Катушка индуктивности — Википедия
Обозначение на электрических принципиальных схемахКату́шка индукти́вности — винтовая, спиральная или винтоспиральная катушка из свёрнутого изолированного проводника, обладающая значительной индуктивностью при относительно малой ёмкости и малом активном сопротивлении. Как следствие, при протекании через катушку переменного электрического тока наблюдается её значительная инерционность.
Применяются для подавления помех, сглаживания биений, накопления энергии, ограничения переменного тока, в резонансных (колебательный контур) и частотно-избирательных цепях, в качестве элементов индуктивности искусственных линий задержки с сосредоточенными параметрами, создания магнитных полей, датчиков перемещений и так далее.
Терминология
При использовании для подавления помех, сглаживания пульсаций электрического тока, изоляции (развязки) по высокой частоте разных частей схемы и накопления энергии в магнитном поле сердечника часто называют дросселем, а иногда реактором.
В силовой электротехнике (для ограничения тока при, например, коротком замыкании ЛЭП) называют реактором.
Цилиндрическую катушку индуктивности, длина которой намного превышает диаметр, называют соленоидом, магнитное поле внутри длинного соленоида однородно. Кроме того, зачастую соленоидом называют устройство, выполняющее механическую работу за счёт магнитного поля при втягивании ферромагнитного сердечника, или электромагнитом. В электромагнитных реле называют обмоткой реле, реже — электромагнитом.
Нагревательный индуктор — специальная катушка индуктивности, рабочий орган установок индукционного нагрева.
При использовании для накопления энергии (например, в схеме импульсного стабилизатора напряжения) называют индукционным накопителем или накопительным дросселем.
Конструкция
Конструктивно выполняется в виде винтовых или винтоспиральных (диаметр намотки изменяется по длине катушки) катушек однослойных или многослойных намоток изолированного одножильного или многожильного (литцендрат) проводника на диэлектрическом каркасе круглого, прямоугольного или квадратного сечения, часто на тороидальном каркасе или, при использовании толстого провода и малом числе витков — без каркаса.
Для увеличения индуктивности катушки часто снабжают замкнутым или разомкнутым ферромагнитным сердечником. Дроссели подавления высокочастотных помех имеют ферродиэлектрические сердечники: ферритовые, флюкстроловые, из карбонильного железа. Дроссели, предназначенные для сглаживания пульсаций промышленной и звуковой частот, имеют сердечники из электротехнических сталей или магнитомягких сплавов (пермаллоев). Также сердечники (в основном ферромагнитные, реже диамагнитные) используют для изменения индуктивности катушек в небольших пределах путём изменения положения сердечника относительно обмотки.
На сверхвысоких частотах, когда ферродиэлектрики теряют свою магнитную проницаемость и резко увеличивают потери, применяются металлические (латунные) сердечники.
На печатных платах электронных устройств также иногда делают плоские «катушки» индуктивности: геометрия печатного проводника выполняется в виде круглой или прямоугольной спирали, волнистой линии или в виде меандра. Такие «катушки индуктивности» часто используются в сверхбыстродействующих цифровых устройствах для выравнивания времени распространения группы сигналов по разным печатным проводникам от источника до приемника, например, в шинах данных и адреса [1].
Свойства катушки индуктивности
Свойства катушки индуктивности:
- Скорость изменения тока через катушку ограничена и определяется индуктивностью катушки.
- Сопротивление (модуль импеданса) катушки растет с увеличением частоты текущего через неё тока.
- Катушка индуктивности при протекании тока запасает энергию в своём магнитном поле.
При отключении внешнего источника тока катушка отдаст запасенную энергию, стремясь поддержать величину тока в цепи. При этом напряжение на катушке нарастает, вплоть до пробоя изоляции или возникновения дуги на коммутирующем ключе.
При отключении внешнего источника тока катушка отдаст запасенную энергию, стремясь поддержать величину тока в цепи. При этом напряжение на катушке нарастает, вплоть до пробоя изоляции или возникновения дуги на коммутирующем ключе.Катушка индуктивности в электрической цепи для переменного тока имеет не только собственное омическое (активное) сопротивление, но и реактивное сопротивление переменному току, нарастающее при увеличении частоты, поскольку при изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая этому изменению.
Катушка индуктивности обладает реактивным сопротивлением, модуль которого XL=ωL{\displaystyle X_{L}=\omega L}, где L{\displaystyle L} — индуктивность катушки, ω{\displaystyle \omega } — циклическая частота протекающего тока. Соответственно, чем больше частота тока, протекающего через катушку, тем больше её сопротивление.
Катушка с током запасает энергию в магнитном поле, равную работе, которую необходимо совершить для установления текущего тока I{\displaystyle I}.
{2}{\mbox{.}}}
При изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, значение которой:
- ε=−LdIdt.{\displaystyle \varepsilon =-L{dI \over dt}{\mbox{.}}}
Для идеальной катушки индуктивности (не имеющей паразитных параметров) ЭДС самоиндукции равна по модулю и противоположна по знаку напряжению на концах катушки:
- |ε|=−ε=U.{\displaystyle |\varepsilon |=-\varepsilon =U{\mbox{.}}}
При замыкании катушки с током на резистор происходит переходной процесс, при котором ток в цепи экспоненциально уменьшается в соответствии с формулой[2]:
- I=I0exp(−t/T),{\displaystyle I=I_{0}exp(-t/T){\mbox{,}}}
где : I{\displaystyle I} — ток в катушке,
- I0{\displaystyle I_{0}}
Реальная катушка в цепи переменного тока
Реальная катушка в отличии от идеальной имеет не только индуктивность, но и активное сопротивление, поэтому при протекании переменного тока в ней сопровождается не только изменением энергии в магнитном поле, но и преобразованием электрической энергии в другой вид.
