Jak działa cewka indukcyjna?

Cewka indukcyjna to nic innego jak izolowany drut ciasno owinięty wokół rdzenia magnetycznego. Rdzeń może być wykonany z materiału ferromagnetycznego lub tworzywa sztucznego, a w niektórych przypadkach może być pusty (powietrze). Opiera się to na zasadzie, że strumień magnetyczny rozwija się wokół przewodnika z prądem. Jeśli wiesz o kondensatorach, będziesz zaznajomiony z faktem, że kondensatory magazynują energię, przechowując równe i przeciwne ładunki na swoich płytkach. Podobnie cewka indukcyjna magazynuje energię w postaci pola magnetycznego, które rozwija się wokół niej. Cewki indukcyjne reagują inaczej na prąd przemienny i stały. Ale zanim zagłębimy się w „jak działają cewki indukcyjne”. Przyjrzyjmy się jego strukturze i cechom.

Struktura cewki:

Cewki indukcyjne są bardzo proste w budowie ze wszystkich innych komponentów stosowanych w elektronice. To jest przewodnik dotyczący tworzenia prostej cewki indukcyjnej. Do owinięcia cewki potrzebny jest jedynie drut izolacyjny i rdzeń magnetyczny. Rdzeń magnetyczny to nic innego jak materiał, wokół którego owijają się druty, jak pokazano na powyższym obrazku. Istnieją różne typy cewek indukcyjnych w zależności od użytego materiału rdzenia. Niektóre powszechnie stosowane materiały rdzenia to żelazo, magnesy żelazne itp. Oprócz rodzaju materiału rdzenia, występuje on również w różnych rozmiarach i kształtach, w tym w cylindrze, prętie, torodze i arkuszu. Natomiast istnieją cewki indukcyjne bez fizycznego rdzenia magnetycznego. Nazywa się je pustymi cewkami indukcyjnymi lub pustymi cewkami indukcyjnymi. Rdzeń magnetyczny odgrywa ważną rolę w zmianie indukcyjności cewki indukcyjnej.

Jak działa cewka indukcyjna

Zacznijmy od stwierdzenia faktu, że „strumień magnetyczny będzie wytwarzany w przewodniku przewodzącym prąd”. Podobnie, gdy prąd elektryczny przepływa przez cewkę indukcyjną, wytwarza wokół niej strumień magnetyczny. Innymi słowy, energia dostarczona do cewki indukcyjnej jest magazynowana w postaci strumienia magnetycznego. Strumień magnetyczny będzie rozwijał się w kierunku przeciwnym do przepływu prądu. Cewka jest zatem odporna na nagłe zmiany przepływającego przez nią prądu. Ta zdolność cewek nazywa się indukcyjnością, a każda cewka będzie miała pewną indukcyjność. Jest to wyrażone za pomocą symbolu L i jednostek Henry'ego.

Indukcyjność cewki indukcyjnej zależy od kształtu cewki, liczby zwojów uzwojenia rdzenia magnetycznego, powierzchni rdzenia magnetycznego i przepuszczalności materiału rdzenia magnetycznego. Indukcyjność cewki indukcyjnej jest określona następującym wzorem

L = μN2A/L

L - Indukcyjność cewki

μ - Przepuszczalność materiału rdzenia

A - Powierzchnia cewki (m2)

N - Liczba zwojów w cewce

l - Średnia długość cewki (m)

Cewki indukcyjne w obwodach prądu przemiennego:

Jak wspomniano wcześniej, cewki indukcyjne zachowują się inaczej niż źródła sygnału prądu przemiennego i stałego. Kiedy sygnał prądu przemiennego jest przykładany do cewki indukcyjnej, wytwarza pole magnetyczne zmieniające się w czasie, ponieważ prąd wytwarzający samo pole magnetyczne zmienia się w czasie. Zgodnie z prawem Faradaya zjawisko to wytwarza na cewce indukcyjnej napięcie samoindukcyjne. Napięcie samoindukowane wyrażane jest przez VL. W rzeczywistości napięcia generowane na obu końcach cewki indukcyjnej działają w kierunku przeciwnym do prądów, które im się opierają. Napięcie na obu końcach cewki indukcyjnej oblicza się według następującego wzoru

VL =L di / dt

VL - Napięcie samoindukowane

di/dt – Zmiana prądu w funkcji czasu

Jeśli przez cewkę Henry'ego przepływa prąd o natężeniu 1 ampera w ciągu 1 sekundy, zostanie on wygenerowany na cewce indukcyjnej

"v. Teraz możesz zobaczyć, jak prąd przepływający przez cewkę wpływa na napięcie generowane na obu końcach. Powstałe napięcie jest przeciwne do prądu przepływającego przez cewkę.

