Индуктивность/катушка в цепи переменного тока — работа и влияние на цепь

История

Конечно, вначале были эксперименты английского физика Майкла Фарадея с катушками, которые он использовал, чтобы понять, как расстояние между ними влияет на электромагнитную индукцию. В результате этих экспериментов появился первый трансформатор. 100 лет спустя советский инженер, ученый и изобретатель Лев Термен, создатель одного из первых электромузыкальных инструментов терменвокса, создал эндовибратор — подслушивающее устройство, работающее без источника питания. Считается, что эндовибратор, который долго находился в резиденции посла США в СССР, был предшественником устройств радиочастотной идентификации (RFID) , потому что это было пассивное радиопередающее устройство, которое начинало работать при облучении внешним радиопередатчиком, находящимся неподалеку. Эндовибратор представлял собой объемный резонатор с мембраной, в котором при облучении радиосигналом с частотой 330 МГц возбуждались собственные колебания. Резонатор с мембраной действовал как конденсаторный микрофон. Мембрана выполняла роль одной из обкладок конденсатора, который модулировал частоту собственных колебаний контура. Полученный частотно-модулированный сигнал излучался и улавливался радиоприемником, также находившимся неподалеку. Эндовибратор долго висел на стене в кабинете посла. Его все видели, но только через семь лет обнаружили и поняли как он работает.

Катушки Фарадея в экспозиции Музея Майкла Фарадея в Лондоне

Современные RFID-устройства делают то же самое. RFID-считыватели «облучают» пассивные RFID-метки электромагнитным сигналом в радиочастотном диапазоне и метки отвечают, передавая информацию, содержащуюся в их памяти или получаемую от внешних датчиков (можно и от микрофонов, но чаще всего это бывают термометры или барометры). Близкорасположенные катушки RFID-метки и RFID-приемника совместно образуют трансформатор без сердечника, который обеспечивает индуктивную связь для подачи энергии в метку и для передачи информации между меткой и приемником. Поскольку пассивные RFID-метки не содержат батареи, их срок службы ограничен только физическим старением элементов.

Способы расчёта

Существует несколько основных способов определить индуктивность катушки. Все формулы, которые будут использоваться в расчётах, легко можно найти в справочной литературе или интернете. Весь процесс вычисления довольно простой и не составит труда для людей, имеющих элементарные математические и физические знания.

Вам это будет интересно Принцип работы тиристора, назначение и схема подключения

Через силу тока

Этот расчёт считается самым простым способом определения индуктивности катушки. Формула через силу тока вытекает из самого термина. Какова индуктивность катушки — можно определить по формуле: L=Ф/I, где:

• L — индуктивность контура (в генри);
• Ф — величина магнитного потока, измеряемого в веберах;
• I — сила тока в катушке (в амперах).

Такая формула подходит только для одновиткового контура. Если катушка состоит из нескольких витков, то вместо величины магнитного потока используется полный поток (суммарное значение). Когда же через все витки проходит одинаковый магнитный поток, то для определения суммарного значения достаточно умножить величину одного из них на общее количество.

Соленоид конечной длины

Соленоид представляет собой тонкую длинную катушку, где толщина обмотки значительно меньше диаметра. В этом случае расчёты ведутся по той же формуле, что и через силу тока, только величина магнитного потока будет определяться следующим образом: Ф=µ0NS/l, где:

• µ0 — магнитная проницаемость среды, определяющаяся по справочным таблицам (для воздуха, который принимается по умолчанию в большинстве расчётов, она равна 0,00000126 генри/метр);
• N — количество витков в катушке;
• S — площадь поперечного сечения витка, измеряемая в квадратных метрах;
• l — длина соленоида в метрах.

Коэффициент самоиндукции соленоида можно рассчитать и исходя из способа определения энергии магнитного потока поля. Это более простой вариант, но он требует наличия некоторых величин. Формула для нахождения индуктивности — L=2W/I 2 , где:

• W — энергия магнитного потока, измеряемая в джоулях;
• I — сила тока в амперах.

Катушка с тороидальным сердечником

В большинстве случаев тороидальная катушка наматывается на сердечник, изготовленный из материала, обладающего большой магнитной проницаемостью. В этом случае для расчётов индуктивности можно использовать формулу для прямого соленоида бесконечной длины. Она имеет такой вид: L=N µ0 µS/2 πr, где:

• N — число витков катушки;
• µ — относительная магнитная проницаемость;
• µ0 — магнитная постоянная;
• S — площадь сечения сердечника;
• π — математическая постоянная, равная 3,14;
• r — средний радиус тора.

