Độ tự cảm đặc trưng cho tính chất của các phần tử của mạch điện để tích năng lượng của từ trường. Nó cũng là một thước đo mối quan hệ giữa dòng điện và từ trường. Nó cũng được so sánh với quán tính của điện - giống như khối lượng với một thước đo quán tính của các vật thể cơ học.
Nội dung
Hiện tượng tự cảm ứng
Nếu dòng điện chạy qua một đoạn mạch dẫn có độ lớn thay đổi thì hiện tượng tự cảm ứng xảy ra. Trong trường hợp này, từ thông qua mạch thay đổi, và một emf xuất hiện ở các đầu của vòng dòng, được gọi là emf tự cảm ứng. EMF này ngược với hướng của dòng điện và bằng:
ε = -∆F / ∆t = -L * (∆I / ∆t)
Rõ ràng là EMF của cảm ứng tự lực bằng tốc độ thay đổi của từ thông gây ra bởi sự thay đổi của dòng điện chạy qua mạch và cũng tỷ lệ với tốc độ thay đổi của dòng điện. Hệ số tỉ lệ giữa EMF của hiện tượng tự cảm ứng và tốc độ thay đổi của dòng điện được gọi là độ tự cảm và được ký hiệu là L. Giá trị này luôn dương, và có đơn vị SI là 1 Henry (1 H). Phân số phân số cũng được sử dụng - millihenry và microhenry. Chúng ta có thể nói về độ tự cảm bằng 1 Henry nếu dòng điện thay đổi 1 ampe gây ra cảm ứng tự cảm EMF là 1 Vôn. Không chỉ mạch điện có độ tự cảm mà còn có một dây dẫn riêng, cũng như cuộn dây, có thể được biểu diễn như một tập hợp các mạch nối tiếp.
Độ tự cảm lưu trữ năng lượng, có thể được tính là W = L * I2/ 2, trong đó:
- W — năng lượng, J;
- L - độ tự cảm, H;
- I là cường độ dòng điện trong cuộn dây, A.
Và ở đây năng lượng tỷ lệ thuận với độ tự cảm của cuộn dây.
Quan trọng! Trong kỹ thuật, cuộn cảm cũng là một thiết bị chứa điện trường. Phần tử thực gần nhất với định nghĩa như vậy là một cuộn cảm.
Công thức chung để tính độ tự cảm của cuộn dây vật lý có dạng phức tạp và không thuận tiện cho việc tính toán thực tế. Điều hữu ích cần nhớ là độ tự cảm tỷ lệ với số vòng, đường kính của cuộn dây và phụ thuộc vào hình dạng hình học. Ngoài ra, độ tự cảm bị ảnh hưởng bởi tính từ thẩm của lõi mà cuộn dây nằm trên đó, nhưng dòng điện chạy qua các cuộn dây không bị ảnh hưởng. Để tính độ tự cảm, mỗi lần như vậy bạn cần tham khảo các công thức trên để có cách thiết kế cụ thể. Vì vậy, đối với một cuộn dây hình trụ, đặc tính chính của nó được tính theo công thức:
L = μ * μ*(N2* S / l),
ở đâu:
- μ là độ từ thẩm tương đối của lõi cuộn dây;
- μ - hằng số từ tính, 1,26 * 10-6 H / m;
- N là số lượt;
- S là diện tích của cuộn dây;
- l là chiều dài hình học của cuộn dây.
Để tính độ tự cảm cho cuộn dây hình trụ và các cuộn dây có hình dạng khác, tốt hơn nên sử dụng các chương trình máy tính, bao gồm cả máy tính trực tuyến.
Kết nối nối tiếp và song song của cuộn cảm
Các cuộn cảm có thể mắc nối tiếp hoặc song song, được một bộ có đặc điểm mới.
Kết nối song song
Khi các cuộn dây được nối song song, điện áp trên tất cả các phần tử bằng nhau và dòng điện (biến) được phân phối nghịch với độ tự cảm của các phần tử.
- U = U1= U2= U3;
- I = tôi1+ Tôi2+ Tôi3.
