Theo Điện từ học, chúng tôi đã thấy rằng khi dòng điện chạy qua một dây dẫn, một từ thông được hình thành xung quanh dây dẫn đó. Ảnh hưởng này tạo ra một mối quan hệ giữa hướng của từ thông quay quanh dây dẫn và hướng của dòng điện chạy qua cùng dây dẫn. Điều này dẫn đến mối quan hệ giữa hướng dòng điện và từ thông được gọi là “Quy tắc bàn tay phải của Fleming”.

Nhưng cũng có một tính chất quan trọng khác liên quan đến cuộn dây quấn cũng tồn tại, đó là điện áp thứ cấp được cảm ứng vào cùng một cuộn dây bởi sự chuyển động của từ thông khi nó chống lại hoặc chống lại bất kỳ sự thay đổi nào của dòng điện chạy qua nó.

Ở dạng cơ bản nhất của nó, nó không khác gì một cuộn dây quấn quanh lõi trung tâm. Đối với hầu hết các cuộn dây, dòng điện (  i  ) chạy qua cuộn dây tạo ra một từ thông, (  NΦ  ) xung quanh nó tỷ lệ với dòng điện này.

Cuộn cảm là một thành phần điện loại thụ động khác bao gồm một cuộn dây được thiết kế để tận dụng mối quan hệ này bằng cách tạo ra một từ trường trong chính nó hoặc trong lõi của nó do kết quả của dòng điện chạy qua cuộn dây. Tạo một cuộn dây thành một cuộn cảm dẫn đến một từ trường mạnh hơn nhiều so với từ trường sẽ được tạo ra bởi một cuộn dây đơn giản.

Nó được tạo thành với dây quấn chặt xung quanh lõi rắn ở giữa có thể là một thanh hình trụ thẳng hoặc một vòng hoặc vòng liên tục để tập trung từ thông của chúng.

Ký hiệu sơ đồ cho cuộn cảm là của một cuộn dây, do đó, một cuộn dây cũng có thể được gọi là cuộn cảm . Nó thường được phân loại theo loại lõi bên trong mà chúng được quấn xung quanh, ví dụ, lõi rỗng (không khí tự do), lõi sắt đặc hoặc lõi ferit mềm với các loại lõi khác nhau được phân biệt bằng cách thêm các đường song song liên tục hoặc chấm bên cạnh cuộn dây như hình bên dưới.

Ký hiệu cuộn cảm

Dòng điện i chạy qua cuộn cảm tạo ra từ thông tỉ lệ thuận với nó. Nhưng không giống như Tụ điện phản đối sự thay đổi điện áp trên các tấm của chúng, Nó chống lại tốc độ thay đổi của dòng điện chạy qua nó do sự tích tụ năng lượng tự cảm ứng trong từ trường của nó.

Nói cách khác, Nó kháng hoặc chống lại sự thay đổi của dòng điện nhưng sẽ dễ dàng cho dòng điện một chiều qua nó ở trạng thái ổn định. Khả năng này của một cuộn cảm để chống lại những thay đổi của dòng điện và cũng liên hệ giữa dòng điện, i với liên kết từ thông của nó, NΦ như một hằng số tỷ lệ được gọi là Độ tự cảm được ký hiệu L với đơn vị là Henry , ( H ) Joseph Henry.

Bởi vì Henry là một đơn vị đo lườn điện cảm tương đối lớn , đối với các đơn vị phụ của cuộn cảm nhỏ hơn của Henry được sử dụng để biểu thị giá trị của nó. Ví dụ:

Tiền tố điện cảm

Vì vậy, để hiển thị các đơn vị con của Henry, chúng tôi sẽ sử dụng làm ví dụ:

• 1mH = 1 mili-Henry   – bằng một phần nghìn (1/1000) của Henry.
• 100μH = 100 vi Henries   – tương đương với 100 phần triệu (1 / 1.000.000) của Henry.

Cuộn cảm hay cuộn dây rất phổ biến trong mạch điện và có nhiều yếu tố quyết định độ tự cảm của cuộn dây như hình dạng của cuộn dây, số vòng dây cách điện, số lớp dây, khoảng cách giữa các vòng dây. , tính thấm của vật liệu lõi, kích thước hoặc diện tích mặt cắt ngang của lõi, v.v., để kể tên một số.

