Un inductor este o componentă electrică pasivă formată dintr-o bobină de sârmă care este proiectată să profite de relația dintre magentism și electricitate ca rezultat al unui curent electric care trece prin bobină.

Am văzut că atunci când un curent electric curge printr-un conductor de sârmă, un flux magnetic este dezvoltat în jurul conductorului. Acesta produce o relație între direcția fluxului magnetic care circulă în jurul conductorului și direcția curentului care curge prin același conductor, rezultând o relație bine cunoscută între direcția curentului și fluxul magnetic numită "regula mâinii drepte a lui Fleming".

Există, de asemenea, o altă proprietate importantă legată de o bobină, prin faptul că o tensiune secundară este indusă în aceeași bobină prin mișcarea fluxului magnetic, deoarece el se opune sau rezistă oricăror modificări ale curentului electric care curge prin ea..

În forma sa cea mai de bază, un Inductor nu este altceva decât o bobină de sârmă înfășurată în jurul unui miez central. Pentru majoritatea bobinelor, curentul (i) care curge prin bobină produce un flux magnetic (NΦ) în jurul acestuia, proporțional cu acest flux de curent electric.

INDUCTORUL, numit și șoc, este o altă componentă electrică de tip pasiv, care este doar o bobină de sârmă, proiectată pentru a profita de această relație prin inducerea unui câmp magnetic în sine sau în miez, ca urmare a curentului care trece prin bobină. Acest lucru are ca rezultat un câmp magnetic mult mai puternic decât cel care ar fi produs printr-o simplă bobină de sârmă.

Inductorii sunt formați cu sârmă înfășurată strâns în jurul unui miez central solid, care poate fi fie o bară cilindrică dreaptă, fie o bucla sau inel continuu pentru a-și concentra fluxul magnetic.

Simbolul schematic pentru un inductor este cel al unei bobine de sârmă, deci, o bobină de sârmă poate fi, de asemenea, numită Inductor . Inductorii sunt de obicei clasificați în funcție de tipul de miez intern pe care se înfășoară, de exemplu miez gol (aer liber), miez de fier solid sau miez de ferită moale, cu diferitele tipuri de miez deosebite prin adăugarea liniilor paralele continue sau punctate lângă bobină de sârmă, după cum se arată mai jos.

Simboluri pentru inductor

Curentul i care curge printr-un inductor produce un flux magnetic, care este proporțional cu el. Dar, spre deosebire de un condensator care se opune variației de tensiune pe plăcile lui, un inductor se opune ratei de schimbare a curentului care trece prin el datorită acumulării de energie auto-indusă în câmpul său magnetic.

Cu alte cuvinte, inductorii rezistă sau se opun variațiilor de curent, dar vor trece cu ușurință un curent constant DC. Această abilitate a unui inductor de a rezista variațiilor în curent, și care se referă la curentul i corelat cu fluxul său magnetic NΦ ca o constantă a proporționalității, se numește inductanță, care este dată de simbolul L cu unități Henry (H) după Joseph Henry.

Deoarece Henry este o unitate relativ mare de inductanță, pentru inductori mai mici sunt folosite subunitățile lui Henry pentru a numi valoarea lor. De exemplu:

Prefixe pentru inductanță

Deci, pentru a afișa subunitățile lui Henry, vom folosi ca exemplu:

1 mH = 1 mili-Henry - care este egal cu o miime (1/1000) dintr-un Henry.

100 μ H = 100 micro-Henry - care este egală cu 100 milionimi (1 / 1.000.000) din Henry.

Inductorii sau bobinele sunt foarte frecvente în circuitele electrice și există mulți factori care determină inductanța unei bobine cum ar fi forma bobinei, numărul de spire al firelor izolate, numărul de straturi de sârmă, distanța dintre spire, permeabilitatea materialului miezului, dimensiunea sau suprafața secțiunii transversale a miezului etc., pentru a numi câteva.

O bobină inductor are o arie a miezului central (A), cu un număr constant de spire de fir pe unitate de lungime (l). Deci, dacă o bobină de N spire este corelată cu o cantitate de flux magnetic Φ atunci bobina are un flux de NΦ și orice curent (i) care curge prin bobină va produce un flux magnetic indus în direcția opusă curgerii de curent. Atunci, în conformitate cu Legea lui Faraday, orice schimbare a acestei legături de flux magnetic produce o tensiune auto-indusă în bobină de:

unde:
N este numărul de spire
A este secțiunea transversală în m2
Φ este cantitatea de flux din Weberi
μ este permeabilitatea materialului din miez
l este lungimea bobinei în metri
di/dt este rata de variație curentului în amperi/secundă

Un câmp magnetic variabil în timp induce o tensiune care este proporțională cu rata de variație a curentului, cu o valoare pozitivă indicând o creștere a emf și o valoare negativă indicând o scădere a emf. Ecuația care se referă la această tensiune, curent și inductanță auto-indusă poate fi găsită prin substituirea μN²A/l cu L care este constanta de proporționalitate numită Inductanța bobinei.

