Induktor

'n Induktor is 'n passiewe elektriese komponent wat energie stoor in die vorm van 'n magnetiese veld. Die induktor word in elektriese stroombane gebruik vir die induktiewe eienskap van die induktor.

Fisika

Oorsig

Induktansie, wat in henry gemeet word, is 'n effek van die magnetiese veld wat om 'n stroomdraende geleier gevorm word. 'n Elektriese stroom wat deur 'n geleier vloei veroorsaak 'n magnetiese veld om die geleier. 'n Verandering in die stroom veroorsaak 'n verandering in die magnetiese veld. Hierdie verandering in die magnetiese veld veroorsaak dat daar 'n elektromotoriese krag (emk) geskep word wat teen die stroom verandering werk. Induktansie kwantifiseer die hoeveelheid emk wat geskep word per eenheidsverandering in die elektriese stroom. Byvoorbeeld, 'n induktor met 'n induktansie van 1 henry skep 'n emk van 1 volt as die stroom deur die induktor verander teen 1 ampère per sekonde. Die induktansie van 'n geleier kan vermeerder word deur die geleier in 'n spoel te draai sodat die magnetiese vloed ingeperk word deur die spoel. Andersins kan die spoel gedraai word om 'n materiaal met 'n hoë permeabiliteit.

Energie

Die energie, wat in joules gemeet word, wat gestoor word in 'n induktor word bereken deur die vergelyking:

E_{\mathrm {gestoor} }={1 \over 2}LI^{2}

waar

L die induktansie van die induktor is, en

I die stroom is wat deur die geleier vloei.

Vervaardiging van induktors

Induktors word gewoonlik vervaardig deur 'n geleidende materiaal, gewoonlik koper in 'n spoel te draai. 'n Ferromagnetiese materiaal soos Ferriet kan as kern gebruik word om die induktansie van die induktor te verhoog. Sommige induktors se kern kan verstel word om 'n verstelbare induktor te maak. Induktors kan ook op stroombaan borde geëts word deur 'n spiraal vormige spoor (trace) (gewoonlik vierkantig of reghoekig). Induktors word op geïntegreerde stroombane vervaardig deur van dieselfde prosesse gebruik te maak as die wat gebruik word om mikroskywe te vervaardig. In die geval word aluminium gewoonlik gebruik as geleier. Werklike induktors word nie gewoonlik gebruik in geïntegreerde stroombane nie, aangesien hulle te groot is op so 'n klein skaal. Vir praktiese doeleindes word 'n stroombaan wat 'n gyrator genoem word gebruik. 'n Gyrator stroombaan gebruik operasionele versterkers en 'n kapasitor om 'n stroombaan te skep wat eienskappe van 'n induktor het. Klein induktors by baie hoë frekwensies word vervaardig deur 'n draad deur 'n ferriet silinder of kraaltjie te druk.

In elektriese stroombane

'n Induktor bied weerstand teen verandering in elektriese stroom. 'n Ideale induktor bied geen weerstand teen gelykstroom nie, behalwe wanneer die stroom aan- of afgeskakel word, in die geval is die stroom verandering meer geleidelik. Regte induktors word van materiaal vervaardig wat elektriese weerstand bied teen selfs gelykstroom en is dus nie ideaal nie.

Die verhouding tussen 'n tydvariërende elektriese spanning v(t) oor 'n induktor met induktansie en tydvariërende elektriese stroom i(t) deur die induktor word in die algemeen beskryf deur die differensiaalvergelyking

v(t)=L{\frac {di(t)}{dt}}

Hierdie verhouding staan bekend as Lenz se wet wat rondom 1833, as 'n uitbreiding van Faraday se wet, deur Heinrich Lenz ontdek is.

Wanneer 'n sinusvormige wisselstroom deur die induktor vloei, word 'n sinusvormige spanning geïnduseer. Die amplitude van die spanning het 'n direkte verhouding met die amplitude van die stroom ( $I_{P}$ ) en die frekwensie (f) van die sinusvormige stroom deur die volgende verhouding.

i(t)=I_{P}\sin(2\pi ft)\,

{\frac {di(t)}{dt}}=2\pi fI_{P}\cos(2\pi ft)

v(t)=2\pi fLI_{P}\cos(2\pi ft)\,

Daar kan duidelik gesien word dat die fase van die stroom die spanning met 90 grade volg.

Fasor stroombaananalise en impedansie

Deur van fasors gebruik te maak word die impedansie van 'n induktor gegee deur die volgende vergelyking:

Z_{L}=V_{l}/I_{l}=j\omega L=jX_{L}\,

waar

X_{L}=\omega L\,

die induktiewe reaktansie is,

\omega =2\pi f\,

die hoek frekwensie is,

L die induktansie is,

f die frekwensie is, en

j die imaginêre eenheid is.

Laplace stroombaananalise (s-vlak)

Wanneer die Laplace transformasie in stroombaan analise gebruik word, word die oordrag impedansie van 'n ideale induktor met nie-ideale stroom voorgestel in die s-vlak deur die vergelyking:

Z(s)=sL\,

waar

L die induktansie is, en

s die komplekse frekwensie is.