Một cuộn dây thuần cảm có tiết diện lõi ở giữa, (  A  ) với số vòng dây không đổi trên một đơn vị chiều dài, (  l  ). Vì vậy, nếu một cuộn dây gồm N vòng được liên kết bởi một lượng từ thông Φ thì cuộn dây có liên kết từ thông là NΦ và dòng điện bất kỳ, (  i  ) chạy qua cuộn dây sẽ tạo ra một từ thông cảm ứng ngược chiều với lưu lượng của dòng điện. Sau đó, theo Định luật Faraday, bất kỳ sự thay đổi nào trong mối liên kết từ thông này đều tạo ra điện áp tự cảm trong cuộn dây đơn của:

• Ở đâu:
•     N là số lượt
•     A là Diện tích mặt cắt ngang tính bằng m ²
•     Φ là lượng thông lượng trong Webers
•     μ là Độ thấm của vật liệu lõi
•     l là Chiều dài của cuộn dây tính bằng mét
•     di / dt là tốc độ dòng điện thay đổi tính bằng ampe / giây

Từ trường biến thiên theo thời gian tạo ra một hiệu điện thế tỉ lệ với tốc độ thay đổi của dòng điện tạo ra nó với giá trị dương cho biết emf tăng và giá trị âm cho thấy emf giảm. Phương trình liên hệ giữa điện áp, dòng điện và độ tự cảm này có thể được tìm thấy bằng cách thay μN ² A / l với L biểu thị hằng số tỷ lệ được gọi là Độ tự cảm của cuộn dây.

Quan hệ giữa từ thông trong cuộn cảm và cường độ dòng điện chạy qua cuộn cảm được cho là: NΦ = Li . Khi một cuộn cảm bao gồm một cuộn dây dẫn, điều này sau đó làm giảm phương trình trên để tạo ra emf (Sức điện động) cảm ứng , đôi khi được gọi là phản sức điện động cảm ứng trong cuộn dây:

Phản sức điện động được tạo bởi một cuộn cảm

Trong đó: L là độ tự cảm và di / dt tốc độ thay đổi dòng điện.

Vì vậy, từ phương trình này, chúng ta có thể nói rằng “Emf tự cảm bằng Điện cảm nhân lần tốc độ thay đổi dòng điện” và một đoạn mạch có độ tự cảm bằng một Henry sẽ có emf là một vôn  trong mạch khi dòng điện chạy qua mạch thay đổi với tốc độ một ampe trên giây.

Một điểm quan trọng cần lưu ý về phương trình trên. Nó chỉ liên quan emf được tạo ra trên cuộn cảm với sự thay đổi của dòng điện bởi vì nếu dòng điện dẫn không đổi và không thay đổi như trong dòng điện một chiều ở trạng thái ổn định, thì điện áp emf cảm ứng sẽ bằng không vì tốc độ thay đổi tức thời của dòng điện là không, di / dt = 0 .

Với dòng điện một chiều ở trạng thái ổn định chạy qua cuộn cảm và do đó điện áp cảm ứng trên nó bằng không, nó hoạt động như một đoạn ngắn mạch bằng một đoạn dây, hoặc ít nhất là điện trở có giá trị rất thấp. Nói cách khác, sự đối lập với dòng điện do cuộn cảm cung cấp rất khác nhau giữa các mạch AC và DC.

Hằng số thời gian

Bây giờ chúng ta biết rằng dòng điện không thể thay đổi ngay lập tức trong một cuộn cảm vì để điều này xảy ra, dòng điện sẽ cần phải thay đổi một lượng hữu hạn trong thời gian không, điều này dẫn đến tốc độ thay đổi dòng điện là vô hạn, di / dt =  ∞ , làm cho emf cảm ứng cũng như vô hạn và điện áp vô hạn không tồn tại. Tuy nhiên, nếu dòng điện chạy qua cuộn cảm thay đổi rất nhanh, chẳng hạn như hoạt động của công tắc, thì điện áp cao có thể được tạo ra trên nó.