Ранее было выяснено, что в цепи переменного тока процесс преобразования электрической энергии в другой вид характеризуется активной мощностью цепи Р, а изменение энергии в магнитном поле — реактивной мощностью Q.
В реальной катушке имеют место оба процесса, т. е. ее активная и реактивная мощности отличны от нуля. Поэтому одна реальная катушка в схеме замещения должна быть представлена активным и реактивным элементами.
Схема замещения катушки с последовательным соединением элементов
В схеме с последовательным соединением элементов реальная катушка характеризуется активным сопротивлением R и индуктивностью L.
Активное сопротивление определяется величиной мощности потерь
R = P/I2
а индуктивность — конструкцией катушки. Предположим, что ток в катушке (рис.
13.9, а) выражается уравнением i = Imsinωt. Требуется определить напряжение в цепи и мощность.
При переменном токе в катушке возникает э. д. с. самоиндукции eL поэтому ток зависит от действия приложенного напряжения и эдс eL. Уравнение электрического равновесия цепи, составленное по второму закону Кирхгофа, имеет вид:
Приложенное к катушке напряжение состоит из двух слагаемых,одно из которых uR равно падению напряжения в активном сопротивлении, а другое uL уравновешивает эдс самоиндукции.
В соответствии с этим катушку в схеме замещения можно представить активным и индуктивным сопротивлениями, соединенными последовательно (рис. 13.9, б).
Поэтому:
u = R*Imsinωt + ωLImsin(ωt+π/2).
Векторная диаграмма реальной катушки и полное её сопротивление
Несовпадение по фазе слагаемых в выражении (13.12) затрудняет определение амплитуды и действующей величины приложенного к цепи напряжения U. Поэтому воспользуемся векторным способом сложения синусоидальных величин. Амплитуды составляющих общего напряжения
UmR = RIm; U mL = ωLIm ,
а действующие величины
UR = RI; UL = XLI .
Вектор общего напряжения
U = UR + UL
Для того чтобы найти величину вектора U, построим векторную диаграмму (рис.
13.10, а), предварительно выбрав масштабы тока Mi и напряжения Мu.
За исходный вектор диаграммы принимаем вектор тока I. Направление этого вектора совпадает с положительным направлением оси, от которой отсчитываются фазовые углы (начальная фаза заданного тока Ψi =0). Как и ранее, эту ось удобно (но не обязательно) направить по горизонтали.
Вектор UR по направлению совпадает с вектором тока
Из диаграммы видно, что вектор тока I общего напряжения U отражает вектор тока I на угол φ>0, но φ<90°, а по величине равен гипотенузе прямоугольного треугольника, катетами которого являются векторы падений напряжения в активном и индуктивном сопротивлениях UR и UL :
UR = Ucosφ
Проекция вектора напряжения U на направление вектора тока называется активной составляющей вектора напряжения и обозначается Ua.
Для катушки по схеме рис. 13.9 при Ua = UR
U = Usinφ (13.14)
Проекция вектора напряжения U на направление, перпендикулярное вектору тока, называется реактивной составляющей вектора напряжения и обозначается Up. Для катушки Up = UL
При токе i = Imsinωt уравнение напряжения можно записать на основании векторной диаграммы в виде
U = Umsin(ωt+φ)
Стороны треугольника напряжений, выраженные в единицах напряжения, разделим на ток I. Получим подобный треугольник сопротивлений (рис. 13.10, б), катетами которого являются активное R = UR/I и индуктивное XL = UL/I, сопротивления, а гипотенузой величина Z = U/I.
Отношение действующего напряжения к действующему току данной цепи называется полным сопротивлением цепи.
Стороны треугольника сопротивлений нельзя считать векторами, так как сопротивления не являются функциями времени.
Из треугольника сопротивлений следует
Понятие о полном сопротивлении цепи Z позволяет выразить связь между действующими величинами напряжения и тока формулой, подобной формуле Ома:
Из треугольников сопротивления и напряжения определяются
cosφ = UR/U = R/Z; sinφ = UL/U = XL/Z; tgφ = UL/UR = XL/R. (13.18)
Мощность реальной катушки
Мгновенная мощность катушки
p = ui = Umsin(ωt+φ) * Imsinωt
Из графика мгновенной мощности (рис. 13.11) видно, что в течение периода мощность четыре раза меняет знак; следовательно, направление потока энергии и в данном случае в течение периода меняется.
Относительно некоторой оси t’, сдвинутой параллельно оси t на величину Р, график мгновенно мощности является синусоидальной функцией двойной частоты.
При положительном значении мощности энергия переходит от источника в приемник, а при отрицательном — наоборот. Нетрудно заметить, что количество энергии, поступившей в приемник (положительная площадь), больше возвращенной обратно (отрицательная площадь).
Следовательно, в цепи с активным сопротивлением и индуктивностью часть энергии, поступающей от генератора, необратимо превращается в другой вид энергии, но некоторая часть возвращается обратно. Этот процесс повторяется в каждый период тока, поэтому в цепи наряду с непрерывным превращением электрической энергии в другой вид энергии (активная энергия) часть ее совершает колебания между источником и приемником (реактивная энергия).