Relația dintre fluxul din inductor și curentul care trece prin inductor este dată ca: Φ = Li. Deoarece un inductor constă dintr-o bobină de sârmă conductoare, aceasta reduce ecuația de mai sus pentru a da emf auto-indusă, uneori numită emf inversă indusă în bobină:

Emf inversă generată de un inductor

unde: L este auto-inductanța și di/dt rata de schimbare a curentului.

Deci, din această ecuație putem spune că "emf autoindusă = inductanța x rata de schimbare a curentului" și un circuit care are o inductanță de un Henry va avea o emf de un volt indusă în circuit atunci când curentul care trece prin circuit se schimbă la o rată de un amper pe secundă.

Un punct important de notat despre ecuația de mai sus. Ea se referă numai la emf produsă pe inductor la schimbări în curent, deoarece în cazul în care fluxul de curent prin inductor este constant și nu se schimbă, cum ar fi într-un curent constant DC, atunci tensiunea indusă emf va fi zero, deoarece rata instantanee de schimbare a curentului este zero, di/dt = 0.

Cu un curent constant DC care trece prin inductor și, prin urmare, tensiune indusă zero pe el, inductorul acționează ca un scurtcircuit, egal cu o bucată de fir sau cel puțin o rezistență la valoare foarte scăzută. Cu alte cuvinte, opoziția față de curgerea curentului oferită de un inductor este foarte diferită între circuitele AC și DC.

Constanta de timp a unui inductor

Curentul nu poate varia instantaneu într-un inductor, deoarece pentru ca acesta să apară, curentul ar trebui să se schimbe cu o cantitate finită în timp zero, ceea ce ar duce la rata de schimbare a curentului infinită, di/dt = ∞, ceea ce face emf indusă infinită, dar tensiuni infinite nu există. Cu toate acestea, dacă curentul care trece printr-o bobină se schimbă foarte rapid, cum ar fi funcționarea unui întrerupător, pot fi induse tensiuni înalte în bobinele inductoare.

Considerați circuitul inductorului de mai sus. Cu întrerupătorul (S1) deschis, nu trece curent prin bobina inductorului. Deoarece curentul nu trece prin bobină, rata de schimbare a curentului (di/dt) în bobină va fi zero. Dacă rata de schimbare a curentului este zero, nu există nici o emf auto-indusă, (VL=0) în bobina inductorului.

Dacă acum închidem comutatorul (t = 0), un curent va curge prin circuit și va crește lent până la valoarea sa maximă, la o rată determinată de inductanța inductorului. Această rată de curent care curge prin inductor înmulțită cu inductanța inductorului în Henry, are ca rezultat o emf auto-indusă cu valoare fixă ​​produsă pe bobină, determinată prin ecuația lui Faraday de mai sus, VL = Ldi/dt.

Această emf auto-indusă pe bobina inductorului (VL) se luptă împotriva tensiunii aplicate până când curentul atinge valoarea maximă și se atinge o stare staționară. Curentul care curge acum prin bobină este determinat numai de rezistența DC sau "pură" a înfășurărilor bobinelor, deoarece valoarea reactanței bobinei a scăzut la zero, rata de schimbare a curentului (di/dt) fiind zero în regim constant. Cu alte cuvinte, numai rezistența DC a bobinei există acum pentru a se opune fluxului de curent.

În cazul în care comutatorul (S1) este deschis, curentul care trece prin bobină va începe să scadă, dar inductorul va lupta din nou împotriva acestei schimbări și va încerca să mențină curentul curgând la valoarea sa anterioară prin inducerea unei tensiuni în cealaltă direcție. Panta căderii va fi negativă și va fi legată de inductanța bobinei așa cum se arată mai jos.

Curent și tensiune într-un inductor

Cât de multă tensiune indusă va fi produsă de inductor depinde de rata de schimbare a curentului. În tutorialul nostru despre inducția electromagnetică, legea lui Lenz a declarat că: "direcția unei emf induse este astfel încât se va opune întotdeauna schimbării care o provoacă" . Cu alte cuvinte, o emf indusă se va OPUNE întotdeauna mișcării sau schimbării care a declanșat emf indusă în primul rând.

