Розрахунок намагнічує пристрої для магнітопорошкового методу неруйнівного контролю - курсова
3.1 Фізична природа індуктивності
Котушки індуктивності мають властивість надавати реактивний опір змінному струмі при незначному опорі постійному струму. Спільно з конденсаторами вони використовуються для створення фільтрів, які здійснюють частотну селекцію електричних сигналів, а так само для створення елементів затримки сигналів і запам'ятовуючих елементів, здійснення зв'язку між ланцюгами через магнітний потік і т.д.
На відміну від резисторів і конденсаторів вони не є стандартизованими виробами, а виготовляються для конкретних цілей і мають такі параметри, які необхідні для здійснення тих чи інших перетворень електричних сигналів, струмів і напруг.
Функціонування котушок індуктивності засноване на взаємодії струму і магнітного потоку. Відомо, що при зміні магнітного потоку Ф в провіднику, що знаходиться в магнітному полі, виникає ЕРС, яка визначається швидкістю зміни магнітного потоку
Тому при підключенні до провідника джерела постійної напруги струм в ньому встановлюється не відразу, так як в момент включення змінюється магнітний потік і в проводі індукується ЕРС, що перешкоджає наростанню струму, а через деякий час, коли магнітний потік перестає змінюватися.
Якщо ж до провідника підключений джерело змінної напруги, то струм і магнітний потік будуть змінюватися безперервно і наводиться в провіднику ЕРС буде перешкоджати протіканню змінного струму, що еквівалентно збільшенню опору провідника.
Чим вище частота зміни напруги, прикладеного до провідника, тим більше величина ЕРС, що наводиться в ньому, отже, тим більше опір, який чиниться провідником протікає току. Це опір XL не пов'язане з втратами енергії, тому є реактивним. При зміні струму за синусоїдальним законом наводимая ЕРС буде дорівнює
Вона пропорційна частоті w. а коефіцієнтом пропорційності є індуктивність L. Отже, індуктивність характеризує здатність провідника чинити опір змінному струмі. Величина цього опору ХL = wL
Індуктивність короткого провідника (мкГн) визначається його розмірами:
де l - довжина дроту в см,
d - діаметр проводу в см.
Якщо провід намотаний на каркас, то утворюється котушка індуктивності. В цьому випадку магнітний потік концентрується і величина індуктивності зростає.
3.2 Загальні відомості про котушках індуктивності
Котушка індуктивності є згорнутий в спіраль ізольований провідник, що володіє значною індуктивністю при відносно малої місткості та малому активному опорі.
Котушка індуктивності складається з одножильного, рідше багатожильного, ізольованого проводу, намотаного на каркас з діелектрика циліндричної, тороидальной або прямокутної форми відповідно до малюнком 3.1, існують також безкаркасні котушки індуктивності.
Намотування буває одношарова (звичайна і з кроком) і багатошарова (звичайна, внавал, універсальна).
Для збільшення індуктивності застосовують сердечники з феромагнітних матеріалів: електротехнічної сталі, пермаллоя, карбонільного заліза, феритів. Сердечники використовують також для зміни індуктивності резонансних контурів в невеликих межах.
Значення індуктивності котушки індуктивності пропорційно лінійним розмірам котушки, квадрату числа витків намотування і магнітної проникності сердечника і змінюється від десятих часток мкгн до десятків гн.
До основних параметрів котушки індуктивності відносяться опір втрат, добротність, температурний коефіцієнт індуктивності, власна ємкість.
Котушки індуктивності широко застосовують як елементи фільтрів і коливальних контурів, в трансформаторах, в якості дроселів, в реле, магнітних підсилювачах, електромагнітах і ін.
Малюнок 3.1 - Котушки індуктивності:
а) циліндрична одношарова;
б) тороїдальне багатошарове;
в) з циліндричним сердечником;
г) з П-образним сердечником;
д) зразкова індуктивність на керамічному тороіде;
1 - намотування (провід);
h - довжина намотування;
d - внутрішній діаметр намотування;
D - зовнішній діаметр намотування.
Соленоїд - котушка індуктивності, виконана у вигляді намотаного на циліндричний каркас ізольованого провідника, по якому тече електричний струм. Соленоїд являє собою систему кругових струмів однакового радіуса, що мають спільну вісь відповідно до малюнком 3.2-а.