Вам это будет интересно Технические характеристики и виды электронных диммеров

Длинный проводник

Большинство таких квазилинейных проводников имеет круглое сечение. В этом случае величина коэффициента самоиндукции будет определяться по стандартной формуле для приближённых расчётов: L= µ0l (µelnl/r+ µi/4)/2 π. Здесь используются следующие обозначения:

• l — длина проводника в метрах;
• r — радиус сечения провода, измеряемый в метрах;
• µ0 — магнитная постоянная;
• µi — относительная магнитная проницаемость, характерная для материала, из которого изготовлен проводник;
• µe — относительная магнитная проницаемость внешней среды (чаще всего принимается значение для вакуума, которое равняется 1);
• π — число Пи;
• ln — обозначение логарифма.

RFID и NFC — в чем разница

Итак, что же такое RFID и NFC? И то, и другое — близко связанные друг с другом способы передачи информации, имеющие многочисленные области применения. Примерами являются управление материально-техническими ресурсами, проведение бесконтактных платежей, обмен контактной информацией, фотографиями и видео, электронная оплата проезда по платным дорогам и мостам и многое другое. Радиочастотная идентификация (RFID, англ. Radio Frequency Identification) — это технология, использующая электромагнитные поля для идентификации и отслеживания перемещения меток, прикрепленных к различным объектам. Ближняя бесконтактная связь (NFC, англ. Near-Field Communication) — технология, основанная на существующих стандартах радиочастотной идентификации, позволяющая осуществлять связь между двумя расположенными рядом на расстоянии менее 10 см электронными устройствами. Обычно это два смартфона или считывающее устройство и смартфон, или смартфон и RFID-метка. Для организации связи с помощью NFC используется диапазон со средней частотой 13,56 МГц. Эта же частота стандартизирована и для RFID-устройств.

Микросхема и катушка антенны RFID-метки

Радиочастотная идентификация (RFID)

позволяет осуществлять одностороннюю или двухстороннюю связь между RFID-метками и RFID-приемником. Метки могут быть пассивными (без собственного источника питания), активными (со своей батареей) и полупассивными (также с батареей). Приемники имеют собственное питание и могут быть пассивными (работающими в режиме только чтения меток) и активными (они могут не только считывать, но и передавать информацию на метки). RFID-метки можно считывать на больших расстояниях, до 200 метров без прямой видимости между считывателем и меткой. Поэтому их можно использовать, например, для обработки багажа в аэропорту. RFID использует несколько радиочастотных диапазонов, показанных в таблице ниже. Связь между устройством чтения и метками осуществляется с использованием стандартизированных протоколов. Для разных диапазонов частот применяются различные протоколы.

Ближняя бесконтактная связь (NFC)

работает в частотном диапазоне 13,56 МГц и является расширением стандарта и протоколов RFID. В связи с этим многие физические свойства NFC совпадают со свойствами высокочастотных RFID-устройств. NFC позволяет осуществлять двухстороннюю связь между двумя близко расположенными (на расстоянии менее 5 см) электронными устройствами, одно из которых обычно бывает смартфоном, а другое — смартфоном, считывателем платежных карт или NFC-меткой. NFC объединяет интерфейс смарт-карты и считывателя смарт-карт в одном устройстве. Как высокочастотная связь RFID, так и NFC работают в одном и том же частотном диапазоне с центральной частотой 13,56 МГц. В отличие от RFID, которая работает хорошо на расстояниях 100 м и более, NFC работает на максимальном расстоянии всего 10 см.

Примерами связи между двумя мобильными телефонами является обмен файлами с помощью приложения Android Beam, сопряжения (паринга) между двумя Bluetooth-устройствами и установления соединения между ними без необходимости ввода паролей. Можно привести множество примеров связи между мобильным телефоном и меткой, которую можно легко запрограммировать с телефона: вызов сайта социальной сети, запуск приложения Google Maps или иного приложения с картами и маршрутом для возвращения домой, открытие ссылки на видеосюжет, отправка почтового сообщения, организация связи постеров с онлайн-объектами и многое другое. Возможно, одним из основных применений NFC является прием платежей с установлением соединения между мобильным телефоном и платежным терминалом. Телефон с возможностями установки NFC-соединения может открывать и закрывать двери. Отметим, что при подготовке этой статьи (лето 2021 г.) устройства Apple поддерживали только прием платежей. Всё остальное для яблофонов пока недоступно.