Скорость необратимого процесса преобразования энергии оценивается средней мощностью за период, или активной мощностью Р, скорость обменного процесса характеризуется реактивной мощностью Q.
Согласно выводам полученных в этих предыдущих (первая, вторая) статьях — в активном сопротивлении P = URI Q = 0; а в индуктивном Р = 0; Q = ULI.
Активная мощность всей цепи равна активной мощности в сопротивлении R, а реактивная — реактивной мощности в индуктивном сопротивлении XL. Подставляя значения UR = Ucosφ и UL = Usinφ, определяемые из треугольника напряжений по формулам (13.18), получим:
P = UIcosφ (13.19)
Q = UIsinφ (13.20)
Кроме активной и реактивной мощностей пользуются понятием полной мощности S, которая определяется произведением действующих величин напряжения и тока цепи;
S = UI = I2Z (13.
21)
Величину полной мощности можно получить из выражения (13.22), которое легко доказать на основании формул (13.19) и (13.20):
(13.22)
Мощности S, Р, Q графически можно выразить сторонами прямоугольного треугольника (см. рис. 13.10, в). Треугольник мощностей получается из треугольника напряжений, если стороны последнего, выраженные в единицах напряжения, умножить на ток. Из треугольника мощностей можно определить
cosφ = P/S; sinφ = Q/S; tgφ = Q/P. (13.23)
Полная мощность имеет ту же размерность, что Р и Q, но для различия единицу полной мощности называют вольт-ампер (В · А).
Активная мощность Р меньше или равна полной мощности цепи.
Отношение активной мощности цепи к ее полной мощности P/S =
= cosφ называют коэффициентом мощности.
Назначение приемников электрической энергии — преобразование
ее в другие виды энергии. Поэтому колебания энергии в цепи не только
бесполезны, но и вредны, так как при этом в приемнике не совершается
полного преобразования электрической энергии в работу или тепло,
а в соединительных проводах она теряется.
Схема замещения реальной катушки с параллельным соединением элементов
Для реальной катушки можно составить и другую расчетную схему — с параллельным соединением двух ветвей: с активной G и индуктивной BL проводимостями. На рис. 13.12, б эта схема показана в сравнении со схемой последовательного соединения активного и индуктивного сопротивлений (рис. 13.12, а), рассмотренной ранее.
Покажем, что схемы рис. 13.12, а, б эквивалентны в том смысле, что при одинаковом напряжении сохраняются неизменными ток в неразветвленной части цепи, активная и реактивная мощности.
Вектор тока I можно разложить на две взаимно перпендикулярные составляющие и в соответствии со схемой и векторной диаграммой на рис.
13.12, б выразить векторным равенством
I = IG + IL (13.24)
Для схемы параллельного соединения активного и индуктивного элементов общим является приложенное напряжение, а токи разные: IG —ток в ветви с активной проводимостью, по фазе совпадает с напряжением; IL — ток в ветви с индуктивной проводимостью, по фазе отстает от напряжения на угол 90°.
Вектор тока I и его составляющие IG и IL образуют прямоугольный треугольник, поэтому
Составляющая тока в активном элементе
IG = Icosφ
Проекция вектора тока I на направление напряжения называется активной составляющей вектора тока и обозначается Iа.
Для катушки по схеме на рис. 13.12, б Ia = IG.
Составляющая тока в реактивном элементе
IL = Isinφ
Проекция вектора тока I на направление, перпендикулярное вектору напряжения, называется реактивной составляющей вектора тока и обозначается Iр. Для катушки Iр = IL .
Стороны треугольника токов, выраженные в единицах тока, можно разделить на напряжение U и получить подобный треугольник проводимостей, катетами которого являются активная G = IG/U и индуктивная ВL = IL/U проводимости, а гипотенузой — величина Y = I/U, называемая полной проводимостью цепи.
Из треугольника проводимостей и с учетом ранее полученных выражений из треугольника сопротивлений получим
Промежуточный контроль по физике 11 класс | Методическая разработка по физике (11 класс):
Промежуточный контроль по физике
учени___ 11 класса
________________________________________________________________________
Вариант 1.
1. Если в катушку вдвигают постоянный магнит и в ней возникает электрический ток, то это явление называется:
А. Электростатической индукцией Б. Магнитной индукцией
В. Индуктивность Г. Электромагнитной индукцией
Д. Самоиндукцией
2.Магнитный поток через контур площадью 10 см2 равен 40 мВб. Угол между векторами индукции и нормалью равен 60 . Модуль индукции магнитного поля равен:
А. 2∙10-5 Тл Б. 8∙105 Тл В. 80 Тл Г. 8 Тл Д. 20 Тл
3.При уменьшении тока в катушке в 2 раза энергия ее магнитного поля:
А. Уменьшится в 2 раза Б. Увеличится в 2 раза
В. Уменьшится в 4 раза Г. Увеличится в 4 раза
4. ЭДС самоиндукции, возникающая в катушке индуктивностью 0,2 Гн при равномерном изменении тока от 5 А до 1А за 2 с, равна:
А. 1,6 В Б. 0,4 В В. 10 В Г. 1 В. Д. 2,5 В
5.В катушке, имеющей 1000 витков, при равномерном исчезновении магнитного поля в течение 0,1 с индуцируется ЭДС, равная 10 В.
