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Un inducteur est un composant électrique passif qui peut stocker de l'énergie dans un champ magnétique créé par le passage d'un courant électrique. Un inducteur simple est une bobine de fil. Lorsqu'un courant électrique traverse la bobine, un champ magnétique se forme autour d'elle. Ce champ magnétique amène l'inducteur à résister aux changements de la quantité de courant qui le traverse.

La capacité d'un inducteur à stocker l'énergie magnétique est mesurée par son inductance, en unités de henries. L'inductance d'une bobine est directement proportionnelle au nombre de tours dans la bobine. L'inductance varie également en fonction du rayon de la bobine et du matériau (ou "noyau") autour duquel la bobine est enroulée.

Les inductances sont largement utilisées dans les circuits analogiques et le traitement du signal. De grandes inductances, en combinaison avec des condensateurs, sont utiles comme selfs dans les alimentations, pour éliminer les fluctuations de la sortie de courant continu. Les petites combinaisons inductance / condensateur sont utiles pour réaliser des circuits accordés pour la réception et la diffusion radio. De plus, des inductances sont utilisées dans les transformateurs pour réseaux électriques et comme dispositifs de stockage d'énergie dans certaines alimentations à découpage.

Présentation

Lorsqu'un courant électrique commence à traverser une inductance (bobine de fil), l'inductance résiste à la circulation du courant, car un champ magnétique s'accumule autour de l'inductance.1 Une fois ce champ créé, l'inductance permet au courant de le traverser normalement. Lorsque l'alimentation électrique est coupée, le champ magnétique autour de la bobine prend en charge la circulation du courant pendant un bref intervalle, avant que le champ ne disparaisse.

Inductance (L) (mesuré en henries) est un effet résultant du champ magnétique qui se forme autour d'un conducteur porteur de courant qui a tendance à résister aux variations du courant. Le courant électrique traversant le conducteur crée un flux magnétique proportionnel au courant. Un changement de ce courant crée un changement de flux magnétique qui, à son tour, par la loi de Faraday génère une force électromotrice (EMF) qui agit pour s'opposer à ce changement de courant. L'inductance est une mesure de la quantité d'EMF générée pour un changement d'unité de courant. Par exemple, une inductance avec une inductance de 1 henry produit un champ électromagnétique de 1 volt lorsque le courant à travers l'inductance change à raison de 1 ampère par seconde.

Le nombre de boucles, la taille de chaque boucle et le matériau qui l'entoure affectent tous l'inductance. Par exemple, le flux magnétique reliant ces spires peut être augmenté en enroulant le conducteur autour d'un matériau à haute perméabilité tel que le fer. Cela peut augmenter l'inductance de 2000 fois, mais moins aux hautes fréquences.

Un "inducteur idéal" a une inductance mais pas de résistance ou de capacité, et il ne dissipe pas d'énergie. Une véritable inductance a non seulement une inductance mais également une certaine résistance (due à la résistivité du fil) et une certaine capacité. À une certaine fréquence, généralement beaucoup plus élevée que la fréquence de travail, une véritable inductance se comporte comme un circuit résonnant (en raison de sa capacité propre). En plus de dissiper l'énergie dans la résistance du fil, les inducteurs à noyau magnétique peuvent dissiper l'énergie dans le noyau en raison de l'hystérésis et, à des courants élevés, peuvent montrer d'autres écarts par rapport au comportement idéal en raison de la non-linéarité.

Analogie hydraulique

Le comportement d'un inducteur peut être décrit en utilisant une analogie hydraulique.1 Un inducteur peut être modélisé par l'effet volant d'une turbine lourde entraînée en rotation par le flux. Lorsque l'eau (courant) commence à s'écouler, la turbine stationnaire provoque une obstruction du débit et une haute pression (tension) s'opposant au débit jusqu'à ce qu'elle tourne. Une fois qu'elle tourne, s'il y a une interruption soudaine du débit d'eau, la turbine continuera de tourner par inertie, générant une pression élevée pour maintenir le débit en mouvement. (Les interactions magnétiques dans les transformateurs ne sont pas modélisées hydrauliquement.)

Applications

Un starter avec deux enroulements de 47 mH, comme on peut le trouver dans une alimentation.

