Катушка индуктивности в цепи постоянного и переменного тока

Не так давно, мы с вами рассматривали, как ведет себя конденсатор в цепи постоянного и переменного тока. А в этой статье рассмотрим, как ведет себя катушка индуктивности, если на нее подать постоянный и переменный ток. Хочу вам напомнить, что постоянный ток - это ток, который течет всегда в одном направлении, а переменный ток - это ток, который меняет свое направление с какой-то частотой.

Катушка индуктивности в цепи постоянного тока.

Итак, для этого опыта нам понадобится блок питания, который выдает постоянное напряжение, лампочка накаливания и собственно сама катушка индуктивности.

Чтобы сделать катушку индуктивности с хорошей индуктивностью, нам надо взять ферритовый сердечник:

Намотать на него лакированного медного провода и зачистить выводы:

Замеряем индуктивность нашей катушки с помощью LC метра:

132 микроГенри.

Теперь собираем все это вот по такой схеме:

где

L - катушка индуктивности

La - лампочка накаливания на напряжение 12 Вольт

Bat - блок питания, с выставленным напряжением 12 Вольт

Лампочка засветилась!

Как вы помните, конденсатор у нас не пропускал  постоянный электрический ток:

Делаем вывод: постоянный электрический ток почти беспрепятственно течет через катушку индуктивности. Сопротивлением обладает только сам  провод, из которого сделана катушка.

Катушка индуктивности в цепи переменного тока.

Для того, чтобы узнать, как ведет себя катушка индуктивности в цепи переменного тока, нам понадобится осциллограф, генератор частоты, собственно сама катушка индуктивности и резистор на 100 Ом.  Чем больше сопротивление, тем меньше будет проседать напряжение с моего генератора частоты, поэтому я взял резистор на 100 Ом.

Собираем все это дело по такой схеме:

Получилось как то так:

Сразу договоримся, что у нас первый канал будет красным цветом, а второй канал - желтым. Следовательно, красная синусоида - это частота, которую нам выдает генератор частоты, а желтая синусоида - это сигнал, который снимается с резистора.

Мы с вами узнали, что при нулевой частоте (постоянный ток), катушка почти беспрепятственно пропускает через себя электрический ток. В нашем опыте мы будем подавать с генератора частоты синусоидальный сигнал с разной частотой и смотреть, меняется ли напряжение на резисторе.

Кто до сих пор не знает что такое осциллограф, можно прочитать про него здесь. Что такое цифровой осциллограф, можно прочитать  здесь.  Про автоматическое измерение параметров с помощью цифрового осцилла, читаем здесь. Кто уже читал и все знает, идем дальше.

Для начала подаем сигнал  с частотой  в 1 КилоГерц.

Давайте разберемся, что есть что. В зеленой рамочке я вывел автоматические замеры, которые делает осциллограф

Красный кружок с цифрой "1" - это замеры "красного"канала. Как мы видим, F (частота) =1 КилоГерц, а Ма (амплитуда) = 1,96 Вольт. Ну грубо скажем 2 Вольта. Смотрим на кружочек с цифрой "2". F=1 КилоГерц, а Ма=1,96 Вольт. То есть можно сказать, что сигнал на выходе точно такой же, как и на входе.

Увеличиваем частоту до 10 КилоГерц

Амплитуда не уменьшилась. Сигнал какой есть, такой и остался.

Увеличиваем до 100 КилоГерц

Видели да? Амплитуда желтого сигнала стала меньше, да еще и график желтого сигнала сдвигается вправо, то есть запаздывает, или научным языком, появляется сдвиг фаз. Красный сигнал никуда не сдвигается, запаздывает именно желтый. Это имейте ввиду.

Сдвиг фаз - это разность между начальными фазами двух измеряемых величин. В данном случае напряжения. Для того, чтобы произвести замер сдвига фаз, должно быть условие, что у этих сигналов одна и та же частота. Амплитуда может быть любой. Ниже на рисунке приведен этот самый сдвиг фаз или, как еще его называют, разность фаз:

Увеличиваем частоту до 200 КилоГерц

На частоте 200 КилоГерц амплитуда упала вдвое, да и разность фаз стала больше.

Увеличиваем частоту до 300 КилоГерц.

Амплитуда  желтого сигнала упала уже до 720 миллиВольт. Разность фаз стала еще больше.

Увеличиваем частоту до 500 КилоГерц

Амплитуда уменьшилась до 480 миллиВольт.

Добавляем еще частоту до 1 МегаГерца

Амплитуда желтого канала  стала 280 миллиВольт.

Ну и добавляем частоту до предела, который позволяет выдать генератор частоты: 2 МегаГерца

Амплитуда "желтого" сигнала стала настолько маленькой, что мне пришлось ее даже увеличить  на осцилле в 5 раз.

И можно сказать, что сдвиг фаз стал почти 90 градусов или π/2.

Но станет ли сдвиг фаз больше, чем 90 градусов, если подать очень-очень большую частоту? Эксперименты говорят, что нет. Если сказать просто, то при бесконечной частоте сдвиг фаз будет равняться 90 градусов. Если совместить наши графики на бесконечной частоте, то можно увидеть примерно вот такой рисунок:

Так какой вывод можно сделать?

С увеличением частоты сопротивление катушки растет,  а также увеличивается сдвиг фаз. И чем больше частота, тем больше будет сдвиг фазы, но не более, чем 90 градусов.

Давайте же уменьшим индуктивность катушки. Прогоним еще раз по тем же самым частотам. Я убрал половину витков и сделал витки на край феррита, тем самым уменьшил индуктивность до 33 микроГенри.

Итак, прогоняем все по тем же значениям частоты

При  частоте в 1 КилоГерц у  нас значение почти не изменилось.

10 КилоГерц

Здесь тоже  ничего не изменилось.

100 КилоГерц

Тоже почти ничего не изменилось, кроме того, что желтый сигнал стал тихонька сдвигаться.

200 КилоГерц

Здесь уже видим, что амплитуда на желтом сигнале начинает проседать и сдвиг фаз наращивает обороты.

300 КилоГерц

Сдвиг фаз стал больше и амплитуда просела еще больше

500 КилоГерц

Сдвиг стал еще больше и амплитуда желтого сигнала тоже просела.

1 МегаГерц

Амплитуда желтого сигнала падает, сдвиг фаз прибавляется. ;-)

2 МегаГерца, предел моего генератор частоты

Сдвиг фаз стал почти равен 90 градусов, а амплитуда стала даже меньше, чем пол Вольта.

Обратите внимание на амплитуду в Вольтах  на тех же самых частотах. В первом случае у нас индуктивность была больше, чем во втором случае, но амплитуда желтого сигнала во втором случае больше, чем в первом.

Отсюда вывод напрашивается сам собой:

При уменьшении индуктивности, сопротивление катушки индуктивности также уменьшается.

С помощью нехитрых умозаключений, физиками была выведена формула:

где

Х_L - сопротивление катушки, Ом

П - постоянная и равна  приблизительно 3,14

F - частота, Гц

L - индуктивность

В данном опыте мы с вами получили фильтр низких частот (ФНЧ). Как вы видели сами, на низких частотах катушка индуктивности почти не оказывает сопротивление напряжению, следовательно амплитуда  и мощность  на выходе такого фильтра будет почти такой же, как и на входе. Но с увеличением частоты у нас амплитуда гасится. Применив такой фильтр на динамик, можно с уверенностью сказать, что будет усиливаться только бас, то есть низкая частота звука.

Читайте также