Ключ зажигания автомобиля Honda: 1 — литиевая батарея, 2 — корпус пульта дистанционного управления с RFID-транспондером, 3 — задняя стенка ключа, 4 — передняя стенка корпуса ключа с металлическим ключом, 5 — уплотнительная прокладка, 6 — ключ Honda в сборе, 7 — передняя крышка пульта управления с кнопками, 8 — печатная плата пульта дистанционного управления, 9 — увеличенное изображение печатной платы, 10 — кварцевый генератор, 11, 15, 16, 17 — кнопки, 13 — катушка индуктивности 2,63 мГн 25 Ом, используемамя в качестве катушки транспондера, 14 — микросхема пульта дистанционного управления и RFID-транспондера

Ниже в таблице приведены различия между технологиями высокочастотной RFID и NFC

Основные параметры

К основным характеристикам катушки индуктивности можно отнести:

1. Индуктивность.
2. Силу тока (для подбора подходящего элемента при ремонте и проектировании это нужно учитывать).
3. Сопротивление потерь (в проводах, в сердечнике, в диэлектрике).
4. Добротность — отношение реактивного сопротивления к активному.
5. Паразитная емкость (емкость между витками, говоря простым языком).
6. Температурный коэффициент индуктивности — изменение индуктивности при нагреве или охлаждении элемента.
7. Температурный коэффициент добротности.

Типы RFID-меток

Существует три типа RFID-меток: активные, пассивные и полупассивные. В активных и полупассивных метках используются батареи для питания их микросхем. Они дороже пассивных меток, но зато у них больше полезных свойств. В частности, в активных метках собственный источник питания используется для питания передатчика, создающего электромагнитные волны, что позволяет существенно повысить дальность связи между меткой и считывающим устройством.

Активные метки

В связи с тем, что в активных метках имеются батареи, они могут хранить больше информации и обеспечивают бóльшую дальность связи. Они могут передавать радиосигнал, который можно принять на расстоянии до 100 метров. В связи с этой особенностью, активные RFID-метки удобны для организации учета материальных ресурсов. Срок службы батарей активных RFID-меток — до 10 лет. Из-за конструктивных особенностей меток, они обычно не подлежат замене, и по окончании их срока службы приходится заменять всю метку целиком.

Активные RFID-метки могут работать в двух режимах — транспондера и маяка. Для увеличения срока службы батареи, метка-транспондер «слушает» сигнал от считывателя и включает передатчик только в тех случаях, когда такой сигнал имеется. С другой стороны, метки-маяки включают передатчик, например, раз в 10 секунд, пытаясь отправить нужную информацию. Активные метки часто содержат различные датчики и позволяют считывать информацию об уровне влажности, температуре, давлении и других параметрах окружающей среды. Конструкция активных RFID-меток часто бывает значительно сложнее конструкции пассивных меток — поэтому активные метки дороже пассивных.

Пассивные метки

NFC-ключ от гостиничного номера, который одновременно выполняет функции общего выключателя освещения и различных бытовых приборов. Чтобы включить питание, гость должен войти в номер и вставить карточку-ключ в выключатель

В отличие от активных RFID-меток, пассивные метки очень простые и состоят всего из двух компонентов: антенны в форме катушки и интегральной микросхемы. Считыватель активизирует свою катушку, которая посылает электромагнитную энергию в катушку метки. Если метка находится в зоне считывания, обе катушки образуют трансформатор, который обеспечивает индуктивную связь, используемую для связи и обеспечения энергией самой метки — по тому же принципу, по которому работает беспроводный заряд смартфонов. Переменный ток, снятый с антенны метки, выпрямляется и используется для питания микросхемы метки, которая посылает сигнал с полезной информацией назад в катушку. Эта информация и считывается катушкой считывателя.

Имеется два типа пассивных радиочастотных меток: RFID-наклейки и метки жесткого типа. Благодаря слою клея на задней поверхности метки, их можно поместить куда угодно, например, на библиотечные книги, чтобы организовать учет библиотечного фонда. «Жесткие» метки надежны в эксплуатации и изготовляются из стекла, пластмассы, металла, керамики, резины и иных материалов. Пассивные RFID-метки тоньше и дешевле активных меток и служат весь срок эксплуатации, потому что в них нет батареи. Пассивные низкочастотные RFID-метки используются для чипирования животных. Они заключаются в стеклянную капсулу размером несколько больше рисового зерна и их можно на любой кошке или собаке, хозяева которых озабочены вероятной пропажей своих питомцев.

Платежный терминал системы оплаты проезда общественного транспорта PRESTO в провинции Онтарио, Канада

Полупассивные метки

Полупассивные RFID-метки обычно используются для мониторинга датчиков или работы различного оборудования путем считывания различных выходных данных, например, работы переключателей (включено—выключено) или клапанов (открыт—закрыт). Принцип их работы аналогичен принципу работы пассивных меток. Сигнал со считывателя вызывает отклик метки. Батарея полупассивной метки используется для питания электронных схем, которые используются для считывания информации с различных датчиков даже в том случае, если метка не опрашивается считывателем. Если метка посылает информацию на считыватель, она передает не только информацию с датчиков, но и свой заводской номер.