Xét đoạn mạch gồm cuộn cảm thuần bên phải. Với công tắc, (  S1  ) mở, không có dòng điện nào chạy qua nó. Vì không có dòng điện nào chạy qua cuộn cảm, tốc độ thay đổi của dòng điện ( di / dt ) trong cuộn dây sẽ bằng không. Nếu tốc độ thay đổi của dòng điện bằng 0 thì không có cảm ứng ngược trở lại, (  V _L = 0  ) trong cuộn dây cảm.

Nếu bây giờ chúng ta đóng công tắc (t = 0), một dòng điện sẽ chạy qua mạch và từ từ tăng đến giá trị cực đại của nó với tốc độ được xác định bởi độ tự cảm của cuộn cảm. Tốc độ dòng điện chạy qua cuộn cảm này nhân với độ tự cảm của nó tính bằng Henry, dẫn đến một số emf tự cảm có giá trị cố định được tạo ra trên cuộn dây như được xác định bởi phương trình Faraday ở trên, V _L  = -Ldi / dt .

Emf tự cảm này qua cuộn dây thuần cảm, (  V _L  ) đấu với điện áp đặt vào cho đến khi dòng điện đạt giá trị cực đại và đạt được trạng thái ổn định. Dòng điện hiện nay chạy qua cuộn dây chỉ được xác định bởi điện trở một chiều hoặc điện trở “thuần” của cuộn dây vì giá trị điện kháng của cuộn dây đã giảm xuống 0 vì tốc độ thay đổi của dòng điện ( di / dt ) bằng không trong a trạng thái ổn định. Nói cách khác, trong một cuộn dây thực chỉ tồn tại điện trở một chiều của cuộn dây để chống lại dòng điện chạy qua chính nó.

Tương tự như vậy, nếu công tắc (S1) được mở, dòng điện chạy qua cuộn dây sẽ bắt đầu giảm nhưng cuộn cảm sẽ chống lại sự thay đổi này và cố gắng giữ cho dòng điện chạy ở giá trị trước đó bằng cách tạo ra một điện áp khác theo hướng khác. Độ dốc của ngã sẽ âm và liên quan đến độ tự cảm của cuộn dây như hình dưới đây.

Dòng điện và điện áp 

Bao nhiêu điện áp cảm ứng sẽ được tạo ra bởi cuộn cảm phụ thuộc vào tốc độ thay đổi dòng điện. Trong hướng dẫn của chúng tôi về Cảm ứng điện từ, Định luật Lenz đã phát biểu rằng: “hướng của một emf cảm ứng sao cho nó luôn chống lại sự thay đổi gây ra nó” . Nói cách khác, một emf cảm ứng sẽ luôn tạo ra chuyển động hoặc thay đổi đã bắt đầu emf cảm ứng ngay từ đầu.

Vì vậy, với dòng điện giảm, cực điện áp sẽ hoạt động như một nguồn và với một dòng điện tăng, cực điện áp sẽ hoạt động như một tải. Vì vậy, đối với cùng một tốc độ thay đổi dòng điện qua cuộn dây, tăng hoặc giảm độ lớn của emf cảm ứng sẽ như nhau.

Ví dụ No1

Dòng điện một chiều có cường độ 4 ampe chạy qua cuộn dây điện từ 0,5H. Điện áp quay lại trung bình cảm ứng trong cuộn dây sẽ là bao nhiêu nếu mở công tắc trong mạch trên trong 10mS và cường độ dòng điện chạy qua cuộn dây giảm xuống mức ampe bằng 0.

Công suất 

Chúng ta biết rằng một cuộn cảm trong mạch chống lại dòng điện  chạy qua (  i ) qua nó vì dòng điện này tạo ra một emf chống lại nó, Định luật Lenz. Sau đó, công việc phải được thực hiện bởi nguồn pin bên ngoài để giữ cho dòng điện chạy chống lại emf cảm ứng này. Công suất tức thời được sử dụng để buộc dòng điện, (  i  ) chống lại emf tự cảm này, (  V _L  ) được cho từ phía trên là:

Công suất trong một đoạn mạch được cho là, P = V * I Do đó:

Một cuộn cảm lý tưởng không có điện trở chỉ có điện cảm nên R = 0 Ω và do đó không có công suất nào bị tiêu tán trong cuộn dây, vì vậy chúng ta có thể nói rằng cuộn cảm lý tưởng có tổn thất điện năng bằng không.

