Лекция № 7.
ИНДУКТИВНО-СВЯЗАННЫЕ ЦЕПИ
При рассмотрении цепей гармонического тока до сих пор нами учитывалось явление самоиндукции, то есть явление наведения ЭДС в электрической цепи при изменении потокосцепления самоиндукции, обусловленного током в этой цепи. Для простейшей
цепи, приведенной на рис. 7.1,а, при переменном напряжении на зажимах цепи справедливо уравнение Кирхгофа
,
где
- напряжение, уравновешивающее ЭДС самоиндукции.

Физическая картина заключалась в следующем: переменный ток
, протекая по виткам катушки создает переменный магнитный поток
, который сцепляясь с витками
катушки, обуславливает появление ЭДС самоиндукции e
,
где
- индуктивность, численно равная отношению потокосцепления самоиндукции к току, его обуславливающему.
Теперь рассмотрим явление взаимоиндукции, то есть явление наведения ЭДС в одной электрической цепи при изменении в ней потокосцепления, вызванного изменением тока в другой электрической цепи. Для этого проанализируем картину магнитного поля индуктивно-связанных катушек (рис. 7.1,б).
Протекание переменного тока
по виткам
первой катушки обуславливает появление магнитного потока Ф
,
где
- магнитная проводимость пути, по которому замыкается поток рассеяния первой катушки.
Отношение
Y
s 1/i 1=
называется индуктивностью рассеяния первой катушки.
Часть потока
пронизывает как витки первой катушки
, так и витки второй катушки
и носит название потока взаимоиндукции первой катушки
, пронизывающего витки второй катушки. Таким образом,
![]()
Произведение
является потокосцеплением второй цепи, обусловленное током
в первой цепи.
Переменный ток
, протекая по виткам
второй катушки, создает переменный магнитный поток
. Часть этого потока
пронизывает только витки второй катушки
и обуславливает потокосцепление рассеяния второй катушки
.
Отношение