Поток, пронизывающий каждый виток катушки, равен:
А. 10 Вб Б. 1 Вб В. 0,1 Вб Г. 10-2 Вб Д. 10-3 Вб
6. . Если емкость уменьшится в 2 раза, а индуктивность возрастет в 8 раз, то частота колебаний в электрическом контуре:
А. Увеличится в раз Б. Уменьшится в раз
В. Увеличится в 2 раза Г. Уменьшится в 2 раза
Д. Уменьшится в 4 раза
7. Амплитуда гармонических колебаний напряжения равна 10 В. Действующее значение переменного напряжения равно:
А. 10 В Б. 5 В В. 9 В Г. 14 В Д. 7 В
8. Волну, в которой колебания происходят перпендикулярно перемещению этой волны, называют:
а) продольной г) механической
б) поперечной д) звуковой
в) электромагнитной
9. Частота колебаний электромагнитной волны определяется выражением:
а) б)
в) г) д)
10.Генератор ВЧ работает на частоте 150 МГц.
Длина волны электромагнитного излучения равна:
а) 0,5 м б) 1 м в) 2 м
г) 4,5 м д) 5 м
11. Предмет расположен на двойном фокусном расстоянии от тонкой линзы. Его изображение будет
а) перевернутым и увеличенным б) прямым и увеличенным
в) прямым и равным по размерам предмету
г) перевернутым и равным по размеру предмету
12.Угол падения света на горизонтально расположенное плоское зеркало равен 300. Каким будет угол отражения света, если повернуть зеркало на 100 так, как показано на рисунке?
а) 400 б) 300
в) 200 г) 100
Промежуточный контроль по физике
учени___ 11 класса
________________________________________________________________________
Вариант2
1. Если катушку надевают на постоянный магнит и в ней возникает электрический ток, то это явление называется:
А. Электростатической индукцией Б. Магнитной индукцией
В. Индуктивностью Г. Электромагнитной индукцией
Д. Самоиндукцией
2.Определите магнитный поток Ф через контур площадью 20 см2в однородном магнитном поле с индукцией , равной 40 Тл, если угол между вектором индукции и нормалью к плоскости контура равен 60 .
А. 104 Вб Б. 10-4 Вб В. 4∙10-2 Вб Г. 4∙102 Вб Д. 1 Вб
3.При увеличении тока в катушке в 3 раза энергия ее магнитного поля:
А. Увеличится в 3 раза Б. Уменьшится в 3 раза
В. Увеличится в 9 раз Г. Уменьшится в 9 раз
Д. Не изменится
4. ЭДС самоиндукции, возникающая в катушке индуктивностью 0,2 Гн при равномерном изменении тока от 6 А до 1А за 1 с, равна:
А. 1,6 В Б. 0,4 В В. 10 В Г. 1 В. Д. 2,5 В
5. В катушке, имеющей 1000 витков поток, пронизывающий каждый виток катушки, равен 0,01 Вб. При равномерном исчезновении магнитного поля в течение 1с будет индуцироваться ЭДС, равная:
А. 10 В Б. 1 В В. 0,1 В Г. 10-2 В Д. 10-3 В
6. Если емкость уменьшится в 2 раза, а индуктивность возрастет в 4 раза, то период колебаний в электрическом контуре:
А. Уменьшится в раз Б. Увеличится в раз
В. Уменьшится в 2 раза Г. Увеличится в 2 раза
Д. Увеличится в 4 раза
7. Амплитуда гармонических колебаний силы тока равна 10 А. Действующее значение силы тока равно:
А. 10 А Б. 5 А В. 14 А Г. 7 А Д. 9 А
8 Колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени, называются:
а) свободными г) волной
б) вынужденными д) затухающими
в) автоколебаниями
9.Длина электромагнитной волны определяется выражением:
а) б) в) г) д)
10. Длина волны электромагнитного излучения генератора ВЧ равна 2 м. Генератор работает на частоте
а) 150МГц б)60 МГц в) 600 МГц
г)15 МГц д) 1,5 МГц
11.На каком расстоянии от собирающей линзы нужно поместить предмет, чтобы его изображение было действительным?
а) большем, чем фокусное расстояние б) меньшем, чем фокусное расстояние
в) при любом расстоянии изображение будет действительным
г) при любом расстоянии изображение будет мнимым
12.Угол падения света на горизонтально расположенное плоское зеркало равен 300. Каким будет угол отражения света, если повернуть зеркало на 100 так, как показано на рисунке?
а) 400 в) 200
б) 300 г) 100
Вариант 3
1. Индуктивность в системе СИ имеет размерность:
А. В Б. Тл В. Гн Г. Вб Д. Ф
2.Определите магнитный поток Ф через контур площадью 10 см2в однородном магнитном поле с индукцией , равной 20 Тл, если угол между вектором индукции и нормалью к плоскости контура равен 60 .