Năng lượng trong cuộn cảm

Khi dòng điện chạy vào cuộn cảm, năng lượng được lưu trữ trong từ trường của nó. Khi dòng điện chạy qua nó tăng và di / dt trở nên lớn hơn 0, công suất tức thời trong mạch cũng phải lớn hơn 0, (  P> 0  ) tức là dương có nghĩa là năng lượng đang được lưu trữ trong cuộn cảm.

Tương tự như vậy, nếu dòng điện qua cuộn cảm giảm và di / dt nhỏ hơn 0 thì công suất tức thời cũng phải nhỏ hơn 0, (  P <0  ) tức là âm có nghĩa là cuộn cảm đang trả lại năng lượng vào mạch. Sau đó, bằng cách tích phân phương trình công suất ở trên, tổng năng lượng từ trường luôn dương, được lưu trữ trong cuộn cảm do đó được cho là:

Năng lượng được lưu trữ bởi một cuộn cảm

Trong đó:   W tính bằng joules, L ở Henries và i là Ampe

Năng lượng thực sự được lưu trữ trong từ trường bao quanh cuộn cảm bởi dòng điện chạy qua nó. Trong một cuộn cảm lý tưởng không có điện trở hoặc điện dung, khi dòng điện tăng năng lượng chảy vào cuộn cảm và được lưu trữ ở đó trong từ trường của nó mà không bị suy hao, nó sẽ không được giải phóng cho đến khi dòng điện giảm và từ trường giảm.

Sau đó, trong dòng điện xoay chiều, mạch điện xoay chiều một cuộn cảm liên tục lưu trữ và cung cấp năng lượng theo từng chu kỳ. Nếu cường độ dòng điện chạy qua cuộn cảm không đổi như trong mạch điện một chiều thì năng lượng dự trữ không thay đổi vì P = Li (di / dt) = 0 .

Vì vậy nó có thể được định nghĩa là linh kiện thụ động vì chúng có thể vừa tích trữ vừa cung cấp năng lượng cho mạch, nhưng chúng không thể tạo ra năng lượng. Một cuộn cảm lý tưởng được phân loại là tổn thất ít hơn, có nghĩa là nó có thể lưu trữ năng lượng vô thời hạn vì không có năng lượng bị mất.

Tuy nhiên, nó thực sẽ luôn có một số điện trở liên quan đến các cuộn dây của cuộn dây và bất cứ khi nào dòng điện chạy qua một điện trở năng lượng bị mất dưới dạng nhiệt do Định luật Ôm, (  P = I ²  R  ) bất kể dòng điện xoay chiều. hoặc hằng số.

Sau đó, việc sử dụng chính cho cuộn cảm là trong các mạch lọc, mạch cộng hưởng và để hạn chế dòng điện. Nó có thể được sử dụng trong các mạch để chặn hoặc định hình lại dòng điện xoay chiều hoặc một dải tần số hình sin, và trong vai trò này, một cuộn cảm có thể được sử dụng để “điều chỉnh” một máy thu vô tuyến đơn giản hoặc các loại dao động khác nhau. Nó cũng có thể bảo vệ thiết bị nhạy cảm khỏi các xung điện áp phá hủy và dòng điện khởi động cao.

Trong hướng dẫn tiếp theo về Cuộn cảm, chúng ta sẽ thấy rằng điện trở hiệu dụng của cuộn dây được gọi là Điện cảm và độ tự cảm mà chúng ta biết bây giờ là đặc tính của một dây dẫn điện “chống lại sự thay đổi của dòng điện”, có thể là điện trở bên trong cảm ứng gọi là hiện tượng tự cảm hoặc cảm ứng bên ngoài gọi là cảm ứng lẫn nhau.