Катушка (индуктивность) – это элемент электрической цепи, имеющий два вывода, в которой накапливается магнитная энергия (энергия магнитного поля). Электрическую энергию катушка не накапливает.
Если катушку индуктивности подключить на постоянное напряжение, то она, после того как зарядилась, представит собой короткое замыкание. Это говорит о том, что в установившихся режимах катушка не оказывает никакого сопротивления постоянному току.
Обозначение катушки индуктивности на схеме представлено на рисунке:
Где L - индуктивность катушки;
UL - напряжение, приложенное к катушке;
iL - ток через катушку.
Индуктивность L равна отношению потокосцепления к току.
Потокосцепление – это произведение магнитного потока, которое обусловлено током iL на число витков, с которым этот поток сцеплен.
Индуктивность L всегда положительна, и используется не только для обозначения катушки индуктивности на схеме цепи, но и для количественной характеристики, которая происходит в катушке.
Индуктивность L будет постоянной, если зависимость потокосцепления от тока линейна. Эту зависимость называют Вебер-Амперная характеристика.
Индуктивность L можно определить по Вебер-Амперной характеристики, как тангенс угла наклона этой прямой к оси тока.
Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея-Максвелла, изменение во времени потокосцепления самоиндукции, вызывает электродвижущую силу самоиндукции (ЭДС самоиндукции), которая определяется по формуле:
По закону Ленца (принцип электромагнитной инерции) - ЭДС противодействует изменению потокосцепления, что учитывается знаком “минус”.
Для того, чтобы уравновесить ЭДС самоиндукции, необходимо приложить напряжение на катушку, которое равно этой ЭДС по величине и противоположно по знаку:
Ток и напряжение на катушке связаны следующей формулой:
Выбор нижнего предела t = – ∞ говорит о том, что нужно учитывать напряжение, которое падало на катушке до момента t.
Мгновенная мощность в катушке, равна произведению мгновенных значений тока и напряжения на катушке:
Если знаки тока и напряжения на катушке совпадают, то мгновенная мощность больше нуля (pL > 0). В этом случае катушка потребляет энергию, которая запасается в ее магнитном поле.
При разных знаках тока и напряжения на катушке, мгновенная мощность меньше нуля (pL< 0), В этом случае энергия, запасенная элементом, отдается в цепь.
Энергия, запасенная в катушке:
При этом полагаем, что при t = – ∞ ,iL = 0.
Так как энергия пропорциональна квадрату тока, то она всегда положительна (WL > 0).
Если ток в цепи постоянный, то есть I = const, то
Таким образом, катушка в цепи постоянного тока не оказывает току никакого сопротивления, и представляет собой короткое замыкание. Напряжение на катушке в установившемся режиме (при отсутствии переходного процесса), равно нулю.
Следующая тема, которую мы рассмотрим: пассивные элементы электрических цепей. Конденсатор.
Если понравилась статья, подписывайтесь на канал и не пропускайте новые публикации.
Читайте также:
1. Как электроэнергия передается от электростанций до наших домов;
2. Что такое электрический ток - простыми словами;