А. 104 Вб Б. 10-2 Вб В. 4∙10-2 Вб Г. 4∙102 Вб Д. 1 Вб
3.При уменьшении тока в катушке в 3 раза энергия ее магнитного поля:
А. Увеличится в 3 раза Б. Уменьшится в 3 раза
В. Увеличится в 9 раз Г. Уменьшится в 9 раз
Д. Не изменится
4.ЭДС самоиндукции, возникающая в катушке индуктивностью 0,8 Гн при равномерном изменении тока от 3 А до 1А за 1с, равна:
А. 1,6 В Б. 0,4 В В. 10 В Г. 1 В. Д. 2,5 В
5. В катушке, имеющей 100 витков, при равномерном исчезновении магнитного поля в течение 0,1 с индуцируется ЭДС, равная 10 В. Поток, пронизывающий каждый виток катушки, равен:
А. 10 Вб Б. 1 Вб В. 0,1 Вб Г. 10-2 Вб Д. 10-3 Вб
6.Если емкость увеличится в 4 раза и индуктивность возрастет в 4 раза, то период колебаний в электрическом контуре:
А. Уменьшится в раз Б. Увеличится в раз
В. Уменьшится в 2 раза Г. Увеличится в 2 раза
Д. Увеличится в 4 раза
7. Амплитуда гармонических колебаний силы тока равна 7 А. Действующее значение силы тока равно:
А. 10 А Б. 5 А В. 14 А Г. 7 А Д. 9 А
8.Волну, в которой колебания происходят вдоль линии перемещения этой волны, называют:
а) продольной г) механической
б) поперечной д) звуковой
в) электромагнитной
9. .Период колебаний электромагнитной волны определяется выражением:
а) б)
в) г) д)
10.Длина радиоволны, на которой суда передают сигнал бедствия SOS, равна 600 м. На какой частоте передаются такие сигналы?
а) 1,8·1011 Гц г) 2·105 Гц
б) 2·10-6 Гц д) 5·104 Гц
в) 5·105 Гц
11. Предмет расположен между собирающей линзой и ее фокусом. Изображение предмета –
а) мнимое, перевернутое б) действительное, перевернутое
в) действительное, прямое г) мнимое, прямое
12.Оптический прибор, преобразующий параллельный световой пучок А в расходящийся пучок С, обозначен на рисунке квадратом. Этот прибор действует как
а) линза б) прямоугольная призма
в) зеркало г) плоско-параллельная пластина
Ответы к тесту
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | |
I | г | в | в | б | д | г | д | б | в | в | г | в |
II | г | в | в | г | а | б | г | г | в | а | а | а |
III | в | б | г | а | г | д | б | а | б | в | г | а |
1. Магнитное поле и индуктивность | 14. Катушки индуктивности | Часть1
1. Магнитное поле и индуктивность
Магнитное поле и индуктивность
Вокруг всякого проводника, по которому течет ток, возникает магнитное поле. Такой эффект называется электромагнетизмом. Магнитные поля оказывают влияние на выравнивание электронов в атомах, и могут вызывать физическую силу, способную развиваться в пространстве. Как и электрические поля, магнитные поля могут занимать совершенно пустое пространство, и воздействовать на материю на расстоянии.
Магнитное поле обладает двумя основными характеристиками: магнитодвижущей силой и магнитным потоком. Общее количество поля или его эффект называется магнитным потоком, а сила, которая формирует этот магнитный поток в пространстве, называется магнитодвижущей силой. Эти две характеристики примерно аналогичны электрическому напряжению (магнитодвижущая сила) и электрическому току (магнитный поток) в проводнике. Магнитный поток, в отличие от электрического тока (который существует только там, где есть свободные электроны), может распространяться в абсолютно пустом пространстве. Пространство оказывает сопротивление магнитному потоку точно так же, как проводник оказывает сопротивление электрическому току. Величина магнитного потока равна магнитодвижущей силе, поделенной на сопротивление среды.
Магнитное поле имеет отличия от электрического поля. Если электрическое поле зависит от имеющегося количества разноименных зарядов (чем больше электрических зарядов одного вида на одном проводнике, и противоположного, на другом, тем больше будет электрическое поле между этими проводниками), то магнитное поле создается потоком электронов (чем интенсивнее движение электронов, тем больше вокруг них магнитного поля).
Устройство, способное запасать энергию магнитного поля, называется катушкой индуктивности. Форма катушки создает гораздо более сильное магнитное поле, чем обычный прямолинейный проводник. Конструкционной основой катушки индуктивности является диэлектрический каркас, на который наматывается провод в виде спирали (существуют так же и бескаркасные катушки). Обмотка может быть как однослойной, так и многослойной. Для увеличения индуктивности применяют магнитные сердечники. Помещенный внутрь катушки сердечник концентрирует магнитное поле и тем самым увеличивает ее индуктивность.
Условные обозначения катушек индуктивности на электрических схемах выглядят следующим образом:
Поскольку электрический ток создает вокруг катушки концентрированное магнитное поле, магнитный поток этого поля приравнивается к хранилищу энергии (сохранение которой происходит за счет кинетического движения электронов через катушку). Чем больше ток в катушке, тем сильнее магнитное поле, и тем больше энергии будет хранить катушка индуктивности.
Так как катушки индуктивности сохраняют кинетическую энергию движущихся электронов в виде магнитного поля, в электрической цепи они ведут себя совершенно иначе, чем резисторы (которые просто рассеивают энергию в виде тепла). Способность накапливать энергию в зависимости от тока позволяет катушке индуктивности поддерживать этот ток на постоянном уровне. Иными словами, она сопротивляется изменениям тока. Когда ток через катушку увеличивается или уменьшается, она производит напряжение, полярность которого противоположна этим изменениям.
Для сохранения большего количества энергии, ток через катушку индуктивности должен быть увеличен. В этом случае напряженность магнитного поля увеличится, что приведет к возникновению напряжения согласно принципу электромагнитной самоиндукции. И наоборот, для высвобождения энергии из катушки, проходящий через нее ток должен быть уменьшен. В этом случае напряженность магнитного поля уменьшится, что приведет к возникновению напряжения противоположной полярности.
Вспомните Первый закон Ньютона, который гласит что всякое тело продолжает удерживаться в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние. С катушками индуктивности ситуация примерно аналогичная: «электроны, движущиеся через катушку стремятся оставаться в движении, а покоящиеся электроны имеет тенденцию оставаться в покое». Гипотетически, короткозамкнутая катушка индуктивности будет сколь угодно долго поддерживать постоянную скорость потока электронов без внешней помощи:
На практике же, катушка индуктивности способна поддерживать постоянный ток только при использовании сверхпроводников. Сопротивление обычных проводов приведет к неизбежному затуханию потока электронов (без внешнего источника энергии).
Когда ток через катушку увеличивается, он создает напряжение, полярность которого противоположна потоку электронов. В этом случае катушка индуктивности выступает в качестве нагрузки. Она, как говорится, «заряжается», поскольку все большее количество энергии сохраняется в ее магнитном поле. На следующем рисунке обратите внимание на полярность напряжения по отношению к направлению тока:
И наоборот, когда ток через катушку уменьшается, на ее выводах возникает напряжение, полярность которого соответствует потоку электронов. В этом случае катушка индуктивности выступает в качестве источника питания. Она высвобождает энергию магнитного поля в остальную часть схемы. Обратите внимание на полярность напряжения по отношению к направлению тока:
Если ненамагниченную катушку индуктивности подключить к источнику питания, то в первоначальный момент времени она будет сопротивляться потоку электронов пропуская все напряжение источника. Как только ток начнет возрастать, сила магнитного поля, созданного вокруг катушки, будет увеличиваться поглощая энергию источника питания. В конечном итоге ток достигнет максимального значения и прекратит свой рост. В этот момент катушка прекращает поглощать энергию от источника питания и напряжение на ее выводах падает до минимального уровня (в то время как ток остается на максимальном уровне). Таким образом, при сохранении большего количества энергии, ток через катушку индуктивности увеличивается, а напряжение на ее выводах падает. Заметьте, такое поведение полностью противоположно поведению конденсатора, в котором увеличение количества запасенной энергии приводит к увеличению напряжения на его выводах. Если конденсаторы используют запасенную энергию на поддержание постоянной величины напряжения, то катушки индуктивности такую энергию используют на поддержание постоянной величины тока.
Тип материала, из которого изготавливается провод катушки, оказывает значительное влияние на магнитный поток (а следовательно и на количество запасаемой энергии) создаваемый заданной величиной тока. Влияет на магнитный поток и материал, из которого изготавливается сердечник катушки индуктивности: ферромагнитный материал (например железо) создаст более сильный поток, чем немагнитный материал (например алюминий или воздух).
Способность катушки индуктивности извлекать энергию из источника электрического тока и сохранять ее в виде магнитного поля называется индуктивностью. Индуктивность так же является мерой сопротивления изменениям тока. Для обозначения индуктивности используется символ «L», а измеряется она в Генри, сокращенно «Гн»
Является ли индукция более эффективной, чем электрическая катушка или газ? Сравнение энергоэффективности печей
Разоблачение мифа о том, что индукция более эффективна, чем электрическая катушка
Министерство энергетики США (DOE) оценило КПД электрической катушки примерно в 74-77%, а индукцию — в 84%. 1 Коммунальные исследования показали аналогичные результаты эффективности индукции около 80-81%. 2 (Кстати, газовые плиты менее эффективны, чем электрические, в месте использования.Когда вы используете газовую плиту с посудой, около 60% энергии пламени тратится в виде тепла, которое повышает температуру вашего кухонного воздуха, если он не вентилируется; однако, если вы рассматриваете всю систему от электростанции до плиты, газ не обязательно менее эффективен, чем электрическая катушка или индукция.) 3
Тем не менее, Министерство энергетики рассмотрело новые протоколы испытаний, согласно которым индукционные печи не более эффективны, чем электрические змеевики. 4 Другое недавнее исследование, проведенное отраслевым научно-исследовательским институтом, показало, что катушка может быть на более энергоэффективной, чем индукционная, при кипячении воды в кастрюлях, которые полностью покрывают диаметр катушки. 5
Для моего собственного теста я кипятил воду на двух переносных горелках (одна электрическая катушка, другая индукционная) с той же мощностью и тем временем, в течение которого кастрюля кипела быстрее. Я измеряю потребление энергии через мониторы энергии. Находясь немного выше уровня моря, я решил, что определяю «кипение» как достижение 211 градусов по Фаренгейту (99,44 градусов по Цельсию).
МЕТОДОЛОГИЯ
Моя испытательная установка состояла из электрической одинарной горелки IMUSA USA GAU-80305 мощностью 1100 Вт, черного цвета, портативной индукционной плиты Vollrath Mirage Pro 59500P 1800 Вт, пары 4-квартальных половинных горшков Sitram Profiserie (здесь я рассматриваю серию Sitram Profiserie), пара мониторов потребления электроэнергии P3 P4400 Kill A Watt, часов, таймера и секундомера Polder 898-95, черного цвета и двойного измерителя температуры Fieldpiece ST4.
Я налил 2,545 кг (около 2,7 литра) воды в каждую кастрюлю, разбрызгивая воду между ними, пока каждая из них не весила 3685 граммов (8,124 фунта) без крышки. (Каждый пустой горшок весил 1140 граммов.) Я оставил их накрытыми примерно на 18 часов, чтобы убедиться, что они имеют ту же температуру, что и комнатная температура в начале моего теста (78 градусов по Фаренгейту). На следующий день оба горшка все еще весили 3685 граммов (мои весы округляются до ближайших 5 граммов). Диаметр нижнего диска каждого резервуара превышал диаметр катушки примерно на дюйм.Я аккуратно поставил каждую кастрюлю по центру каждой горелки.