VI charakterystyka cewek:

Aby lepiej zrozumieć powyższe pojęcia, odwołajmy się do krzywej charakterystycznej VI cewki indukcyjnej. Gdy dodatni cykl sygnału prądu przemiennego przechodzi przez cewkę indukcyjną, prąd wzrasta. Wiemy, że cewka indukcyjna nie lubi zmian prądu, więc wytwarza indukowane napięcie wbrew prądowi, który to powoduje. Można to zaobserwować przy 0 stopniu na powyższym rysunku, gdzie indukowane napięcie będzie maksymalne, gdy prąd zacznie rosnąć. Gdy prąd osiągnie maksimum, indukowane napięcie staje się ujemne, próbując zapobiec spadkowi prądu.

Cykl ten się powtarza i z powyższego rysunku możemy zaobserwować, że indukowane napięcie generowane w cewce będzie oddziaływać na zmienny prąd przepływający przez nią. Mówi się, że napięcie i prąd są przesunięte w fazie o 90 stopni. Zatem poprzez sygnały prądu przemiennego cewka indukcyjna magazynuje i uwalnia energię w postaci pola magnetycznego w cyklu ciągłym.

Cewki indukcyjne w obwodzie prądu stałego:

Teraz rozumiemy, jak cewki współpracują ze źródłami sygnału prądu przemiennego. Zobaczmy jak zareaguje w połączeniu ze źródłem sygnału DC. Przypomnijmy, że wzór na napięcie indukowane na obu końcach cewki jest określony następującym wzorem

VL =L di / dt

W przypadku korzystania ze źródła sygnału prądu stałego zmiana prądu w funkcji czasu będzie wynosić zero, co spowoduje zerowe napięcie indukowane na obu końcach cewki indukcyjnej. Mówiąc najprościej, w obwodzie prądu stałego cewka indukcyjna zachowuje się jak zwykły zwykły drut, a jego drut generuje pewien opór. Jednak zastosowanie cewki indukcyjnej ze źródłem sygnału prądu stałego w rzeczywistym obwodzie daje więcej. W prawdziwym obwodzie prąd potrzebuje bardzo krótkiego czasu, aby osiągnąć maksimum od zera. W tym momencie na obu końcach cewki indukcyjnej pojawi się napięcie indukowane, które będzie miało wartość ujemną, gdy prąd zacznie zmieniać się od zera do maksimum. Gdy prąd osiągnie stabilny stan stały, indukowane napięcie gwałtownie spada do zera i staje się przestarzałe. W przypadku użycia ze źródłem sygnału prądu stałego cewka indukcyjna będzie wykazywać takie krótkotrwałe indukowane skoki napięcia.

Reaktywność indukcyjna:

Kolejną ważną rzeczą, którą należy wiedzieć o cewkach indukcyjnych, jest reaktancja. Jest to charakterystyka rezystancji komponentów, takich jak kondensatory i cewki indukcyjne, na sygnały elektryczne prądu przemiennego. Reaktancja pokazana przez cewkę nazywa się reaktancją indukcyjną i jest podana wzorem

XL=2πFL

Ze wzoru można wywnioskować, że reaktancja wzrasta wraz ze wzrostem częstotliwości sygnału prądu przemiennego, pamiętając, że cewka indukcyjna nie lubi zmieniających się prądów, dlatego wykazuje większą reaktancję na sygnały o wysokiej częstotliwości. Kiedy częstotliwość jest bliska zeru lub przechodzi sygnał prądu stałego, reaktancja staje się zerowa, podobnie jak przewodnik, przez który przechodzi sygnał wejściowy.