Deci, cu un curent descrescător, polaritatea de tensiune va acționa ca o sursă și cu un curent în creștere polaritatea tensiunii va acționa ca o sarcină. Sau, pentru aceeași rată de schimbare a curentului prin bobină, fie creșterea, fie scăderea magnitudinii emf induse va fi aceeași.

Inductor. Exemplul de nr. 1

Un curent direct de stare staționară de 4 amperi trece printr-o bobină solenoid de 0,5 H. Care ar fi tensiunea emf inversă indusă în bobină dacă comutatorul din circuitul de mai sus a fost deschis pentru 10 ms și curentul care trece prin bobină a scăzut la zero amperi.

Putere într-un inductor

Un inductor într-un circuit se opune fluxului de curent (i) prin el, deoarece fluxul acestui curent induce o emf care se opune, Legea lui Lenz. Atunci, lucrul trebuie făcut de către sursa de baterie externă pentru a menține curentul care curge împotriva acestei emf induse. Puterea instantanee folosită în forțarea curentului (i) împotriva acestei emf autoindusă (VL) este dată de:

Puterea într-un circuit este dată ca P = V.I, prin urmare:

Un inductor ideal nu are rezistență, numai inductanță, deci R = 0 Ω și, prin urmare, nu este disipată nici o putere în bobină, deci putem spune că un inductor ideal are o pierdere de putere zero.

Energie într-un inductor

Când puterea curge într-un inductor, energia este stocată în câmpul său magnetic. Când curentul care trece prin inductor este în creștere și di/dt devine mai mare decât zero, puterea instantanee a circuitului trebuie să fie mai mare de zero (P>0), adică pozitivă, ceea ce înseamnă că energia este stocată în inductor.

Dacă curentul prin inductor este în scădere și di/dt este mai mic decât zero, atunci puterea instantanee trebuie să fie de asemenea mai mică de zero (P<0), adică negativă, ceea ce înseamnă că inductorul readuce energia înapoi în circuit. Atunci, prin integrarea ecuației de putere de mai sus, energia magnetică totală, care este întotdeauna pozitivă, fiind stocată în inductor, este așadar dată de:

Energia stocată de un inductor

unde: W este în jouli, L este în Henri și i este în Amperi

Energia este de fapt stocată în câmpul magnetic care înconjoară inductorul prin curentul care trece prin el. Într-un inductor ideal care nu are rezistență sau capacitate, deoarece curentul crește fluxul de energie în inductor și este stocată acolo în câmpul său magnetic fără pierderi, aceasta nu este eliberată până când curentul scade și câmpul magnetic se prăbușește.

Atunci, într-un curent alternativ, circuit AC, un inductor stochează și furnizează în mod constant energie pe fiecare ciclu. Dacă curentul care circulă prin inductor este constant ca într-un circuit DC, atunci nu există nici o schimbare a energiei stocate deoarece P = Li (di/dt) = 0.

Deci, inductorii pot fi definiți ca componente pasive, deoarece pot să stocheze și să livreze energie în circuit, dar nu pot genera energie. Un inductor ideal este clasificat ca fără pierderi, ceea ce înseamnă că poate stoca energie pe o perioadă nedeterminată, deoarece nu se pierde energie.

Dar, inductorii reali vor avea întotdeauna o anumită rezistență asociată cu înfășurările bobinei și ori de câte ori curentul curge printr-o rezistență energia este pierdută sub formă de căldură datorită Legii lui Ohm (P = I²R) indiferent dacă curentul este alternativ sau constant.

Atunci, utilizarea primară pentru inductoare este în circuitele de filtrare, circuitele de rezonanță și pentru limitarea curentului. Un inductor poate fi utilizat în circuite pentru blocarea sau remodelarea curentului alternativ sau a unei game de frecvențe sinusoidale, iar în acest rol un inductor poate fi utilizat pentru a "regla" un receptor radio simplu sau diferite tipuri de oscilatoare. De asemenea, poate proteja echipamentul sensibil de vârfurile de tensiune distructive și de curenții mari de aprindere.

În următorul tutorial despre Inductori vom vedea că rezistența efectivă a unei bobine se numește Inductanță și că inductanța care, după cum știm acum, este caracteristică unui conductor electric care se opune unei schimbări a curentului poate fi fie indusă intern, numită auto-inductanță sau indusă extern, numită inductanță mutuală.