Лекція 1. Загальні поняття та визначення в електротехніці

Індуктивний елемент – це елемент електричного кола з двома виводами, в якому відбувається запасання (накопичення) магнітної енергії (енергії магнітного поля), пов’язане з протіканням у колі електричного струму. При цьому вважається, що в такому елементі відсутні втрати електричної енергії та запасання електричної енергії (енергії електричного поля).

Кількісною мірою індуктивного елемента є індуктивність L.

Графічно індуктивний елемент позначається як на рис. 1.13.

Рис. 1.13. Графічне позначення індуктивного елемента

Зазначимо, що термін «індуктивність» зазвичай використовують не тільки як характеристику, але як і назву самого індуктивного елемента.

В першому наближенні прикладом індуктивного елементу може слугувати високоякісна котушка мідного проводу (котушка індуктивності). Термін «високоякісна» в даному випадку застосовано для того, щоб підкреслити необхідність забезпечення малої величини інших (так званих, паразитних) параметрів котушки, адже індуктивний елемент – це елемент, що характеризується виключно величиною індуктивності (інших параметрів індуктивний елемент не має), тоді як реальна котушка характеризується визначеною величиною активного опору мідного проводу, з якого ця котушка утворена, ємністю між окремими витками, втратами енергії у каркасі, на якому ця котушка намотана, тощо.

Фізичний зміст поняття якості індуктивного елемента розглядатиметься надалі.

При проходженні струму крізь індуктивний елемент (індуктивність) навколо останнього утворюється магнітне поле.

Магнітне поле графічно відображається магнітними силовими лініями, які огинають провідники зі струмом і завжди замкнені (див. рис. 1.14).

Магнітне поле характеризується напруженістю (H) та індукцією (B). Ці дві характеристики відрізняються коефіцієнтом, що відображає магнітні властивості середовища, в якому існує дане магнітне поле. Цей коефіцієнт зветься магнітною проникністю і зазвичай позначається як µ. При цьому магнітна проникність вакууму позначається як µ₀.

Рис. 1.14. Графічне умовне відображення картини магнітного поля навколо індуктивного елемента

Індукція та напруженість магнітного поля – векторні величини.

При графічному відображенні магнітного поля дотримуються правила: густина магнітних силових ліній пов’язана з напруженістю (або індукцією) магнітного поля, а саме: чим більша густина ліній тим більша напруженість (індукція) магнітного поля.

З рис. 1.14 видно, що найбільша напруженість магнітного поля буде всередині індуктивного елемента, тоді як зовні цього елемента напруженість магнітного поля швидко спадатиме.

Магнітне поле утворює магнітний потік (Ф).

Магнітний потік – скалярна величина, що кількісно характеризує поширення (проникнення, проходження) магнітного поля крізь визначену поверхню, розміщену у даному магнітному полі.

Напруженість магнітного поля вимірюється в «амперах на метр» (А/м), індукція – у тесла (Тл), магнітний потік – у веберах (Вб).

З витками котушки індуктивності зціплені відповідні магнітні потоки, тобто з поверхнею, що утворюється контуром кожного витка котушки, пов’язана визначена напруженість (індукція) її магнітного поля. Ці магнітні потоки, звичайно, неоднакові для різних витків котушки, адже витки котушки в загальному випадку не можуть бути однаковими (число ліній магнітного поля, яке зціплене з окремими витками, неоднакове). Загальний магнітний потік, що зціплений з котушкою індуктивності (так зване потокозчеплення) визначається як алгебраїчна сума магнітних потоків, зціплених з окремими витками цієї котушки, тобто

                                                  (1.9)

Зважаючи на те, що за умови відсутності феромагнітних тіл згідно закону повного струму напруженість магнітного поля пропорційна струму, матимемо

                                                      (1.10)

Відповідно до (1.10) величина індуктивності визначається як

                                                         (1.11)

Індуктивність вимірюється у генрі (Гн), при цьому

.

В подальшому величину індуктивності вважатимемо величиною постійною, незалежною ні від часу, ні від струму, що протікає цією індуктивністю.

Падіння напруги на індуктивному елементі відбувається виключно за умови змінення струму, що протікає крізь нього. Тобто в електричних колах постійного струму такий елемент сприйматиметься як елемент короткого замикання, може бути замінений таким коротким замиканням відповідних вузлів кола, а отже в колах постійного струму індуктивний елемент не проявляє своїх функціональних властивостей і не використовується.