L'inductance caractérise les propriétés des éléments d'un circuit électrique à accumuler l'énergie d'un champ magnétique. C'est aussi une mesure de la relation entre le courant et le champ magnétique. Elle est également comparée à l'inertie de l'électricité - tout comme la masse à une mesure de l'inertie des corps mécaniques.
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Le phénomène d'auto-induction
Si le courant traversant un circuit conducteur change d'amplitude, le phénomène d'auto-induction se produit. Dans ce cas, le flux magnétique à travers le circuit change et une fem apparaît aux bornes de la boucle de courant, appelée fem d'auto-induction. Cette FEM est opposée au sens du courant et est égale à :
ε=-∆F/∆t=-L*(∆I/∆t)
Il est évident que la FEM de l'auto-induction est égale au taux de variation du flux magnétique provoqué par une variation du courant traversant le circuit, et est également proportionnelle au taux de variation du courant. Le coefficient de proportionnalité entre la FEM d'auto-induction et le taux de variation du courant est appelé inductance et est noté L. Cette valeur est toujours positive et a une unité SI de 1 Henry (1 H). Des fractions fractionnaires sont également utilisées - millihenry et microhenry. On peut parler d'une inductance de 1 Henry si une variation de courant de 1 ampère provoque une auto-induction EMF de 1 Volt. Non seulement le circuit a une inductance, mais également un conducteur séparé, ainsi qu'une bobine, qui peut être représentée comme un ensemble de circuits connectés en série.
L'inductance stocke l'énergie, qui peut être calculée comme W=L*I2/2, où :
- W—énergie, J ;
- L - inductance, H ;
- I est le courant dans la bobine, A.
Et ici l'énergie est directement proportionnelle à l'inductance de la bobine.
Important! En ingénierie, une inductance est également un dispositif dans lequel un champ électrique est stocké. L'élément réel le plus proche d'une telle définition est une inductance.
La formule générale de calcul de l'inductance d'une bobine physique a une forme complexe et n'est pas pratique pour les calculs pratiques. Il est utile de rappeler que l'inductance est proportionnelle au nombre de spires, au diamètre de la bobine et dépend de la forme géométrique. De plus, l'inductance est affectée par la perméabilité magnétique du noyau sur lequel se trouve l'enroulement, mais le courant traversant les spires n'est pas affecté. Pour calculer l'inductance, vous devez à chaque fois vous référer aux formules ci-dessus pour une conception spécifique. Ainsi, pour une bobine cylindrique, sa caractéristique principale est calculée par la formule :
L=μ*μ*(N2*S/l),
où:
- μ est la perméabilité magnétique relative du noyau de la bobine ;
- µ – constante magnétique, 1,26*10-6 H/m ;
- N est le nombre de tours ;
- S est l'aire de la bobine;
- l est la longueur géométrique de la bobine.
Pour calculer l'inductance d'une bobine cylindrique et de bobines d'autres formes, il est préférable d'utiliser des programmes de calcul, y compris des calculateurs en ligne.
Connexion série et parallèle des inducteurs
Les inductances peuvent être connectées en série ou en parallèle, obtenant un ensemble avec de nouvelles caractéristiques.
Connexion parallèle
Lorsque les bobines sont connectées en parallèle, la tension sur tous les éléments est égale et les courants (variables) sont réparties en inverse des inductances des éléments.
- U=U1=U2=U3;
- je = je1+je2+je3.
L'inductance totale du circuit est définie comme 1/L=1/L1+1/L2+1/L3. La formule est valable pour n'importe quel nombre d'éléments, et pour deux bobines, elle est simplifiée sous la forme L=L1*L2/(L1+L2). Évidemment, l'inductance résultante est inférieure à l'inductance de l'élément de plus petite valeur.
connexion série
Avec ce type de connexion, le même courant parcourt le circuit composé de bobines, et la tension (variable !) sur chaque composant du circuit est répartie proportionnellement à l'inductance de chaque élément :
- U=U1+U2+U3;
- je = je1=je2=je3.
L'inductance totale est égale à la somme de toutes les inductances et sera supérieure à l'inductance de l'élément ayant la plus grande valeur. Par conséquent, une telle connexion est utilisée si nécessaire pour obtenir une augmentation de l'inductance.
Important! Lors de la connexion de bobines dans une batterie en série ou en parallèle, les formules de calcul ne sont correctes que dans les cas où l'influence mutuelle des champs magnétiques des éléments les uns sur les autres est exclue (blindage, longue distance, etc.). Si une influence existe, alors la valeur totale de l'inductance dépendra de la position relative des bobines.
Quelques problèmes pratiques et conceptions d'inducteurs
En pratique, différentes conceptions d'inducteurs sont utilisées. Selon l'objectif et le domaine d'application, les dispositifs peuvent être réalisés de différentes manières, mais les effets qui se produisent dans les bobines réelles doivent être pris en compte.
Facteur de qualité de l'inducteur
Une vraie bobine, en plus de l'inductance, a plusieurs autres paramètres, et l'un des plus importants est le facteur de qualité. Cette valeur détermine les pertes dans la bobine et dépend :
- les pertes ohmiques dans le fil de bobinage (plus la résistance est élevée, plus le facteur de qualité est faible) ;
- pertes diélectriques dans l'isolation des fils et le cadre d'enroulement ;
- perte d'écran ;
- pertes de noyau.