Les inductances sont largement utilisées dans les circuits analogiques et le traitement du signal. Avec les condensateurs et autres composants, les inductances sont utilisées pour former des circuits accordés qui peuvent accentuer ou filtrer des fréquences de signal spécifiques. Cela peut aller de l'utilisation de grandes inductances comme selfs dans les alimentations électriques, qui en conjonction avec des condensateurs de filtre éliminent le bourdonnement résiduel ou d'autres fluctuations de la sortie de courant continu, à de telles petites inductances générées par une perle de ferrite ou un tore autour d'un câble pour empêcher des interférences de radiofréquences transmises par le fil De plus petites combinaisons inductance / condensateur fournissent des circuits accordés utilisés dans la réception et la diffusion radio, par exemple.

Deux inductances (ou plus) qui ont un flux magnétique couplé forment un transformateur, qui est un composant fondamental de chaque réseau électrique. L'efficacité d'un transformateur peut diminuer à mesure que la fréquence augmente en raison des courants de Foucault dans le matériau du noyau et de l'effet de peau sur les enroulements. La taille du noyau peut être diminuée à des fréquences plus élevées et, pour cette raison, les avions utilisent un courant alternatif de 400 hertz plutôt que les 50 ou 60 hertz habituels, ce qui réduit considérablement le poids grâce à l'utilisation de transformateurs plus petits.2

Une inductance est utilisée comme dispositif de stockage d'énergie dans certaines alimentations à découpage. L'inductance est mise sous tension pour une fraction spécifique de la fréquence de commutation du régulateur et hors tension pour le reste du cycle. Ce rapport de transfert d'énergie détermine le rapport tension d'entrée / tension de sortie. Cette XL est utilisé en complément d'un dispositif semi-conducteur actif pour maintenir un contrôle de tension très précis.

Les inducteurs sont également utilisés dans les systèmes de transmission électrique, où ils sont utilisés pour abaisser les tensions des coups de foudre et pour limiter les courants de commutation et les courants de défaut. Dans ce domaine, ils sont plus communément appelés réacteurs.

Comme les inducteurs ont tendance à être plus grands et plus lourds que les autres composants, leur utilisation a été réduite dans les équipements modernes; Les alimentations à découpage à semi-conducteurs éliminent les gros transformateurs, par exemple, et les circuits sont conçus pour n'utiliser que de petites inductances, le cas échéant; de plus grandes valeurs sont simulées en utilisant des circuits de gyrateur.

Construction d'inductance

Inducteurs. (Échelle principale indiquée en centimètres.)

Un inducteur est généralement construit comme une bobine de matériau conducteur, généralement du fil de cuivre, enroulé autour d'un noyau en air ou en matériau ferromagnétique. Les matériaux de noyau avec une perméabilité plus élevée que l'air augmentent le champ magnétique et le confinent étroitement à l'inducteur, augmentant ainsi l'inductance. Les inductances basse fréquence sont construites comme des transformateurs, avec des noyaux en acier électrique laminés pour éviter les courants de Foucault. Les ferrites "mous" sont largement utilisés pour les noyaux au-dessus des fréquences audio, car ils ne provoquent pas les grandes pertes d'énergie aux hautes fréquences que font les alliages de fer ordinaires. Cela est dû à leurs courbes d'hystérésis étroites, et leur résistivité élevée empêche les courants de Foucault. Les inducteurs se présentent sous plusieurs formes. La plupart sont construits sous forme de fil enduit d'émail enroulé autour d'une bobine de ferrite avec du fil exposé à l'extérieur, tandis que certains entourent complètement le fil de ferrite et sont appelés «blindés». Certaines inductances ont un noyau réglable, ce qui permet de modifier l'inductance. Les inducteurs utilisés pour bloquer les très hautes fréquences sont parfois fabriqués en enfilant un cylindre de ferrite ou un cordon sur un fil.

Les petits inducteurs peuvent être gravés directement sur une carte de circuit imprimé en disposant la trace en spirale. Certains de ces inducteurs plans utilisent un noyau plan.

Les inductances de petite valeur peuvent également être construites sur des circuits intégrés en utilisant les mêmes processus que ceux utilisés pour fabriquer des transistors. L'interconnexion en aluminium est généralement utilisée, disposée en spirale. Cependant, les petites dimensions limitent l'inductance, et il est beaucoup plus courant d'utiliser un circuit appelé "gyrator" qui utilise un condensateur et des composants actifs pour se comporter de manière similaire à une inductance.