Tổng cảm của đoạn mạch được xác định là 1 / L = 1 / L1+ 1 / L2+ 1 / L3. Công thức hợp lệ cho bất kỳ số phần tử nào và đối với hai cuộn dây, nó được đơn giản hóa thành dạng L = L1* L2/ (L1+ L2). Rõ ràng, suất điện động tự cảm nhỏ hơn cảm kháng của phần tử có giá trị nhỏ nhất.
kết nối nối tiếp
Với kiểu kết nối này, cùng một dòng điện chạy qua đoạn mạch được tạo thành từ các cuộn dây và điện áp (biến thiên!) Trên mỗi thành phần của mạch được phân bố tương ứng với độ tự cảm của mỗi phần tử:
- U = U1+ U2+ U3;
- I = tôi1= Tôi2= Tôi3.
Tổng cảm kháng bằng tổng tất cả các điện cảm và sẽ lớn hơn cảm kháng của phần tử có giá trị lớn nhất. Do đó, kết nối như vậy được sử dụng nếu cần thiết để tăng độ tự cảm.
Quan trọng! Khi mắc nối tiếp các cuộn dây hoặc acquy song song, các công thức tính toán chỉ đúng đối với các trường hợp loại trừ ảnh hưởng lẫn nhau của từ trường của các phần tử lên nhau (che chắn, khoảng cách xa, v.v.). Nếu một ảnh hưởng tồn tại, thì tổng giá trị của điện cảm sẽ phụ thuộc vào vị trí tương đối của các cuộn dây.
Một số vấn đề thực tế và thiết kế của cuộn cảm
Trong thực tế, các thiết kế khác nhau của cuộn cảm được sử dụng. Tùy thuộc vào mục đích và lĩnh vực ứng dụng, các thiết bị có thể được chế tạo theo nhiều cách khác nhau, nhưng phải tính đến các tác động xảy ra trong cuộn dây thực.
Yếu tố chất lượng của cuộn cảm
Một cuộn dây thực, ngoài độ tự cảm, còn có một số thông số nữa, và một trong những thông số quan trọng nhất là yếu tố chất lượng. Giá trị này xác định tổn thất trong cuộn dây và phụ thuộc vào:
- tổn thất ohmic trong dây quấn (điện trở càng lớn thì hệ số chất lượng càng giảm);
- tổn thất điện môi trong cách điện của dây và khung cuộn dây;
- mất màn hình;
- tổn thất cốt lõi.
Tất cả các đại lượng này xác định khả năng chịu tổn thất và hệ số chất lượng là một giá trị không thứ nguyên bằng Q = ωL / Rlosses, trong đó:
- ω = 2 * π * F - tần số tròn;
- L - độ tự cảm;
- ωL là cảm kháng của cuộn dây.
Chúng ta có thể nói gần đúng rằng hệ số chất lượng bằng tỷ số giữa điện trở phản kháng (cảm ứng) với hoạt động. Một mặt, với tần số tăng, tử số tăng lên, nhưng đồng thời, do tác dụng của da, điện trở suy hao cũng tăng lên do tiết diện hữu ích của dây giảm.
hiệu ứng màn hình
Để giảm ảnh hưởng của các vật thể lạ, cũng như điện trường và từ trường và ảnh hưởng lẫn nhau của các phần tử qua các trường này, người ta thường đặt các cuộn dây (đặc biệt là các cuộn dây tần số cao) trong một màn chắn. Ngoài tác dụng có lợi, che chắn còn gây ra giảm hệ số chất lượng của cuộn dây, giảm độ tự cảm và tăng điện dung ký sinh. Hơn nữa, các bức tường màn hình càng gần vòng quay của cuộn dây, tác hại càng cao. Do đó, các cuộn dây được che chắn hầu như luôn được chế tạo với khả năng điều chỉnh các thông số.
Điện cảm tông đơ
Trong một số trường hợp, cần phải đặt chính xác giá trị điện cảm tại chỗ sau khi kết nối cuộn dây với các phần tử mạch khác, bù cho các sai lệch tham số trong quá trình điều chỉnh. Đối với điều này, các phương pháp khác nhau được sử dụng (chuyển đổi các vòi của các lượt, v.v.), nhưng phương pháp chính xác và trơn tru nhất là điều chỉnh với sự trợ giúp của lõi. Nó được làm dưới dạng một thanh ren, có thể vặn ra vào bên trong khung, điều chỉnh độ tự cảm của cuộn dây.