Змеевиковые горелки IMUSA были рассчитаны на 1100 Вт, но змеевиковые горелки на «высоком» потребляли только около 1000 Вт. В отличие от более дешевых спиральных горелок, IMUSA требует много времени, прежде чем сработает его тепловая защита, чтобы циклически включаться и выключаться; он поддерживал довольно стабильную мощность на протяжении всего теста (в среднем 991 Вт). Чтобы имитировать потребляемую мощность IMUSA, я установил Vollrath на 50% мощности, что потребовало примерно такой же мощности (в среднем 984 Вт). Оба были подключены к идентичным мониторам энергии Kill-A-Watt, которые подключены к идентичным сверхмощным удлинителям, питающимся от цепей на 120 вольт (15 ампер).
На протяжении всего теста я снимал показания температуры в центре воды в каждом горшке. В данных есть некоторая неровность, которую я приписываю колебаниям, возникающим при возникновении конвекционных токов, и ошибке округления (я округлил до ближайшего градуса по Фаренгейту). Обе кастрюли варились без крышки параллельно (рядом друг с другом, одновременно), что исключает любую разницу в температуре или влажности, которая могла возникнуть, если бы я сравнил их время кипения последовательно.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЧАСТЬ 1
Я использовал портативные устройства на 120 вольт каждого типа, а не полноценные варочные панели и диапазоны на 220+ вольт, но мои результаты соответствовали результатам EPRI, DOE и PG & E / Fisher-Nickel. 6
Кастрюля с водой на катушке запускалась медленнее по сравнению с кастрюлей с водой на индукционной катушке. Бак катушки догнал индукционную ванну через 10 минут (151F против 151F), а горшок катушки выдвинулся вперед через 15 минут (181F против 180F). Через 23 минуты горшок змеевика достиг 211F, используя 0,38 кВтч энергии. Через 25 минут индукционная емкость достигла 211F, потребляя 0,41 кВтч энергии. Эти числа означают, что спиральная горелка потребляла в среднем 991 Вт мощности в течение 23 минут нагрева, а индукционная горелка потребляла в среднем 984 Вт мощности в течение 25 минут нагрева. 7
Эти результаты испытаний, кажется, показывают, что в краткосрочной перспективе индукция более эффективна, чем электрическая катушка. Однако в долгосрочной перспективе электрическая катушка не менее эффективна, чем индукционная.
РЕЗУЛЬТАТЫ ВТОРОГО ИСПЫТАНИЯ
Здравый смысл утверждает, что индукция всегда должна начинаться быстрее, чем катушка. Спиральные печи должны нагревать массу кастрюли и воды и змеевика , тогда как индукционные печи должны нагревать только кастрюлю и воду.
Результаты первого теста показали небольшое влияние на змеевик от необходимости нагревать змеевик в дополнение к горшку и воде. Я рассудил, что это потому, что теплоемкость змеевика была незначительной по сравнению с теплоемкостью воды. Учтите, что для своего первого теста я использовал 2,545 кг воды, которая удерживает столько же тепла, сколько колоссальные 24 кг железа.
Чтобы более четко показать влияние необходимости нагревать змеевик вместе с горшком с водой, я снова провел тест.На этот раз я использовал 0,455 кг (около 2 стаканов) воды вместо 2,545 кг (около 2,7 литра). В то время температура в помещении составляла 74 ° F, и я настроил индукционную плиту, чтобы использовать ту же среднюю мощность катушки. Результаты ниже:
Индукционная кастрюля закипела за пять минут. Кастрюля с электрической спиралью закипела через 8 минут и стала намного медленнее нагреваться. Фактически, температура нагрева змеевика составила всего 4 градуса по Фаренгейту после полной минуты нагревания, потому что столько энергии уходило на нагрев змеевика и кастрюли, а не на воду. 8
Замедленная реакция катушки работает в обоих направлениях: даже после того, как я выключил электрическую горелку катушки, горшок катушки продолжал кипеть в течение нескольких секунд. Этот медленный отклик (вверх и вниз) делает использование электрической катушки более раздражающей, чем использование газа и индукции; В этих типах печей включение или выключение конфорки приводит к почти мгновенному отклику в кастрюле.
CAVEAT
Реальный КПД катушки может быть немного ниже, чем проверено.В моих тестах контакт между горшком и катушкой был особенно хорош, потому что я использовал относительно новый плоский горшок с совершенно новой плоской катушкой. Возможно, что царапины или скопившиеся остатки приведут к ухудшению контакта электролизера с катушкой и, следовательно, к снижению эффективности. Более того, если змеевик больше диаметра дна горшка, это также снизит эффективность. Поэтому мои результаты представляют собой сценарий, близкий к лучшему для катушки. (Индукционная кастрюля будет иметь аналогичные проблемы с плоскостностью кастрюли, но царапины не будут иметь значения, и вы можете рассчитывать, что стекло будет плоским и без остатков, поскольку эту поверхность легко чистить.) Примечание редактора, сентябрь 2016 г .: С тех пор я тестировал ту же кастрюлю после того, как на ней накопилось еще несколько царапин, и она не медленнее закипела.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Индукция не должна нагревать катушку в дополнение к кастрюле и еде, поэтому индукция быстрее и эффективнее, чем катушка, для задач быстрого приготовления. Однако катушка немного более эффективна, чем индукционная, для длительных задач по приготовлению пищи, таких как кипячение большого количества воды. В этих случаях катушка имеет достаточно времени, чтобы догнать и пройти индукцию, несмотря на медленный запуск катушки.Большинство людей готовят, используя сочетание коротких и длительных задач по приготовлению пищи, поэтому вы можете думать, что катушка и индукция имеют одинаковую эффективность для большинства людей.