Toutes ces grandeurs déterminent la résistance aux pertes, et le facteur de qualité est une valeur sans dimension égale à Q=ωL/Rpertes, où :
- ω = 2*π*F - fréquence circulaire ;
- L - inductance;
- ωL est la réactance de la bobine.
On peut approximativement dire que le facteur de qualité est égal au rapport de la résistance réactive (inductive) à la résistance active. D'une part, avec une fréquence croissante, le numérateur augmente, mais en même temps, en raison de l'effet de peau, la résistance aux pertes augmente également en raison d'une diminution de la section utile du fil.
effet d'écran
Pour réduire l'influence des corps étrangers, ainsi que les champs électriques et magnétiques et l'influence mutuelle des éléments à travers ces champs, des bobines (en particulier celles à haute fréquence) sont souvent placées dans un écran. Outre l'effet bénéfique, le blindage provoque une diminution du facteur de qualité de la bobine, une diminution de son inductance et une augmentation de la capacité parasite. De plus, plus les parois de l'écran sont proches des spires de la bobine, plus la nuisance est importante. Par conséquent, les bobines blindées sont presque toujours fabriquées avec la possibilité d'ajuster les paramètres.
Inductance du potentiomètre
Dans certains cas, il est nécessaire de régler avec précision la valeur d'inductance sur site après avoir connecté la bobine à d'autres éléments du circuit, en compensant les écarts de paramètres lors du réglage. Pour cela, différentes méthodes sont utilisées (commutation des robinets des virages, etc.), mais la méthode la plus précise et la plus fluide est le réglage à l'aide d'un noyau. Il se présente sous la forme d'une tige filetée, qui peut être vissée et dévissée à l'intérieur du cadre, en ajustant l'inductance de la bobine.
Inductance variable (variomètre)
Lorsqu'un réglage rapide de l'inductance ou du couplage inductif est requis, des bobines d'une conception différente sont utilisées. Ils contiennent deux enroulements - mobile et fixe. L'inductance totale est égale à la somme des inductances des deux bobines et de l'inductance mutuelle entre elles.
En changeant la position relative d'une bobine à une autre, la valeur totale de l'inductance est ajustée. Un tel dispositif est appelé variomètre et est souvent utilisé dans les équipements de communication pour régler les circuits résonnants dans les cas où l'utilisation de condensateurs variables est impossible pour une raison quelconque.La conception du variomètre est assez volumineuse, ce qui limite sa portée.
Inductance sous forme de spirale imprimée
Les bobines à faible inductance peuvent être réalisées sous la forme d'une spirale de conducteurs imprimés. L'avantage de cette conception sont:
- fabricabilité de la production ;
- haute répétabilité des paramètres.
Les inconvénients incluent l'impossibilité d'un réglage fin lors du réglage et la difficulté d'obtenir de grandes valeurs d'inductance - plus l'inductance est élevée, plus la bobine prend de place sur la carte.
Bobine sectionnelle
L'inductance sans capacité n'est que sur papier. Avec toute mise en œuvre physique de la bobine, une capacité parasite entre spires apparaît immédiatement. Ceci est nocif dans de nombreux cas. La capacité parasite s'ajoute à la capacité du circuit LC, réduisant la fréquence de résonance et le facteur de qualité du système oscillatoire. De plus, la bobine a sa propre fréquence de résonance, ce qui provoque des phénomènes indésirables.
Diverses méthodes sont utilisées pour réduire la capacité parasite, dont la plus simple est l'inductance d'enroulement sous la forme de plusieurs sections connectées en série. Avec cette inclusion, les inductances s'additionnent et la capacité totale diminue.
Inducteur sur un noyau toroïdal
Les lignes de champ magnétique d'un inducteur cylindrique sont tirées à l'intérieur de l'enroulement (s'il y a un noyau, puis à travers celui-ci) et fermées de l'extérieur à travers l'air. Ce fait comporte plusieurs inconvénients :
- l'inductance est réduite ;
- les caractéristiques de la bobine sont moins calculables ;
- tout objet introduit dans un champ magnétique externe modifie les paramètres de la bobine (inductance, capacité parasite, pertes, etc.), un blindage est donc nécessaire dans de nombreux cas.
Les bobines enroulées sur des noyaux toroïdaux (en forme d'anneau ou de beignet) sont largement exemptes de ces défauts. Les lignes magnétiques passent à l'intérieur du noyau sous forme de boucles fermées. Cela signifie que les objets externes n'ont pratiquement aucun effet sur les paramètres d'une bobine enroulée sur un tel noyau, et un blindage n'est pas nécessaire pour une telle conception. L'inductance augmente également, toutes choses égales par ailleurs, et les caractéristiques sont plus faciles à calculer.
Les inconvénients des bobines enroulées sur des tores incluent l'impossibilité d'un réglage en douceur de l'inductance sur place. Un autre problème est la forte intensité de main-d'œuvre et la faible fabricabilité de l'enroulement. Cependant, cela s'applique à tous les éléments inductifs en général, dans une plus ou moins grande mesure.
De plus, un inconvénient commun de la mise en œuvre physique de l'inductance est un poids et une taille élevés, une fiabilité relativement faible et une faible maintenabilité.
Par conséquent, en technologie, ils essaient de se débarrasser des composants inductifs. Mais ce n'est pas toujours possible, de sorte que les composants de bobinage seront utilisés à la fois dans un avenir prévisible et à moyen terme.
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