Điện cảm biến thiên (máy đo biến thiên)
Khi cần điều chỉnh nhanh điện cảm hoặc khớp nối cảm ứng, các cuộn dây có thiết kế khác được sử dụng. Chúng chứa hai cuộn dây - có thể di chuyển và cố định. Tổng cảm bằng tổng cảm của hai cuộn dây và cảm kháng lẫn nhau giữa chúng.
Bằng cách thay đổi vị trí tương đối của cuộn dây này sang cuộn dây khác, tổng giá trị của độ tự cảm được điều chỉnh. Một thiết bị như vậy được gọi là biến thiên kế và thường được sử dụng trong thiết bị thông tin liên lạc để điều chỉnh mạch cộng hưởng trong trường hợp không thể sử dụng tụ điện thay đổi được vì một số lý do.Thiết kế của đồng hồ đo biến thiên khá cồng kềnh, điều này làm hạn chế phạm vi hoạt động của nó.
Điện cảm ở dạng xoắn ốc in
Các cuộn dây có độ tự cảm nhỏ có thể được làm ở dạng xoắn ốc của các ruột dẫn in. Ưu điểm của thiết kế này là:
- khả năng sản xuất của sản xuất;
- độ lặp lại của các thông số cao.
Những nhược điểm bao gồm không thể tinh chỉnh trong quá trình điều chỉnh và khó đạt được giá trị điện cảm lớn - điện cảm càng cao, cuộn dây càng chiếm nhiều không gian trên bảng.
Cuộn vết thương mặt cắt
Cuộn cảm không có điện dung chỉ có trên giấy. Với bất kỳ hoạt động vật lý nào của cuộn dây, điện dung xen kẽ ký sinh ngay lập tức phát sinh. Điều này có hại trong nhiều trường hợp. Điện dung kí sinh làm tăng thêm điện dung của mạch LC, làm giảm tần số cộng hưởng và hệ số phẩm chất của hệ dao động. Ngoài ra, cuộn dây có tần số cộng hưởng riêng của nó, gây ra các hiện tượng không mong muốn.
Các phương pháp khác nhau được sử dụng để giảm điện dung ký sinh, trong đó đơn giản nhất là cuộn dây điện cảm dưới dạng một số đoạn nối tiếp. Với sự bao gồm này, các điện cảm tăng lên và tổng điện dung giảm.
Cuộn cảm trên lõi hình xuyến
Đường sức từ của một cuộn cảm hình trụ được hút qua bên trong của cuộn dây (nếu có lõi thì xuyên qua nó) và đóng từ bên ngoài qua không khí. Thực tế này dẫn đến một số bất lợi:
- độ tự cảm giảm;
- các đặc tính của cuộn dây ít khả thi hơn để tính toán;
- Bất kỳ vật nào được đưa vào từ trường ngoài đều làm thay đổi các thông số của cuộn dây (độ tự cảm, điện dung ký sinh, tổn hao, v.v.), vì vậy trong nhiều trường hợp cần phải có biện pháp che chắn.
Các cuộn dây quấn trên lõi hình xuyến (ở dạng vòng hoặc hình bánh rán) phần lớn không có những khuyết điểm này. Các đường sức từ truyền vào bên trong lõi dưới dạng các vòng khép kín. Điều này có nghĩa là các đối tượng bên ngoài thực tế không ảnh hưởng đến các thông số của cuộn dây quấn trên lõi như vậy và không cần thiết phải che chắn cho thiết kế như vậy. Độ tự cảm cũng tăng lên, các vật khác bằng nhau và các đặc tính dễ tính hơn.
Nhược điểm của cuộn dây quấn trên tori bao gồm không thể điều chỉnh mượt mà điện cảm tại chỗ. Một vấn đề khác là cường độ lao động cao và khả năng sản xuất thấp của cuộn dây. Tuy nhiên, điều này áp dụng cho tất cả các phần tử quy nạp nói chung, ở mức độ lớn hơn hoặc nhỏ hơn.
Ngoài ra, một nhược điểm chung của việc thực hiện vật lý của điện cảm là trọng lượng và kích thước cao, độ tin cậy tương đối thấp và khả năng bảo trì thấp.
Do đó, trong công nghệ, họ cố gắng loại bỏ các thành phần cảm ứng. Nhưng điều này không phải lúc nào cũng có thể thực hiện được, vì vậy các thành phần quanh co sẽ được sử dụng cả trong tương lai gần và trung hạn.
Các bài tương tự:
