В первых моих статьях, я старался, преподнести Вам с практической стороны такие популярны элементы, как резисторы и конденсаторы. После долгого перерыва летом, во время которого я предоставил вам несколько советов по замене элементов, вернемся к основным элементам. Сегодня на семинаре у нас индуктивные элементы: дроссели, катушки и трансформаторы.

В следующих двух разделах, перед разговором о катушках, вернемся к некоторым основным соображениям. В редакцию приходить много писем с просьбами дать информацию для начинающих.

Я хорошо знаю, что большинство электронщиков не понимают полностью вопросов связанных с магнетизмом. Скажу больше - даже многие инженеры, которые студентами должны были сдавать по этому экзамены, имеют проблемы с практическим использованием своих знаний магнетизма. Не удивляйтесь - все учебники, которые до сих пор встречаются, представляют дело, таким образом, я бы сказал сухо и не практично. Хотя предоставленная информация является точной и правдивой, но не знаю, как ее взять, что бы она вписывалась в практику.

Осведомляю, что я ставлю трудную задачу - на самом деле попытаюсь объяснить вам основы магнетизма доступно и показать, что в работе катушки и трансформатора нет ни чего магического или не понятного.

Поскольку тема действительно не простая, подойдем к ней несколько раз: Во-первых, на гидравлической модели покажем основные вопросы. Это будет грубая модель - но не сердитесь, что я пользуюсь такими примерами, ведь эта статья для новичков. Эта часть будет содержать основание принципы и явления индуктивности и необходимые формулы.

Во втором подходе, введем минимальные знания об индуктивных элементах, которые необходимы для среднего радиолюбителя. Если возможно, постарайтесь понять физическую основу, что происходит в сердечнике трансформатора и катушки и как он влияет на параметры данных индуктивных элементов.

Вперед!

Уверен, что вы знаете такое катушка индуктивности. Попросту говоря, это элемент состоящий из нескольких витков провода. Обычно катушка намотана на пластиковом корпусе (каркасе); может быть со стрежнем из ферромагнитного материала (феррита или листового трансформаторного железа).

Основным параметром катушки является индуктивность, выражается в Генри, (миллигенри или микрогенри). На электрических схемах катушки обозначаются буквой L, L - так же обозначают индуктивность.

В книгах для начинающих, для легкого введения и иллюстрации понятий, связанных с электричеством, что представляют гидравлические аналоги электрических цепей. Очевидно, что это грубое упрощение. Но знакомят с важными вопросами и зависимостями. Такая модель движения воды изображена на рисунке 1. Она состоит из насоса, главного клапана, четыре сужения, длиной вертикальной трубки (открытой сверху), обратный клапан и турбина. На рисунке 2 показан электрический эквивалент такой цепи.


В электрической цепи говорят о напряжении питания схемы, напряжение обозначается буквой U. Единица напряжения электрического есть Вольт, коротко обозначается V (названа в честь итальянского физика Гиованни Вольта).

В электрической цепи может течь ток. Электрический ток в первом приближении это движение электронов. Сила тока, т.е. упрощенно количество электронов текущих за единицу времени, обозначается символом I. Единица измерения тока - Ампер (сокращено А). Названа в честь французского физика Андре М Ампера. В повседневной практики вместо: сила тока, говорят коротко - ток.

А теперь очень важная информация: эквивалент электрического напряжения - давление воды, а эквивалент силы тока - расход. Т.е. просто количество вытекшей воды.

Гидравлический насос создает определенное давление. Если закрыть основной клапан (что соответствует на схеме выключателю S1), то вода не сможет течь и будет производится максимально рабочее давление насоса, которое зависит от конструкции насоса. Это максимальное давление, в электрической цепи можно сравнить с электродвижущей силой, ЭДС или E - таким образом, на рисунке 2 источник напряжения рассматривается как, соединенные последовательно источник питания E ЭДС и внутреннее сопротивление Rw.

Если открыть основной клапан (включить переключателя S1), то по схеме потечет вода (ток). Некоторая часть воды потечет через отверстие 1 (резистор R1). Чем меньше отверстие, тем меньше воды, это понятно интуитивно. Это хорошо видно по закону Ома, сила тока, протекающего через резистор пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению (сопротивление) резистор.

Аналогично последовательное и параллельное соединение отверстий эквивалентно соединению резисторов.

Обратите внимание, что давление может быть и без потока воды (насос работает, вентиль закрыт), а вода без давления течь не может.

Аналогично в электрической цепи напряжение может присутствовать, и не быть тока (т.е. батарея не подключена), но ток не может течь, если нет напряжения.

Идем дальше. После открытия клапана (замыкания S1), вода, прошедшая через отверстие 2 (ток, течет через резистор R2) увеличивается уровень воды в вертикальной трубке (зарядка конденсаторов C1).

