Induktor

1. Wstęp teoretyczny.

Istnieje wiele przyrządów i urządzeń zawierających uzwojenia nawinięte na tworzących obwód magnetyczny rdzeniach stalowych i pracujących w takich warunkach, że ujawnia się w obwodzie elektrycznym nieliniowy charakter zależności indukcji magnetycznej B od natężenia pola magnetycznego H ferromagnetycznego materiału rdzenia. Uzwojenie takie wraz z nieliniowym obwodem magnetycznym tworzy induktor nieliniowy.

Gdy w uzwojeniu o liczbie zwojów nawiniętym na rdzeniu przepływa prąd o natężeniu i, wówczas w przestrzeni wokół tego uzwojenia powstaje pole magnetyczne o natężeniu H, spełniające prawo Ampere'a

dla dowolnego, obejmującego uzwojenie konturu C. W szczególności, gdy istnieje taki kontur o długości l, wzdłuż którego wartość natężenia pola jest stała i wektor jest w każdym punkcie styczny do konturu, wówczas Hl = iz. Powstanie w rdzeniu pola magnetycznego o natężeniu powoduje porządkowanie atomowych dipoli magnetycznych, którego miarą jest wektor magnesowania . Uporządkowanie dipoli magnetycznych powoduje zmianę pola indukcji magnetycznej do wartości:

gdzie: 0 = 410-7 [H/m] – przenikalność magnetyczna próżni.
Zależność od jest dla ośrodków ferromagnetycznych niezmiernie złożona. Ośrodki te zawierają mikroskopowe obszary o jednakowej orientacji atomowych dipoli magnetycznych, tzw. domen, wzajemnie względem siebie tak zorientowanych, że jeśli ferromagnetyk nie był wcześniej poddany działaniu pola magnetycznego, wówczas momenty magnetyczne domen wzajemnie się równoważą i ferromagnetyk nie wykazuje stanu namagnesowania.
Wzrost natężenia pola powoduje przesuwanie ścian domen i powiększenie domen o orientacji domen o orientacji momentów magnetycznych zbliżonych do orientacji wektora , następnie obrót dipoli magnetycznych domen i wreszcie osiągnięcie stanu nasycenia. Cechą istotną tego procesu jest jego częściowa nieodwracalność przy zmniejszaniu natężenia pola, co powoduje niejednoznaczną indukcji B od natężenia H.
Gdy H będzie wzrastać w sposób przemienny, wówczas na płaszczyźnie o współrzędnych (H,B) wartości indukcji i natężenia w rdzeniu tworzą zbiór pętli aż zostanie osiągnięta charakterystyczna dla określonego ferromagnetyka pętla graniczna, zwana pętlą histerezy. W efekcie możliwa jest każda para wartości (H, B) z obszaru ograniczonego pętlą histerezy materiału rdzenia.

Napięcia na zaciskach induktora związane jest wyłącznie z prędkością zmian indukcji magnetycznej B.

gdzie:  = z - strumień skojarzony. Zakładamy jednorodność pola indukcji magnetycznej, wtedy  = Bs, dzie s – powierzchnia przekroju poprzecznego rdzenia. Wówczas:

Relację tę można zinterpretować na dwa sposoby:
• Na zaciski uzwojenia włączona źródło napięcia o wartości u, które powoduje przepływ w uzwojeniu prądu i oraz powstanie w uzwojeniu skojarzonego strumienia indukcji  o wartości określonej wzorem:
,
którego zmiany indukują SEM e, równoważącą napięcie źródła. W przypadku tym wielkością pierwotną jest napięcie.
• Napięcie u jest napięciem na zaciskach, przy zmianach strumienia skojarzonego :

Strumień ten może być wytworzony prądem wymuszonym w uzwojeniu. W przypadku tym wielkością pierwotną jest strumień skojarzony, a pośrednio prąd.

Gdy induktor zasilany jest ze źródła napięcia sinusoidalnego o przebiegu u = Umcost, wówczas strumień skojarzony:

Przebieg prądu, który musi popłynąć w uzwojeniu induktora, aby natężenie pola magnetycznego H miało przebieg niezbędny dla wytworzenia w rdzeniu strumienia skojarzonego  wyznacza się graficznie.
Przy sinusoidalnym napięciu prąd jest zdeformowany przy czym deformacja ta gwałtownie powiększa się, gdy amplituda strumienia przekroczy wartość max.
Gdy w uzwojeniu induktora wymuszony jest, pod działaniem źródła prądu, prąd o przebiegu sinusoidalnym, taki przebieg ma także i natężenie pola w rdzeniu, zaś deformacji ulega przebieg indukcji i strumienia skojarzonego . Przebieg ten znajduje się graficznie. Wyznaczenie przebiegu napięcia wymaga graficznego zróżniczkowania przebiegu strumienia.

2. Przebieg ćwiczenia i tabele pomiarowe.

2.1. Zdejmujemy charakterystyki prądowo napięciowe.

Zmieniamy prąd płynący przez induktor od 0 do 750 [mA] i odczytujemy napięcie na induktorze, dla trzech prądów podmagnesowania J0=0, 200, 400 [mA]. Wykonujemy powyższe pomiary dla zasilania napięciowego i prądowego.