Тем не менее, эффективность — это еще не все. Индукция по-прежнему означает более быстрый отклик, более быстрый нагрев для коротких задач, более точное целевое значение температуры и таймер, более простую очистку и лучшую безопасность, поскольку стекло не нагревается так сильно, как змеевик.
С другой стороны, змеевик обычно намного дешевле и работает со всеми типами посуды (не только с магнитным дном).
Что бы вы ни делали, избегайте электрических излучающих печей (катушки электрического сопротивления под стеклом). Эти электрические плиты дают вам худшее из обоих миров: они дороже катушки, нагреваются медленнее и менее эффективно, чем катушка или индукция, а стекло достигает более высоких температур, чем стекло с индукцией, что означает, что еда может гореть больше легко и привести к трудной очистке.
СНОСКИ
Змеевик и косвенный водонагреватель без резервуара
Змеевик без резервуара и водонагреватели косвенного нагрева используют домашнюю систему отопления для нагрева воды.Они являются частью так называемых интегрированных или комбинированных систем водяного отопления и отопления помещений.
Как они работают
Водонагреватель без резервуара со змеевиком обеспечивает горячую воду по запросу без резервуара. Когда кран горячей воды открыт, вода нагревается, поскольку она течет через нагревательный змеевик или теплообменник, установленный в основной печи или котле. Бесконтактные водонагреватели наиболее эффективны в холодные месяцы, когда система отопления используется регулярно, но могут быть неэффективным выбором для многих домов, особенно для тех, кто находится в более теплом климате.
Водонагреватели косвенного нагрева — более эффективный выбор для большинства домов, даже если для них требуется накопительный бак. В косвенном водонагревателе используется основная печь или бойлер для нагрева жидкости, которая циркулирует через теплообменник в резервуаре для хранения. Энергия, запасенная резервуаром для воды, позволяет печи реже выключаться и включаться, что позволяет экономить энергию. Водонагреватель косвенного нагрева, если он используется с высокоэффективным бойлером и хорошо изолированным баком, может быть наименее дорогим средством обеспечения горячей водой, особенно если бойлер источника тепла настроен на «холодный запуск».»
Ознакомьтесь с основами работы без резервуарного змеевика и косвенного водонагревателя, чтобы узнать больше о том, как они работают.
Косвенные системы могут работать на газе, масле, пропане, электрической, солнечной энергии или в сочетании любого из этих источников. Бестакельные системы обычно бывают электрическими , работающих на жидком топливе или газе. Эти системы водяного отопления работают с системами принудительного воздушного отопления и водяными или лучистыми системами подогрева полов.
Выбор комбинированной системы водяного и космического отопления
Интегрированные или комбинированные системы водяного и космического отопления обычно стоят больше, чем отдельный водонагреватель и топка или бойлер, но затраты на установку и обслуживание могут быть меньше.Например, вам не понадобится несколько подключений к электросети, поскольку есть один источник тепла. Также не так много движущихся частей, которые нужно обслуживать или обслуживать. Некоторые из этих высокоэффективных систем также могут снизить затраты на коммунальные услуги.
Большинство комбинированных систем водяного отопления и отопления помещений обычно предназначены для нового строительства. Однако есть несколько модернизированных устройств, которые могут работать с существующим водонагревателем.
При выборе системы нужно учитывать ее размер.Расчет комбинированной системы требует некоторых расчетов, отличных от расчетов, используемых для расчета размеров отдельной системы водяного отопления или отопления помещений. Лучше доверить это квалифицированному подрядчику по сантехнике и отоплению.
Для определения энергоэффективности комбинированной системы водяного отопления и отопления помещений используйте ее комбинированный рейтинг эффективности бытовых приборов (CAE). Чем выше число, тем более энергоэффективно. Показатели эффективности комбинированного прибора варьируются от 0,59 до 0,90.
Установка и обслуживание системы
Правильная установка и обслуживание вашей комбинированной системы водяного отопления и отопления помещений может оптимизировать ее энергоэффективность.
Правильная установка вашей системы будет зависеть от многих факторов. Эти факторы включают тип топлива, климат, местные строительные нормы и правила и вопросы безопасности. Поэтому лучше всего, чтобы его установил квалифицированный специалист по сантехнике и отоплению. При выборе подрядчика обязательно сделайте следующее:
- Запросите смету расходов в письменной форме
- Спросите рекомендации
- Свяжитесь с местным бюро Better Business Bureau
- Узнайте, получит ли компания местное разрешение, если необходимо, и понимает ли местные строительные нормы и правила и т. д.
Периодическое обслуживание вашей системы может значительно продлить срок службы водонагревателя и свести к минимуму потерю эффективности. Проконсультируйтесь со своим установщиком и прочтите руководство пользователя для получения конкретных рекомендаций по обслуживанию.
Повышение энергоэффективности
После того, как ваша комбинированная система правильно установлена и обслуживается, попробуйте некоторые дополнительные стратегии энергосбережения для нагрева воды, отопления и охлаждения помещений, чтобы снизить ваши счета за коммунальные услуги.
Energy Creator |
| Генераторы, напечатанные на 3D-принтере Генератор 3D 1________________________ | |||||||||||||||