Calculs pour les circuits électriques

Un inducteur s'oppose aux changements de courant. Un inducteur idéal n'offrirait aucune résistance à un courant continu constant; cependant, seuls les inducteurs supraconducteurs ont une résistance électrique vraiment nulle.

En général, la relation entre la tension variant dans le temps v(t) à travers une inductance avec inductance L et le courant variant dans le temps je'(t) le traversant est décrit par l'équation différentielle:

Lorsqu'il y a un courant alternatif sinusoïdal (AC) à travers une inductance, une tension sinusoïdale est induite. L'amplitude de la tension est proportionnelle au produit de l'amplitude () du courant et de la fréquence (F) du courant.

Dans cette situation, la phase du courant est en retard de 90 degrés sur celle de la tension. #

Si une inductance est connectée à une source de courant CC, avec valeur je via une résistance, R, puis la source de courant court-circuitée, la relation différentielle ci-dessus montre que le courant traversant l'inductance se décharge avec une décroissance exponentielle:

Analyse des circuits de Laplace (domaine S)

Lors de l'utilisation de la transformée de Laplace dans l'analyse de circuits, l'impédance de transfert d'une inductance idéale sans courant initial est représentée dans le s domaine par:

L est l'inductance, et
s est la fréquence complexe

Si l'inductance a un courant initial, elle peut être représentée par:

  • ajouter une source de tension en série avec l'inductance, ayant la valeur:

(Notez que la source doit avoir une polarité qui s'oppose au courant initial)

  • ou en ajoutant une source de courant en parallèle avec l'inductance, ayant la valeur:
L est l'inductance, et
est le courant initial dans l'inductance.

Réseaux d'inductances

Les inductances en configuration parallèle ont chacune la même différence de potentiel (tension). Pour trouver leur inductance équivalente totale (Leq):

Le courant traversant les inducteurs en série reste le même, mais la tension aux bornes de chaque inducteur peut être différente. La somme des différences de potentiel (tension) est égale à la tension totale. Pour trouver leur inductance totale:

Ces relations simples ne se vérifient que lorsqu'il n'y a pas de couplage mutuel des champs magnétiques entre les inducteurs individuels.

Énergie stockée

L'énergie (mesurée en joules, en SI) stockée par une inductance est égale à la quantité de travail nécessaire pour établir le courant à travers l'inductance, et donc le champ magnétique. Ceci est donné par:

L est l'inductance et je est le courant traversant l'inductance (****).

Q facteur

Un inducteur idéal sera sans perte, quelle que soit la quantité de courant traversant l'enroulement. Cependant, les inducteurs ont généralement une résistance à l'enroulement du fil métallique formant les bobines. Comme la résistance d'enroulement apparaît comme une résistance en série avec l'inductance, elle est souvent appelée résistance série. La résistance en série de l'inductance convertit le courant électrique à travers les bobines en chaleur, provoquant ainsi une perte de qualité inductive. Le facteur de qualité (ou Q) d'un inducteur est le rapport de sa réactance inductive à sa résistance à une fréquence donnée, et est une mesure de son efficacité. Plus le facteur Q de l'inducteur est élevé, plus il se rapproche du comportement d'un inducteur idéal sans perte.

Le facteur Q d'un inducteur peut être trouvé par la formule suivante, où R est sa résistance électrique interne et est la réactance capacitive ou inductive à la résonance:

En utilisant un noyau ferromagnétique, l'inductance est considérablement augmentée pour la même quantité de cuivre, multipliant les Q. Cores mais introduisant également des pertes qui augmentent avec la fréquence. Une qualité de matériau de base est choisie pour obtenir les meilleurs résultats pour la bande de fréquences. Aux fréquences VHF ou supérieures, un noyau d'air est susceptible d'être utilisé.

Les inducteurs enroulés autour d'un noyau ferromagnétique peuvent saturer à des courants élevés, provoquant une diminution spectaculaire de l'inductance (et Q). Ce phénomène peut être évité en utilisant un inducteur à noyau d'air (physiquement plus grand). Un inducteur à noyau d'air bien conçu peut avoir un Q de plusieurs centaines.