носит название индуктивности рассеяния второй катушки.
Часть потока
, пронизывающая витки как первой, так и второй катушки, называется потоком взаимной индукции второй катушки, пронизывающим витки первой катушки ![]()
Произведение
![]()
есть потокосцепление первой цепи, обусловленное током во второй цепи ![]()
Связь потокосцепления взаимной индукции одной электрической цепи с током в другой цепи характеризуется взаимной индуктивностью
. Взаимная индуктивность равна отношению потокосцепления взаимной индукции в одной цепи к току в другой цепи, то есть
,
.
Для линейных цепей всегда выполняется равенство
, что легко показать. На самом деле
,
.
где
l м1иl м2 - магнитные проводимости путей, по которым замыкаются потоки взаимоиндукции ФМ1и ФМ2. А поскольку они замыкаются по одному и тому же пути, то l м1=l м2 =l м, тоМ12= М21= М=w1w2l м.
Таким образом взаимная индуктивность пропорциональна произведению чисел витков катушек w
1 и w2 и магнитной проводимости l м. пути потоков взаимной индукции, которая зависит от магнитной проницаемости среды, взаимного расположения катушек, их формы и размеров.Степень индуктивной связи двух катушек характеризуется коэффициентом связи
, определяемым как среднее геометрическое из отношений потока взаимной индукции к полному потоку катушки, то есть
.
Как видно, коэффициент связи
всегда меньше
, так как
и
.
Коэффициент связи
приближается к
с уменьшением потоков рассеяния
и
. Повышение коэффициента связи достигается бифиляр-ной намоткой катушек и применением ферромагнитного сердечника, так как с увеличением магнитной проницаемости среды, по которой замыкаются потоки взаимной индукции, доля потоков рассеяния уменьшается.
Выразим потоки через токи катушек, числа витков, индуктивности и взаимную индуктивность следующим образом:
;
;
;
.
Тогда
.
ЭДС взаимной индукции
Если в отдельных индуктивных элементах цепи наводятся ЭДС взаимной индукции, то при расчете таких цепей необходимо учитывать напряжения, компенсирующие эти ЭДС. Сами эти напряжения uм21 , uм12, называемые напряжениями взаимоиндукции, как и напряжения на индуктивностях, пропорциональны скоростям изменения токов, их обуславливающих, т.е.
u
м12=Mdi 2/dt, uм21=Mdi 1/dt.Если токи
i 1 и i 2 синусоидальны, то напряжение взаимоиндукции можно определить на основании закона Ома в комплексной форме. Так комплекс напряжения взаимоидукции второй катущки, обусловленного током первой катушки можно записать в виде
,
где Z
M=jXM -комплексное сопротивление взаимоиндукции или сопротивление связи, а XM = w M -реактивное сопротивление взаимной индукции катушек. Таким образом, напряжение взаимоиндукции второй катушки опережает ток первой катушки на 90 градусов . Аналогично, напряжение взаимоиндукции первой катушки, обусловленное током второй катушки опережает ток второй катушки на 90 градусов , а комплекс этого напряжения определяется выражением
.
Согласное и встречное включение катушек
При расчете ЭЦ, где имеет место явление взаимоиндукции, учет этого явления производится путем включения в уравнения, составленные на основании второго закона Кирхгофа , дополнительных слагаемых в виде напряжений взаимоиндукции. Так для первой из катушек , представленных на рис. 7.1,б, уравнение Кирхгофа имеет вид
u1= uR1+ uL1
± uм12.Если напряжение на индуктивности первой катушки u
L1 и напряжение взаимоиндукции uм12., обусловленные током второй катушки направлены одинаково , то перед последним слагаемым ставится знак (+), если противоположно - то (-). Указанные напряжения будут направлены одинаково, если поток самоиндукции первой катушки и поток взаимоиндукции, обусловленный током второй катушки , в первой катушке направлены одинаково. Аналогичноu2= uR2+ uL2
± uм21.В тех случаях, когда картина магнитных потоков катушек непосредственно не рассматривается, при расчетах условились ставить знак (+) перед последним слагаемым в случае , когда катушки включены согласно и знак (-) -когда они включены встречно.
Катушки считаются включенными согласно, если токи в них ориентированы одинаково относительно некоторых зажимов, помеченных на схеме цепи точками или звездочками и называемых одноименными и встречно, если они ориентированы противоположно.
Зажимы катушек считаются одноименными, если одинаково ориентированные относительно них токи, обуславливают одинаково направленные в катушках потоки самоиндукции и взаимоиндукции.
Физически направления магнитных потоков в катушках определяется правилом правоходового винта. Например, потоки Фм1 и Фм2 на рис. 7.2,а направлены

противоположно при заданных направлениях токов
i 1 и i 2 , т.е. катушки включены встречно. Однако, если бы эти токи были ориентированы одинаково относительно зажимов соответственно 1 и 4, то потоки были бы направлены одинаково. Следовательно, эти зажимы можно считать одно-именными.На рис. 7.2,б изображена эл. схема, соответствующая рисунку 7.2,а, где
наличие индуктивной связи между катушками показано дугой с стрелками, над которой стоит символ "М", а одноименные зажимы помечены символами (*).
Расчет цепей синусоидального тока с последовательно-соединенными и индуктивно-связанными катушками
Схема цепи, подлежащей расчету приведена на рис. 7.3. Пусть известны параметры катушек ![]()

Положим вначале, что катушки включены согласно. Тогда на основании второго закона Кирхгофа для рассматриваемой цепи можно написать уравнение для мгновенных значений токов и напряжений в виде
.
Если напряжение на зажимах цепи синусоидально, то указанное уравнение можно записать в комплексной форме
.
Следовательно, комплекс тока в цепи определяется выражением
,
где Lэкв
=L1+L2+2M - эквивалентная индуктивность цепи.Таким образом, две индуктивно-связанные катушки, соединенные последовательно при согласном включении эквивалентны катушке, имеющей активное сопротивление
и индуктивность
. Как видно индуктивная связь между катушками в данном случае увеличивает эквивалентную индуктивность цепи.
Пусть теперь катушки включены встречно. Тогда
.
Следовательно
,
где
- эквивалентная индуктивность цепи.
Таким образом, наличие индуктивной связи между катушками при их встречном включении уменьшает эквивалентную индуктивность цепи .