Идеальные и реальные катушки индуктивности

У идеальных катушек индуктивности при подключении их к источнику синусоидального напряжения ток отстает по фазе от напряжения на p/2, индуктивное сопротивление RL

= w
L
, где
L
–индуктивность (коэффициент самоиндукции). Как и в случае конденсаторов, у реальных катушек фазовый сдвиг между током и напряжением несколько меньше p/2 – на величину
d
, из-за потерь энергии в катушке при протекании по ней переменного тока – в основном за счет нагрева провода обмотки. Величину называют
добротностью катушки
. Для последовательной схемы замещения , для параллельной .

В некоторых случаях, особенно при высоких частотах, применяют более сложные эквивалентные схемы, учитывающие дополнительно индуктивность выводов конденсаторов и межвитковую емкость катушек.

Низкочастотные измерительные мосты переменного тока

Емкости и тангенсы углов диэлектрических потерь конденсаторов, индуктивности и добротности катушек можно измерять при помощи различных мостовых схем. Рассмотрим схему четырехплечего моста:

Его плечи могут содержать активные сопротивления, емкости и индуктивности и характеризуются импедансами (комплексными сопротивлениями) . С

хема питается переменным синусоидальным напряжением. Условие баланса моста переменного тока (т.е. равенства нулю тока индикатора И) аналогично условию баланса моста постоянного тока (см. работу №10):

Выбор конкретной схемы моста зависит от того, какой эквивалентной схемой мы хотим представить исследуемый конденсатор или катушку индуктивности. Для последовательной схемы замещения конденсатора удобно применять мост следующего вида:

Здесь R

— градуированный (снабженный шкалой) переменный резистор, C — градуированный конденсатор с минимальными потерями (с воздушным диэлектриком). Условие (5) для этой схемы запишется в виде:

Чтобы были равны два комплексных числа, необходимо, чтобы были равны соответственно их действительные и мнимые части. Поэтому равенство (6) распадается на два:

Из этих выражений получаем два условия баланса моста, которые должны выполняться одновременно:

Образцовые катушки индуктивности в мостах переменного тока почти не применяются, т.к. трудно изготовить катушку с очень малыми потерями. Для измерения параметров катушек при последовательной схеме замещения обычно применяют мост следующего вида:

RFID-устройства, имплантируемые в тело человека

Человеческие RFID-метки обычно представляют собой пассивный RFID-транспондер, содержащий интегральную микросхему (называемую с подачи ленивых журналистов в просторечии чипом) в стеклянной капсуле. Метки имплантируются подкожно в руку или иную часть тела человека и обычно содержат уникальный идентификационный номер, который можно связать с информацией в базе данных, содержащей информацию о личности, проблемах с законом, медицинской истории, принимаемых лекарствах и так далее. Корпорация VeriChip приступила к производству RFID-имплантатов еще в 2002 году, а в 2004 году их устройства были сертифицированы Управлением по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных препаратов США (FDA).

Будущие области применения пассивных RFID-меток, имплантируемых в тело человека:

• Предоставление данных для электронных систем хранения медицинской информации о пациентах
• Мониторинг пациентов в больницах
• Контроль времени приема лекарств пациентами в больницах
• Управление медицинским оборудованием
• Возможность извлечения медицинской информации при оказании срочной медицинской помощи
• Помощь дезориентированным больным с болезнью Альцгеймера
• Контроль местонахождения персонала
• Поиск потерявшихся детей
• Удобство открывания дверей, управления принтерами, разблокировки компьютеров в офисах

Конечно, с человеческими имплантатами связано много проблем, включая вероятные возникновения опухолей в месте инъекции метки, нежелательные миграции метки в теле; возможная несовместимость меток с устройствами, работающими на принципе магнитного резонанса, а также риски, связанные с безопасностью и неприкосновенностью частной жизни.

График зависимости тока и напряжения в цепи от времени

Графически зависимость тока в цепи и напряжения с течением времени выглядит так:

График зависимости тока и напряжения в цепи от времени

Как видно, синусоиды тока и напряжения не совпадают: первая смещена относительно второй на угол в 900 или ¼ периода вправо, то есть, отстает от нее. Данное явление называют сдвигом фаз.