Уровень воды в трубке (напряжение на конденсаторе C1) не будет расти бесконечно, а только до тех пор пока давление столба воды не станет равным давлению, создаваемого насосом (напряжение на конденсаторе равно напряжению аккумулятора). Тогда в отверстие 2 (резистор R2) поток воды прекращается (поток электронов). В статическом состояние, в цепи отверстие - трубка 2 (R2 С1) ни чего не происходит. Но если мы закроем клапан (выключим переключатель S1), через трубку и отверстие (R2) вода (ток) снова начнет течь, но в противоположном направлении. Уровень воды в трубке постепенно снизиться (напряжение на конденсаторе достигнет нуля, он разрядиться).

Опять же, это хорошая аналогия зарядки и разрядки RC цепи. Обратите внимание - чем больше количество воды, большее давление оно производит - уровень воды в вертикальном открытой трубе, таким образом соответствует напряжению.

Емкость конденсатора, можно сравнить с толщиной трубы, с ее диаметром. Чем она меньше тем меньшее количество воды можно поднять в трубке.

В гидравлических системах часто используют односторонние клапаны. В простейшем случае это металлический диск, который просто лежит на переходном отверстие. Когда давление на входе отверстия будет больше чем на его выходе, клапан откроется через него потечет ток. Конечно это иллюстрирует работу диода D на рисунке 2. Опять же, аналогия хороша, потому что для поднятия диска требуется определенное количество энергии. Энергия не может быть взята из ничего - диск поднимется за счет энергии, течения воды. Другими словами, будет перепад давления на клапане. Кроме того, при токе через полупроводниковый диод то же происходит падение напряжения (для обычных кремниевых диодов 0,5..0,8 В, в зависимости от значения тока).

И вот наконец мы переходим к индуктивности. Представьте себе, что турбина показанная на рисунке 1 неподвижна, и может вращаться в обоих направлениях. На валу турбины установлен маховик. Как реагирует турбина, когда открывается главный клапан? Вода не течете через нее сразу - за счет инерции маховика скорость набирается постепенно. С течением времени скорость установиться - и расход воды будет определяться только сечением отверстия 4. Если бы это была идеальная турбина, работающая без потерь вызванных трением, тогда в установившемся состоянии не происходило бы падения давления между его входом и выходом. На практике часть энергии будет тратиться на преодоления трения, Таким образом, мы наблюдаем некоторое давление между его входом и выходом.

Опять же у нас прекрасная аналогия - турбина с маховиком иллюстрирует катушку индуктивности. После открытия переключателя S1 будет увеличиться ток, протекающий в цепи L R4. Через некоторое время, в зависимости от индуктивности катушки и резистора R4, ток стабилизируется на значении, зависящем только от напряжения U и сопротивление R4. Если катушка была бы идеальной, не было бы падения напряжения на ней. На практике у каждой катушки есть потери (в частности, сопротивление обмотки катушки).

Отметим, что турбина с маховиком имеет интересное свойство - выступает против изменения текущего потока. Так же индукционная катушка обладает свойством противостоять изменению силы тока. Вы должны запомнить, раз и навсегда: индуктивность всегда препятствует изменению тока в цепи.

Это только шаг к понимаю того, что же такое есть индуктивность. Индуктивность это сумма противодействий изменению силы тока. В нашей гидравлической модели ей соответствует масса маховика. Чем больше инерция (индуктивность), тем медленней увеличивается поток воды (сила тока), когда открыт главный вентиль (выключатель S1). Очень просто, не правда ли?

Вернемся теперь к рисунку 1. Вы наверное знаете, что поднимая воду в трубе, и вращением турбины, можно запасти некоторое количество энергии. Эту энергию можно потом использовать. Подумайте - нет разницы, что насос создает давление, что столб воды.

Как и с конденсатором, так и с катушкой, через которую течет ток. Другими словами конденсатор и катушка могут использоваться как источники энергии.

А что определяет количество этой энергии? Я думаю что понятно, энергия, запасенная в трубке (конденсаторе) зависит от высоты водяного столба, или давления (напряжения на конденсаторе), и от толщины трубки (емкость конденсатора). Аналогичным образом, энергия, запасенная в турбине (катушки) будет зависеть от инерции маховика (индуктивности) и скорости вращения в результате движения потока (от силы тока).

Теперь вы можете понять, откуда взялись школьные формулы для расчета энергии:
E = CU2/2
E = LI2/2

На данный момент просто помните, что конденсатор запасает энергию в электрическом поле, а катушка в магнитном. Не волнуйтесь, если вы не помните, что такое электрическое и магнитное поле. Если быть честным, то я и сам до конца не могу это объяснить. Определения из книг мало что говорят, а на основе материала данного в школе я не могу представить механизм передачи энергии в вакууме. Подобное объяснение электромагнитных явлений не так просто и теория электромагнитного поля основана на высшей математике. Может быть вы слышали об уравнениях Максвелла? И действительно ни один физик в мире не имеет полной картины. Мы ожидаем большой прорыв в физике, как открытия Коперника и Эйнштейна. На данный момент у нас есть только общие представления об этом и множество гипотез, до сих ждем теорию единого поля которая объяснит все явления связанных с магнетизмом.