Un inducteur presque idéal (Q approchant l'infini) peut être créé en plongeant une bobine faite d'un alliage supraconducteur dans de l'hélium liquide ou de l'azote liquide. Cela surrefroidit le fil, provoquant la disparition de sa résistance d'enroulement. Étant donné qu'un inducteur supraconducteur est pratiquement sans perte, il peut stocker une grande quantité d'énergie électrique dans le champ magnétique environnant (voir Stockage d'énergie magnétique supraconductrice).

Formules d'inductance

Le tableau ci-dessous énumère quelques formules courantes pour calculer l'inductance théorique de plusieurs constructions d'inductances.

ConstructionFormuleDimensions
Bobine cylindrique3
  • L = inductance en henries (H)
  • μ0 = perméabilité de l'espace libre = 4 × 10-7 H / m
  • K = Coefficient de Nagaoka3
  • N = nombre de tours
  • UNE = surface de la section transversale de la bobine en mètres carrés (m2)
  • l = longueur de bobine en mètres (m)
Conducteur de fil droit
  • L = inductance (H)
  • l = longueur du conducteur (m)
  • = diamètre du conducteur (m)
  • L = inductance (nH)
  • l = longueur du conducteur (po)
  • = diamètre du conducteur (po)
Bobine cylindrique à noyau d'air court
  • L = inductance (µH)
  • r = rayon extérieur de la bobine (po)
  • l = longueur de bobine (po)
  • N = nombre de tours
Bobine multicouche à noyau d'air
  • L = inductance (µH)
  • r = rayon moyen de la bobine (po)
  • l = longueur physique de l'enroulement de la bobine (po)
  • N = nombre de tours
  • = profondeur de la bobine (rayon extérieur moins rayon intérieur) (po)
Bobine à noyau d'air en spirale plate
  • L = inductance (H)
  • r = rayon moyen de la bobine (m)
  • N = nombre de tours
  • = profondeur de la bobine (rayon extérieur moins rayon intérieur) (m)
  • L = inductance (µH)
  • r = rayon moyen de la bobine (po)
  • N = nombre de tours
  • = profondeur de la bobine (rayon extérieur moins rayon intérieur) (po)
Noyau toroïdal (section circulaire)
  • L = inductance (H)
  • μ0 = perméabilité de l'espace libre = 4 × 10-7 H / m
  • μr = perméabilité relative du matériau d'âme
  • N = nombre de tours
  • r = rayon d'enroulement de la bobine (m)
  • = diamètre global du tore (m)

Synonymes

  • Bobine
  • Starter (électronique)
  • Réacteur

Voir également

Remarques

  1. 1.0 1.1 Comment fonctionne Stuff, comment fonctionnent les inducteurs. Récupéré le 23 février 2009.
  2. ↑ Aspi Wadia, Systèmes électriques d'aéronefs et pourquoi ils fonctionnent à une fréquence de 400 Hz. Récupéré le 23 février 2009.
  3. 3.0 3.1 Hantaro Nagaoka, Les coefficients d'inductance des solénoïdes, Journal du Collège des sciences, Université impériale, Tokyo, Japon. 27:18. Récupéré le 23 février 2009.

Les références

  • Giancoli, Douglas. 2007. Physique pour les scientifiques et les ingénieurs, avec la physique moderne, 4e éd. Mastering Physics Series. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall. ISBN 978-0136139263.
  • Gibilisco, Stan. 2005. L'électricité démystifiée. New York: McGraw-Hill. ISBN 0071439250.
  • Hughes, Edward et al. 2002. Technologie électrique et électronique, 8e éd. Harlow: Prentice Hall. ISBN 058240519X.
  • Tipler, Paul Allen et Gene Mosca. 2004. Physique pour les scientifiques et les ingénieurs, Volume 2: Électricité et magnétisme, Lumière, Physique moderne, 5e éd. New York: W.H. Homme libre. ISBN 0716708108
  • Young, Hugh D. et Roger A. Freedman. 2003. Physique pour les scientifiques et les ingénieurs, 11e édition. San Francisco: Pearson. ISBN 080538684X.

Liens externes

Tous les liens ont été récupérés le 2 mars 2018.

  • Fonctionnement des inducteurs. Comment fonctionne Stuff.
  • Chapitre 25. Capacité et inductance. Électricité et magnétisme. (Un chapitre d'un manuel en ligne.)
  • Calculateur d'inductance de bobine. 66pacific.com.

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