Wanneer daar 'n aanvanklike stroom deur die induktor vloei, word dit voorgestel deur:

'n spanningsbron in serie met die induktor te plaas met die waarde:

LI_{0}\,

(Let daarop dat die polariteit van die spanningsbron die aanvanklike stroom teenstaan)

'n stroombron in parallel met die induktor te plaas met die waarde:

{\frac {I_{0}}{s}}

waar

L die induktansie van die induktor is, en

$I_{0}$ die aanvanklike stroom in die induktor is.

Induktornetwerke

Die spanningsval oor die induktors in 'n parallelle konfigurasie is dieselfde, maar die stroom deur elke induktor kan verskil. Die totale stroom in die netwerk is die som van die strome in elke induktor. Die ekwivalente totale induktansie (L_tot) van die netwerk word bereken deur:

'n Diagram van veelvuldige induktors in parallel gekoppel.

{\frac {1}{L_{\mathrm {tot} }}}={\frac {1}{L_{1}}}+{\frac {1}{L_{2}}}+\cdots +{\frac {1}{L_{n}}}

Die stroom deur die induktors in 'n serie-konfigurasie is dieselfde, maar die spanningsval oor elke induktor kan verskil. Die totale spanningsval oor die netwerk is die som van die spanningsval oor elke induktor. Die ekwivalente totale induktansie (L_tot) van die netwerk word bereken deur:

L_{\mathrm {tot} }=L_{1}+L_{2}+\cdots +L_{n}\,\!

Hierdie eenvoudige verhoudings is slegs waar as daar geen gemeenskaplike koppeling van magnetiese velde tussen individuele induktors is nie.

Q-faktor

'n Ideale induktor het geen verliese ongeag die hoeveelheid stroom wat deur die induktor vloei. Werklike induktors het wel 'n weerstand teen die vloei van stroom aangesien die spoel van materiaal vervaardig word wat weerstand bied. Aangesien die spoel weerstand in series met die induktor is word dit die series weerstand van die induktor genoem. Die series weerstand van 'n induktor skakel die elektriese stroom deur die spoel om na hitte. Dit veroorsaak 'n verlies in die induktor se kwaliteit. Hierdie kwaliteit word deur die kwaliteit faktor of Q-faktor van die induktor gekwantifiseer. Die Q-faktor van 'n induktor is die verhouding tussen die induktansie en series weerstand van die induktor by 'n spesifieke frekwensie. Die induktor neig na 'n ideale induktor as die Q-faktor groter word. Die Q-faktor van 'n induktor word bereken deur die vergelyking:

Q={\frac {\omega {}L}{R}}\,

waar

L die induktansie van die induktor is,

R die series weerstand van die spoel materiaal is, en

$\omega =2\pi f\,$ die hoek frekwensie is.

Wanneer 'n hoë stroom deur 'n induktor vloei wat 'n ferromagnetiese kern het kan dit versadig. Dit veroorsaak dat die Q-faktor van die induktor drasties verminder. Hierdie verskynsel kan voorkom word deur van lug kern induktor gebruik te maak. Die nadeel is dat lug kern induktor groter is as ferromagnetiese kern induktors.

Deur gebruik te maak van 'n supergeleier allooi spoel wat in vloeibare helium of vloeibare stikstof gedompel word kan 'n amper ideale induktor gemaak word (Q-faktor wat na oneindig neig). In hierdie super afgekoelde spoel verdwyn die series weerstand. Aangesien hierdie induktor virtueel geen verliese het nie kan energie effektief gestoor word in die magneetveld wat om die induktor vorm.

Toepassings

Induktors is verwant aan elektromagnete in struktuur, maar word gebruik met die doel om energie te stoor in die vorm van 'n magneetveld.

Induktors word gebruik in analoog stroombane en sein prosessering. Saam met kapasitors en ander komponente word induktors gebruik om elektriese filters te maak. 'n Elektriese filter kan 'n sein met spesifieke frekwensie uit filter. Induktors wat bekend staan as smoorspoelle word saam met kapasitors gebruik om die ruis van gelykstroom elektriese toevoer uit te filter. Baie klein induktors was bestaan uit 'n ferriet kraaltjie of torus wat om 'n elektriese kabel geplaas word verhoed dat hoë frekwensie interferensie deur die kabel versprei word. Klein induktor en kapasitor kombinasies word in resonante netwerke gebruik vir radio-opvangs en uitsaai.

Twee of meer magneties gekoppelde induktors vorm 'n transformator wat 'n fundamentele komponent is in elektrisiteits voorsiening netwerke.

'n Induktor kan gebruik word as 'n energie stoor toestel in 'n skakel kragbron. Die induktor word gelaai vir 'n spesifieke fraksie van die skakel kragbron reguleerder frekwensie en ontlaai vir die oorblywende siklus. Die laai/ontlaai verhouding bepaal die uitset tot inset spannings verhouding.

Induktors word ook gebruik in elektrisiteitsvoorsiening netwerke, om stelsel spannings te onderdruk, of stroom te beperk. In die veld staan induktors bekend as reaktors.

Aangesien transformators groot en swaar komponente is word hulle al hoe minder in moderne 50 Hz elektriese toestelle gebruik. Half geleier skakel kragbronne maak gebruik van kleiner transformators wat by hoër frekwensies werk as lineêre kragbronne. Elektriese stroombane word ontwerp om klein induktors te gebruik waar nodig, anders word groot induktors vervang met 'n gyrator stroombaan.

Sien ook