Как и конденсатор так и катушка могут запасать энергию, и следовательно в определенных ситуациях могут служить источниками питания. Я писал, что конденсаторы изготавливаются с емкостью около 1 Фарада, используются как резервная батарея для питания памяти в компьютерных системах. Другим примером является емкостной преобразователь (инвертор, например, описанные в EDW 7/96 стр. 43), обычные трансформаторы, и все виды питания и преобразователи импульсов содержащих индуктивности.

Не смотря на то в катушках и емкостях за раз можно запастись небольшим количеством энергии, есть простой способ, не смотря ни на что передавать значительную мощность - просто увеличив частоту заряда - разряда на единицу времени. Этот вопрос будет закрыт в цикле статей посвященных импульсным источникам питания.

Что бы лично узнать о возможностях конденсаторов хранить энергию, сделайте простой эксперимент: возьмите электролитический конденсатор емкость 220...2200 мкФ, подключите к нему источник напряжения 12 В на несколько минут (что бы сделать формовку), а потом разрядите с помощью светодиода с резистором 470.. 1000 Ом. Как видите вспышка была очень короткой. Попробуйте то же самое с емкостью 47..220 нанофарад. Вы ведите вспышку? Сравните емкость с яркостью вспышек. Вы можете так же подключить желтый или зеленый светодиод к батарейке от часов что бы узнать сколько в ней энергии.

А теперь вопрос: как вы думаете, что ограничивает и не позволяет запасать в конденсаторах и катушках большое количество энергии? Вы ведите по-чему для питания электроники нужно использовать батарей и аккумуляторы, запасающих энергию в химических связях, а не в электрическом поле?

А как на счет напряжения на катушке? Очень важный вопрос.

Хотя вопросы об напряжении и токе в конденсаторе легко понятны, но то же самое относительно катушек вызывает затруднения. Я помню как на первом или втором курсе ВУЗа на лекции по основам электричества, преподаватель утверждал что в цепи содержащей катушку индуктивности не может быть напряжение выше чем напряжение питания, потому ему не от куда взяться. Пан Вишневский, которого я люблю и уважаю как хорошего преподавателя, когда я возразил поставил мне 4 (за то что я знаю больше). Кроме того ни кто в группе не имел другого мнения об напряжение на катушке. Только через некоторое время я понял, что на самом деле происходит в катушке. Думаю у вас то же могут быть с этим проблемы, по-этому рассмотрим подробнее. В гидравлический контур на рисунке 1 включили дополнительный вентиль между катушкой и отверстием 4. Что будет если в момент когда поток установился, скорость потока установилась, мы закроем этот вентиль (выключатель S2 выключим)?

Так как турбина связана с маховиком, и он не может остановиться в одно мгновение. Каким будет давление на выходе турбины когда мы закроем вентиль? Конечно вы скажете что вращаясь маховик (катушка) накопил некоторое количество энергии, которое на время превратит нашу турбину (катушку) в насос (источник напряжение – батарею). Вы совершено правы! Энергия вращения маховика, будет продолжать вращать турбину.

Но клапан полностью закрыт (что соответствует размыканию электрической цепи). Что происходит с давлением на выходе турбины?

Что происходит с давлением на выходе насоса? После прекращения потока воды, в связи с наличием маховика, турбины будут производить на выходе давление. Какое значение? Подумайте: тяжелый маховик может привести полученное давление на выходе из насоса, будет гораздо выше (!), чем любой из давления, которое ранее было в системе. Это очень важный вывод: давление (напряжение) автоматически генерируется турбиной (катушкой) не зависит от давления (напряжения), которые имело место в цепи. Какое вы думаете? В идеальном случае. После полного закрытия в схеме формируется второе давление (напряжение), которое будет иметь значение ... бесконечно большое. На практике, значение этого напряжения зависит от конструкции катушки, и, в частности, от некоторых потерь, но все равно будет очень большим и оно может достичь тысяч вольт что может привести к разрыву (пробою) изоляции между витками катушки.

И что произойдет, если дополнительный клапан не будет полностью закрыт, а лишь частично (что эквивалентно увеличению сопротивления R4)? Речь идет о фундаментальных принципах: катушка всегда оказывает сопротивление изменению тока.... Посмотрите на рисунке 1, 3 и подумайте что будет в электрической цепи катушки?

Вы уже знаете: если схема будет резкое изменение сопротивления (или кардинальное изменение напряжения питания), то в катушке возникнет самоиндукция, вызывающая напряжение, но какой величины и какого напряжения?

Внимание! Это напряжение будет такой же величины и направления, что бы сохранить такой же ток что был и до изменения. Это выглядит, может быть, немного таинственно — как будто катушка знает, какое для этого нужно напряжение. На самом деле, тут нет ни чего экстраординарного, потому это связано с ее основными свойствами: выступать против изменения тока. Запомните — катушка временно создает такое напряжение, что бы поддержать ток (или что бы избежать роста тока). Конечно это будет длиться долго, потому что катушка может хранить лишь ограниченное количество энергии.

Вы можете спросить, от куда на катушке взялось это напряжение? Примите на веру, что это так называемое явление самоиндукции, связанное с известным со школы Ленцем. Вам не нужно, глубокое понимание этого физического явления — на сегодняшний день оно принято, что оно просто есть.