Бесконтактная связь (NFC)

Похоже, что в будущем телефон с NFC будет использоваться вместо бумажника с картами лояльности и кредитными картами. Так что же такое NFC? Это технология беспроводной связи на небольшом расстоянии (до 10 см) на высокой частоте (13,56 МГц), позволяющая осуществлять обмен данными между двумя электронными устройствами, одно из которых, как правило, является смартфоном, а другое — NFC-меткой, бесконтактной картой или считывающим устройством. Как и другие технологии RFID (а NFC является частью этих технологий), в NFC используется электромагнитная индукция между двумя рамочными антеннами, если два устройства обмениваются информацией на нелицензируемом в большинстве стран высокочастотном диапазоне ISM (англ. Industrial, Scientific and Medical — промышленный, научный и медицинский) со скоростью обмена 100–400 кбит/с. Соединение устанавливается обычно менее, чем за секунду, а на передачу 40-килобайтого изображения требуется 1–5 секунд. Большое удобство NFC заключается в том, что он может использоваться совместно с Bluetooth для беспарольного сопряжения двух устройств.

В связи с тем, что ISM-диапазон, используемый для NFC, находится между радиовещательными коротковолновыми диапазонами 22 метра (13,57–13,87 МГц) и 25 метров (11,6–12,2 МГц), звук связи между смартфоном с NFC и пассивной меткой можно легко прослушать на обычном коротковолновом вещательном приемнике, если поместить телефон с меткой рядом с антенной.

Имеется три режима работы NFC:

• Режим непосредственной связи между двумя устройствами, которые могут работать в режиме NFC; например, это могут быть два смартфона, которые обмениваются данными друг с другом.
• Чтение и запись — режим, при котором активное NFC-устройство, обычно смартфон, считывает информацию с пассивного NFC-устройства (обычно NFC-метки); смартфон также может записывать информацию в метку.
• Эмуляция платежной карты — режим, при котором NFC-устройство, обычно смартфон, работает в качестве бесконтактной карты; это позволяет оплачивать покупки в магазинах или оплачивать проезд в общественном транспорте путем приближения ее к платежному терминалу

NFC-антенна под стеклянной задней стенкой смартфона Xiaomi Mi5, который использовался для экспериментов при подготовке этой статьи

С помощью указанных трех режимов работы NFC позволяет пользователям передавать информацию с одного смартфона на другой, оплачивать покупки, просто поднеся смартфон к платежному терминалу или использовать смартфон в качестве электронного билета на общественном транспорте аналогичным образом. NFC-устройства используются и при общении в соцсетях, так как они позволяют легко обмениваться контактной информацией, прикладывая один NFC-телефон к другому NFC-телефону.

Понятно, что возможность использовать NFC-устройства для общения в соцсетях все шире используется для продвижения товаров и услуг. Например, посетители могут приложить телефон к NFC-меткам или просто положить телефон на стол с приклеенными NFC-метками в ресторане или в баре, и в соцсетях сразу будет обновлена информация об их местоположении. Покупатели одним движением телефона могут разместить в своих аккаунтах в Facebook или Twitter информацию о товарах, которые им понравились в магазине. NFC-метки позволят покупателям загружать информацию о часах работы и адресе магазина и быстро делиться ею со своими друзьями.

С помощью NFC-телефона легко проверить работу микросхемы биометрического паспорта.Это можно сделать, например, перед поездкой в отпуск заграницу, чтобы быть уверенным, что электронный паспорт функционирует правильно (не правда ли, несколько странное сочетание — неисправный паспорт?). Всё, что для этого нужно — загрузить из Google Play приложение ReadID — NFC Passport Reader (пользователей яблофонов прошу не беспокоиться — их устройства пока не поддерживают все описанные здесь режимы NFC, кроме оплаты услуг). Сфотографируйте телефоном машиносчитываемую зону паспорта, затем приложите паспорт к телефону и считайте содержимое микросхемы паспорта. Вот и все. Приложение покажет вам вашу фотографию и всю информацию, полученную из микросхемы. Эта информация хранится в электрически стираемом перепрограммируемом ПЗУ (EEPROM) микросхемы паспорта. Для считывания информации паспорта необходимо предварительно ввести в микросхему дату рождения, дату выдачи и номер паспорта. Некоторые приложения позволяют ввести эту информацию вручную. В нашем примере она вводится путем фотографирования камерой телефона машиносчитываемой зоны. Если паспорт сканируется, например, в аэропорту, то там должна быть проверена и криптографическая подпись, хранящаяся в микросхеме. По некоторым данным, пока далеко не во всех аэропортах такая проверка действительно выполняется, а значит иногда можно путешествовать и по поддельному цифровому паспорту.

Катушка индуктивности в цепи постоянного тока.