Малюнок 3.2 - Соленоид і його магнітне поле
Якщо подумки розрізати витки соленоїда поперек, позначити напрямок струму в них, як було зазначено вище, і визначити напрямок магнітних індукційних ліній за «правилом свердлика», то магнітне поле всього соленоїда буде мати такий вигляд, як показано на малюнку 3.2-б.
На осі нескінченно довгого соленоїда, на кожній одиниці довжини якого намотано n0 витків, напруженість поля визначається формулою:
У тому місці, де магнітні лінії входять в соленоїд, утворюється південний полюс, де вони виходять - північний полюс.
Для визначення полюсів соленоїда користуються «правилом свердлика», застосовуючи його в такий спосіб: якщо розташувати буравчик уздовж осі соленоїда і обертати його у напрямку струму в витках соленоїда, то поступальний рух гвинта покаже напрямок магнітного поля відповідно до малюнком 3.3.
Малюнок 3.3 - Застосування правило гвинта
Соленоїд, усередині якого знаходиться сталевий (залізний) сердечник відповідно до малюнком 3.4, називається електромагнітом. Магнітне поле у електромагніту сильніше, ніж у соленоїда, так як шматок сталі, вкладений в соленоїд, намагнічується і результуюче магнітне поле посилюється.
Полюси у електромагніту можна визначити, так само як і у соленоїда, за «правилом свердлика».
Малюнок 3.4 - Полюса соленоїда
Магнітний потік соленоїда (електромагніту) збільшується зі збільшенням числа витків і струму в ньому. Сила, що намагнічує залежить від твору струму на число витків (числа ампер-витків).
Якщо, наприклад, взяти соленоїд, по обмотці якого проходить струм 5А, і число витків якого дорівнює 150, то число ампер-витків буде 5 • 150 = 750. Той же магнітний потік вийде, якщо взяти 1500 витків і пропустити по ним ток 0,5 А., так як 0,5 • 1500 = 750 ампер-витків.
Збільшити магнітний потік соленоїда можна наступними шляхами:
а) вкласти в соленоїд сталевий сердечник, перетворивши його в електромагніт;
б) збільшити перетин сталевого сердечника електромагніту (так як при даних струмі, напруженості магнітного поля, і стало бути, магнітної індукції збільшення перетину веде до зростання магнітного потоку);
в) зменшити повітряний зазор електромагніту (так як при зменшенні шляху магнітних ліній по повітрю зменшується магнітний опір).
Індуктивність соленоїда. Індуктивність соленоїда виражається наступним чином:
де V - об'єм соленоїда.
Без використання магнітного матеріалу щільність магнітного потоку B в межах котушки є практично незмінною і дорівнює
де μ0 - магнітна проникність вакууму;
N - число витків;
l - довжина котушки.
Нехтуючи крайовими ефектами на кінцях соленоїда, отримаємо, що потокосцепление через котушку одно щільності потоку B, помноженому на площу поперечного перерізу S і число витків N:
Звідси випливає формула для індуктивності соленоїда еквівалентна попереднім двома формулами
Соленоїд на постійному струмі. Якщо довжина соленоїда набагато більше його діаметра і не використовується магнітний матеріал, то при протіканні струму по обмотці всередині котушки створюється магнітне поле, спрямоване вздовж осі, яке однорідно і для постійного струму за величиною одно
де μ0 - магнітна проникність вакууму;
n = N / l - число витків на одиницю довжини;
I - струм в обмотці.
При протіканні струму соленоїд запасає енергію, рівну роботі, яку необхідно зробити для встановлення поточного струму I. Величина цієї енергії дорівнює
При зміні струму в соленоїді виникає ЕРС самоіндукції, значення якої
Соленоїд на змінному струмі. При змінному струмі соленоїд створює змінне магнітне поле. Якщо соленоїд використовується як електромагніт, то на змінному струмі величина сили тяжіння змінюється. У разі якоря з магнітомягкого матеріалу напрям сили тяжіння не змінюється.
У разі магнітного якоря напрямок сили змінюється. На змінному струмі соленоїд має комплексний опір, активна складова якого визначається активним опором обмотки, а реактивна складова визначається індуктивністю обмотки.
Застосування соленоїдів. Магніти постійного струму найчастіше застосовуються як поступальний силовий електропривод. На відміну від звичайних електромагнітів забезпечує великий хід. Силова характеристика залежить від будови магнітної системи (сердечника і корпусу) і може бути близька до лінійної. Магніти надають руху ножиці для відрізання квитків і чеків в касових апаратах, язички замків, клапани в двигунах, гідравлічних системах і ін.