölynimurin pistokkeen pistorasiasta, sen sisällä näkyy hyvin usein salama. Tämä on vastus käämin virran muutokselle (tässä tapauksessa moottorin käämitys).

Puolijohdekytkimissä tilanne on kriittisempi - pienikin induktanssi piirissä voi johtaa niiden rikkoutumiseen, kun Uken tai Usin huippuarvot saavutetaan. Niiden suojaamiseksi asennetaan snubber-piirejä, joihin induktiivisten purskeiden energia hajoaa.

Johtopäätös

Tehdään yhteenveto. Edellytykset itseinduktio-EMF: n esiintymiselle ovat: induktanssin esiintyminen piirissä ja virran muutos kuormassa. Tämä voi tapahtua sekä käytössä, tiloja tai häiritseviä vaikutuksia vaihdettaessa että laitteita vaihdettaessa. Tämä ilmiö voi vahingoittaa releiden ja käynnistimien koskettimia, koska se johtaa valokaari avattaessa induktiivisia piirejä, kuten sähkömoottoreita. Kielteisen vaikutuksen vähentämiseksi suurin osa kytkentälaitteista on varustettu kaarikouruilla.

Hyödyllisiin tarkoituksiin EMF-ilmiötä käytetään melko usein, suodattimesta aaltoiluvirran tasoittamiseen ja taajuussuodatin audiolaitteissa, muuntajiin ja suurjännitesytytyskäämiin autoissa.

Lopuksi suosittelemme katsomaan hyödyllisen videon aiheesta, joka käsittelee lyhyesti ja yksityiskohtaisesti itseinduktion ilmiötä:

Toivomme, että ymmärrät nyt, mitä itseinduktio on, miten se ilmenee ja missä sitä voidaan käyttää. Jos sinulla on kysyttävää, kysy ne artikkelin alla olevissa kommenteissa!

Aiheeseen liittyvät materiaalit:

• Sähkökentän ominaisuudet ja ominaisuudet
• Faradayn lait kemiassa ja fysiikassa
• Varausten jakautuminen johtimessa