Итак, в первую очередь, давайте разберемся, что же происходит в самой катушке при протекании тока. Если ток не изменяет своей величины, то катушка не оказывает на него никакого влияния. Значит ли это, что в случае постоянного тока использование катушек индуктивности и рассматривать не стоит? А вот и нет ? Ведь постоянный ток можно включать/выключать, и как раз в моменты переключения и происходит все самое интересное. Давайте рассмотрим цепь:

Резистор выполняет в данном случае роль нагрузки, на его месте могла бы быть, к примеру, лампа. Помимо резистора и индуктивности в цепь включены источник постоянного тока и переключатель, с помощью которого мы будем замыкать и размыкать цепь. Что же произойдет в тот момент когда мы замкнем выключатель?

Ток через катушку начнет изменяться, поскольку в предыдущий момент времени он был равен 0. Изменение тока приведет к изменению магнитного потока внутри катушки, что, в свою очередь, вызовет возникновение ЭДС (электродвижущей силы) самоиндукции, которую можно выразить следующим образом:

Возникновение ЭДС приведет к появлению индукционного тока в катушке, который будет протекать в направлении, противоположном направлению тока источника питания. Таким образом, ЭДС самоиндукции будет препятствовать протеканию тока через катушку (индукционный ток будет компенсировать ток цепи из-за того, что их направления противоположны). А это значит, что в начальный момент времени (непосредственно после замыкания выключателя) ток через катушку I_L будет равен 0. В этот момент времени ЭДС самоиндукции максимальна. А что же произойдет дальше? Поскольку величина ЭДС прямо пропорциональна скорости изменения тока, то она будет постепенно ослабевать, а ток, соответственно, наоборот будет возрастать. Давайте посмотрим на графики, иллюстрирующие то, что мы обсудили:

На первом графике мы видим входное напряжение цепи – изначально цепь разомкнута, а при замыкании переключателя появляется постоянное значение. На втором графике мы видим изменение величины тока через катушку индуктивности. Непосредственно после замыкания ключа ток отсутствует из-за возникновения ЭДС самоиндукции, а затем начинает плавно возрастать.

Напряжение на катушке наоборот в начальный момент времени максимально, а затем уменьшается. График напряжения на нагрузке будет по форме (но не по величине) совпадать с графиком тока через катушку (поскольку при последовательном соединении ток, протекающий через разные элементы цепи одинаковый). Таким образом, если в качестве нагрузки мы будем использовать лампу, то они загорится не сразу после замыкания переключателя, а с небольшой задержкой (в соответствии с графиком тока).

Аналогичный переходный процесс в цепи будет наблюдаться и при размыкании ключа. В катушке индуктивности возникнет ЭДС самоиндукции, но индукционный ток в случае размыкания будет направлен в том же самом направлении, что и ток в цепи, а не в противоположном, поэтому запасенная энергия катушки индуктивности пойдет на поддержание тока в цепи:

После размыкания ключа возникает ЭДС самоиндукции, которая препятствует уменьшению тока через катушку, поэтому ток достигает нулевого значения не сразу, а по истечении некоторого времени. Напряжение же в катушке по форме идентично случаю замыкания переключателя, но противоположно по знаку. Это связано с тем, что изменение тока, а соответственно и ЭДС самоиндукции в первом и втором случаях противоположны по знаку (в первом случае ток возрастает, а во втором убывает).

Кстати, я упомянул, что величина ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения силы тока, так вот, коэффициентом пропорциональности является ни что иное как индуктивность катушки:

На этом мы заканчиваем с катушками индуктивности в цепях постоянного тока и переходим к цепям переменного тока.

Кража персональных данных с помощью RFID-устройств

Данные, считанные мобильным телефоном с помощью мобильного приложения Credit Card Reader

При подготовке этой статьи я выполнил простой тест: загрузил из Google Play приложение Credit Card Reader и приложил телефон к бумажнику, в котором лежали уже неиспользуемые кредитные карты. На телефоне появилась информация с одной из карточек: мое имя и фамилия, наименование и номер кредитной карты, дата окончания ее срока использования, наименование организации, выдавшей карту и перечень десяти последних транзакций. Понятно, что с помощью более серьезного оборудования (более мощный передатчик и хороший высокочувствительный приемник) эту информацию можно получить не только путем прикладывания устройства к бумажнику, но и на небольшом расстоянии, может быть в полуметре от бумажника. Конечно, это оборудование не сможет считать PIN или трехзначный код на обратной стороне карты. Тем не менее, вор может использовать информацию о такой карте для покупок в некоторых интернет-магазинах, так как не все продавцы включают опцию проверки трехзначного кода. Некоторые отключают ее для удобства покупателей. Комментарии излишни.

