Самоиндукция

Вопрос №2. Самоиндукция и взаимоиндукция (20 мин.)

В опытах Фарадея индукционный ток возникал вследствие изменения магнитного потока в катушке, вызванного изменением индукции внешнего магнитного поля. Американский ученый Джозеф Генри в 1832 г. впервые наблюдал возникновение индукционного тока в катушке, когда магнитный поток в ней увеличивался или уменьшался вследствие изменения тока, протекающего в самой катушке. Это явление получило название самоиндукции.

Самоиндукция – это возникновение ЭДС ЭМИ в проводящем контуре при изменении в нем силы тока.

В чем заключается суть опыта Генри. Если мы вспомним формулу ЭДС ЭМИ (вторая часть закона, выведенная Максвеллом), то из нее оказывается, что ЭДС ЭМИ тем больше, чем больше скорость изменения тока (рис. 3).

Рис. 3

При замыкании ключа К магнитный поток сквозь соленоид возрастает: ∆Ф>0. Согласно правилу Ленца, возникает индукционный ток I_i, создающий индукцию Bi, направленную против внешней магнитной индукции. При протекании индукционного тока положительные заряды оказываются в точке а, а отрицательные в точке – b. Полярность ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока через катушку, т.к. эта ЭДС включена встречно ЭДС внешнего поля. Реально ЭДС самоиндукции тормозит движение электронов в проводнике, из которого сделана катушка. С течением времени, ток в цепи становится постоянным, следовательно, изменение магнитного потока ∆Ф=0, ЭДС самоиндукции становится равной нулю и в цепи устанавливается значение силы тока I=E/R.

При размыкании ключа К в цепи начинается обратный процесс. Ток самоиндукции направлен в туже сторону, что протекал ток в цепи до размыкания. ЭДС самоиндукции поддерживает магнитный поток без изменения. Реально ЭДС самоиндукции ускоряет движение электронов в проводнике, из которого сделана катушка. Поэтому в течение некоторого времени в разомкнутой цепи продолжает протекать ток самоиндукции.

Исходя из вышеизложенного, давайте проанализируем режим работы цепи, приведенной на слайде. В электрическую цепь постоянного тока параллельно подключены две лампы. Полярность источника тока такова, что ко второй лампе ток подводится через катушку индуктивности. Ответьте на вопрос, как загорятся лампы накаливания Л1 и Л2: одновременно или поочередно? Какая из ламп загорится раньше в случаем поочередного загорания ламп?

Что будет происходить в цепи, если размыкать или замыкать ключ? Если размыкать и замыкать цепи катушки, то вокруг нее будет появляться и исчезать магнитное поле, т.к. в момент включения или отключения цепи происходит кратковременное увеличение или уменьшение тока, т.е. его изменение. Этот изменяющийся ток создает изменяющееся магнитное поле, которое пересекает витки самой катушки и создает в ней ЭДС самоиндукции (рис. 4).

Рис. 4

При замыкании: индуктивность катушки очень велика, поэтому ЭДС самоиндукции, которая возникает в ней «тормозит» ток, не дает ему резко возрастать при включении, поэтому лампочка Л1, подключенная к ней последовательно, загорается полным накалом позже, чем лампочка, подключенная без катушки.

При размыкании (мы закорачиваем источник): ток в катушке уменьшается, возникает ЭДС самоиндукции, которая по правилу Ленца пытается "поддержать" ток, не дает ему резко упасть. При размыкании (если мы резко разрываем цепь): может наблюдаться так называемый экстра-ток из-за того ток падает резко за маленькое время, т.е. скорость изменения тока очень велика и, как следствие, ЭДС самоиндукции во много раз может превышать ЭДС источника.

Какой вывод можно сделать из второго опыта? ЭДС самоиндукции может стать причиной пожара. В дальнейшем мы будем изучать устройство и принцип действия электрических машин. Забегая вперед, можно сказать, что обмотки двигателя и генератора представляют собой катушки индуктивности. При неправильном резком отключении их от сети в обмотках возникает большие значения ЭДС самоиндукции и экстра-тока, которые могут вызвать перегрев обмоток и их возгорание.

Когда мы еще можем наблюдать проявление ЭДС самоиндукции? Например, при резком выдергивании из розетки вилки любого электротехнического устройства. При разрыве контакта возникает электрическая дуга, что и является проявлением этого явления. Так катушки индуктивности, входящие практически во все устройства, работающие от электрической цепи, обладают большой индуктивностью. При этом ЭДС самоиндукции может превышать ЭДС источника тока. Появление значительной разности потенциалов в месте размыкания цепи часто приводит к электрическому пробою воздуха и возникновению электрической искры.

Если по катушке с числом витков W протекает изменяющийся ток I, то он создает магнитный поток Ф, пересекающий ее витки (рис. 5).

Рис. 5. К определению потокосцепления и индуктивности катушки

i

Произведение магнитного потока на число витков называется потокосцеплением и обозначается буквой y (пси):

, [Вб]

Потокосцепление в рассматриваемой катушке пропорционально току, протекающему по ее виткам:

,

где L – коэффициент пропорциональности, называемый индуктивностью.

, [Гн]

Индуктивность зависит: от геометрии катушки, числа ее витков и магнитных свойств среды.

Различные проволочные катушки обладают различной индуктивностью. катушка со стальным сердечником имеет большую индуктивность, чем катушка без сердечника. Как вы думаете, почему? Если принять индуктивность проволочной катушки за 1, то у катушки со стальным сердечником индуктивность будет в 3500 раз больше. Это объясняется тем, что при внесении стального сердечника в катушку, по которой протекает ток, происходит намагничивание сердечника, в результате этого значительно увеличивается магнитный поток, пересекающий витки катушки, и возрастает потокосцепление. Так как относительная магнитная проницаемость стального сердечника примерно в 3500 раз больше, чем воздуха, индуктивность катушки при внесении в нее сердечника увеличивается во столько же раз.

Необходимо также отметить, чем больше сечение катушки, тем больше индуктивность. С увеличением длины катушки при неизменном числе витков индуктивность уменьшается.

Единица индуктивности – генри (Гн): [L] = 1 Вб/ 1 А = 1 Гн, 1 мГн=10^–3 , 1 мкГн=10^–6 Гн.

Дата добавления: 2014-01-20