Варианты измерения

Индуктивность катушки в физике определяется путём выполнения вычислений. Однако эту величину можно не только рассчитать, но и измерить. Делается это при помощи прямого или косвенного метода.

Прямой метод

Для измерения индуктивности катушки этим методом необходимо использовать специальные мостовые или прямопоказывающие устройства. С их помощью можно получить максимально точные данные, которые помогут выбрать требуемую катушку для схемы.

Порядок проведения измерений включает в себя следующие этапы:

1. К прямопоказывающему приспособлению подключают катушку.
2. После этого постепенно изменяют диапазоны измерений. Это делается до тех пор, пока получаемый результат не будет находиться примерно в середине интервала.
3. Полученный результат фиксируют и высчитывают с учётом цены деления прибора, а также коэффициента, соответствующего положению переключателя.

Прямой метод измерения можно применить и при определении индуктивности с помощью мостового приспособления. Оно имеет более точную шкалу, поэтому позволяет получить достоверные данные.

Измерение выполняют путём проведения таких действий:

1. Включённый мостовой прибор подсоединяют к катушке, индуктивность которой необходимо определить.
2. Аналогично прямопоказывающему устройству проводят переключение интервалов измерений.
3. После каждого такого действия ручку регулятора балансировки моста поочерёдно перемещают в одно и другое предельное положение.
4. Как только удалось определить диапазон, в котором мост будет сбалансирован, можно выполнять дальнейшие действия.
5. На следующем этапе измерений выполняется постепенное перемещение стрелочного индикатора.
6. После того как в динамике прибора исчезнет звук, необходимо зафиксировать показатели.
7. Затем их рассчитывают в соответствии с ценой деления шкалы и предусмотренным коэффициентом.

Вам это будет интересно Особенности измерения в люменах и ваттах

Косвенное определение

Для того чтобы измерить коэффициент самоиндукции, необходимо провести несколько подготовительных мероприятий. В первую очередь нужно собрать измерительную цепь по стандартной схеме, а также подготовить все необходимые приспособления (генератор синусоидального напряжения, частотомер, а также миллиамперметр и вольтметр, рассчитанные на переменный ток).

Порядок определения параметра:

1. К выходу генератора параллельно подключают вольтметр. Он должен быть переключён в режим, при котором верхнее предельное значение будет соответствовать напряжению в 3−5 вольт.
2. Аналогично подсоединяют и частотомер.
3. Отдельно собирают вторую цепь. В ней последовательно соединяют миллиамперметр и катушку, индуктивность которой нужно определить.
4. Затем обе цепи подключают параллельно друг к другу.
5. Подключённый генератор устанавливают в режим выработки синусоидального напряжения.
6. Путём изменения частоты добиваются такой работы приборов, при которой вольтметр будет показывать примерно 2 вольта. При этом сила тока на миллиамперметре будет постепенно уменьшаться.
7. После этого ручку частотомера перемещают в положение, соответствующее частоте измерений.
8. Как только эти действия будут выполнены, можно фиксировать значения.

Полученные данные переводятся в СИ, а затем выполняются все необходимые расчёты. Первым делом определяется индуктивное сопротивление. Для этого значения приборов подставляются в следующую зависимость: X=U/I, где U — напряжение, а I — сила тока. Результат расчётов будет выражен в омах.

После этого вычисляется индуктивность по формуле L=X/2 πF. В ней используются такие условные обозначения:

• X — индуктивное сопротивление;
• π — математическая постоянная (примерно 3,14);
• F — частота в герцах, при которой проводились измерения.

Индуктивность — это важный физический параметр, позволяющий определить магнитные свойства электроцепи. При точном его измерении и правильном проведении предусмотренных расчётов можно получить достоверные данные, которые понадобятся при выборе катушки.

Приложения для смартфона, NFC-меток и карточек

Если воспользоваться одним из многочисленных приложений, имеющихся в Google Play, можно закодировать NFC-метки для выполнения различных задач, например

• Изменить в смартфоне режимы работы GPS навигатора, Wi-Fi и Bluetooth (включить или выключить).
• Изменить настройки звуков и громкости (звонок, тихий, громкий, только вибрация, звук уведомления, громкость системных звуков и будильника, включение и выключение вибрации).
• Изменить настройки дисплея, например его яркость, автоматический поворот, время работы до выключения и другие.
• Взаимодействие с социальными сетями и социальными медиа, например можно быстро оправить фотографию в блог.
• Отправить сообщение по электронной почте или текстом.
• Открыть и закрыть приложения, открыть URL.
• Позвонить кому-либо.
• Создать различные другие задачи для NFC-меток.

Принцип работы ближней бесконтактной связи: 1 — микросхема процессора устройства считывания NFC, 2 — считыватель, 3 — NFC-метка, 4 — модулятор нагрузки, 5 — микросхема NFC-метки, 6 — индуктивная связь, 7 — данные подаются на модулятор нагрузки

Что же происходит, если приблизить телефон с включенным NFC режимом к NFC-метке? Предположим, что вы собрались спать и прикоснулись телефоном к метке «Будильник», наклеенной на прикроватной тумбочке. Телефон периодически активизирует микросхему NFC, которая посылает сигнал переменного тока с частотой 13,56 МГц в петлевую антенну на задней стенке телефона. Антенна создает слабое электромагнитное поле. Это поле наводит в петлевой антенне NFC-метки переменный ток, который выпрямляется и заряжает конденсатор метки. Энергия, сохраняемая в конденсаторе, используется для питания микросхемы метки, которая, в свою очередь, также генерирует переменный ток, содержащий команду включения будильника на телефоне. Микросхема смартфона обнаруживает электромагнитное поле петлевой антенны NFC-метки и декодирует полученную информацию. После декодирования в телефоне запускается программа будильника, которая включает его.

NFC-метка

Альтернативы технологии NFC

Все платежные терминалы пока еще способны считывать карточки с магнитными полосами. Альтернативой технологии NFC является магнитная безопасная передача (англ. Magnetic Secure Transmission, MST), которая в июне 2021 г. появилась в телефонах LG Electronics и скоро появится в телефонах Samsung. Телефон с аппаратурой MST эмулирует магнитную полосу на любой платежной карте. Вместо того, чтобы проводить карточкой по считывающему устройству, телефон посылает «магнитный сигнал» в форме изменяющегося магнитного поля, который считывается магнитной головкой платежного терминала. Эта технология может быть использована на всех имеющихся платежных терминалах без каких-либо изменений со стороны продавцов. Для осуществления платежа смартфон с микросхемой и катушкой MST вырабатывает переменное магнитное поле с напряженностью, достаточной для считывания магнитной головкой платежного терминала на расстоянии 8 см. Прежде, чем начать платить с помощью телефона, пользовать должен ввести в него информацию о своих платежных картах. В результате ввода информации о картах, телефон превращается в цифровой бумажник.

Автор статьи: Анатолий Золотков

Индуктивное сопротивление в цепи переменного тока

Одной из основных характеристик электрических цепей является сопротивление, которое может быть активным и реактивным. Типичными представителями активного сопротивления считаются обычные потребители – лампы, накаливания, резисторы, нагревательные спирали и другие элементы, в которых электрический ток совершает полезную работу.

К реактивному относятся индуктивное и емкостное сопротивления, находящиеся в промежуточных преобразователях электроэнергии – индуктивных катушках и конденсаторах. Эти параметры в обязательном порядке учитываются при выполнении различных расчетов. Например, для определения общего сопротивления участка цепи, складываются активная и реактивная составляющие. Сложение осуществляется геометрическим, то есть, векторным способом, путем построения прямоугольного треугольника. В нем оба катета являются обоими сопротивлениями, а гипотенуза – полным. Длина каждого катета соответствует действующему значению того или иного сопротивления.

В качестве примера можно рассмотреть характер индуктивного сопротивления в простейшей цепи переменного тока. В нее входит источник питания, обладающий ЭДС (Е), резистор, как активная составляющая (R) и катушка, обладающая индуктивностью (L). Возникновение индуктивного сопротивления происходит под действием ЭДС самоиндукции (Еси) в катушечных витках. Индуктивное сопротивление увеличивается в соответствии с ростом индуктивности цепи и значения тока, протекающего по контуру.

Таким образом, закон Ома для такой цепи переменного тока будет выглядеть в виде формулы: Е + Еси = I x R. Далее с помощью этой же формулы можно определить значение самоиндукции: Еси = -L x Iпр, где Iпр является производной тока от времени. Знак «минус» означает противоположное направление Еси по отношению к изменяющемуся значению тока. Поскольку в цепи переменного тока подобные изменения происходят постоянно, наблюдается существенное противодействие или сопротивление со стороны Еси. При постоянном токе данная зависимость отсутствует и все попытки подключения катушки в такую цепь привели бы к обычному короткому замыканию.

Для преодоления ЭДС самоиндукции, на выводах катушки источником питания должна создаваться такая разность потенциалов, чтобы она могла хотя-бы минимально компенсировать сопротивление Еси (Uкат = -Еси). Поскольку увеличение переменного тока в цепи приводит к возрастанию магнитного поля, происходит генерация вихревого поля, которое и вызывает рост противоположного тока в индуктивности. В результате, между током и напряжением происходит смещение фаз.