Явление электромагнитной индукции очень часто наблюдается в электротехнике. Взаимное влияние электрических и магнитных полей иногда приводит к интересным результатам. Самоиндукция – частный случай электромагнитной индукции.
Общеизвестно, что причиной порождения электрического тока является переменное магнитное поле. Именно этот принцип реализован в конструкциях современных генераторов. Природа самоиндукции также связана с электромагнетизмом, но это явление проявляется она по-другому.
Определение
Рассмотрим схему катушки, по обмоткам которой протекает электрический ток (рис. 1). Так как вокруг проводника, который находится под током, всегда существует связанное с ним магнитное поле, то силовые линии этого поля пронизывают плоскости витков. В результате такого взаимодействия соленоиды образуют собственное магнитное поле, магнитные линии которого замыкаются за его пределами.
Рис. 1. Магнитное поле катушки
Частным случаем катушки является замкнутый контур (один виток). В нём, как и в катушке, образуется собственное магнитное поле (см. рис. 2). Если ток постоянный, то в контуре никаких изменений не происходит.
Но при изменении параметров, например, в результате размыкания цепи, изменяется магнитный поток, создаваемый электрическим полем, что является причиной возникновения ЭДС индукции. Аналогичное изменение произойдёт и в случае замыкания цепи.
Изменение параметров магнитного поля вызывает появление вихревого электрического поля, что в свою очередь приводит к возбуждению индуктивной электродвижущей силы. Возникновение ЭДС индукции, в результате изменения ток в замкнутом контуре, называется самоиндукцией.
Магнитный поток, ограниченный поверхностью контура, меняется прямо пропорционально изменению тока, циркулирующего в нём.
Рис. 2. Явление самоиндукции
Направление вектора ЭДС самоиндукции не совпадает с направлением тока в период его возрастания (при замыкании цепи), но он сонаправлен с ним в период убывания (разъединения цепи). Такое действие проявляется в замедлении появления тока в соленоиде при замыкания цепи, или в его задержке на какое-то время после разрыва цепи.
Описанное явление можно наблюдать на опыте с лампочками, одна из которых подключена последовательно с индуктивностью (см. рис. 3).
Рис. 3. Схема опыта с лампочками
Как видно на рисунке слева, ток от источника питания, проходящий через лампочку 2, при замыкании контактов встретит сопротивление вихревых токов, поскольку они противоположно направлены. Поэтому зажигание этой лампочки произойдёт с задержкой.
На время включения лампочки 1 вихревые токи повлияют, но сила тока в её цепи уменьшится после зажигания лампы 2. При отключении цепи от источника питания произойдёт обратный процесс: лампочка в цепи индуктивности некоторое время будет медленно угасать, а вторая лампа потухнет сразу после разъединения контактов.
График на рисунке 4 красноречиво объясняет эффект задержки.
Рис. 4. Иллюстрация задержки изменения тока в цепи индуктивности
Обратите внимание на нелинейность изменения силы тока по времени.
Аналогичные процессы происходят в цепи, состоящей из одной катушки. На рисунке 5 изображена такая схема и график изменения силы тока.
Рис. 5. Возникновение самоиндукции
Остаётся добавить, что скорость изменение величины ЭДС зависит от количества витков соленоида. Чем больше витков, тем больше влияние вихревых токов, на параметры цепи.
В случае с переменным током амплитуда ЭДС самоиндукции пропорциональна амплитуде синусоиды питания, её частоте и индуктивности катушки.
Синусоидальный ток, проходя через катушку индуктивности, сдвигается по фазе на величину π/2. Именно этот сдвиг является причиной отставания собственного тока катушки от тока, вырабатываемого источником питания.
Формулы
Собственный магнитный поток контура (Ф) связан прямо пропорциональной зависимостью с индуктивностью (L) этого контура и величиной тока в нём (i). Данная зависимость выражается формулой: Ф = L×i. Коэффициент пропорциональности L принято называть коэффициентом самоиндукции или же просто индуктивностью контура.
При этом индуктивность контура пребывает в зависимости от его геометрии, площади плоскости ограниченной витком и магнитной проницаемости окружающей среды. Но этот коэффициент не зависит от силы тока в контуре. Если же форма, линейные размеры и магнитная проницаемость не изменяются, то для определения величины индуктивной ЭДС применяется формула:
где Eсамоинд. – ЭДС самоиндукции, Δi – изменение силы тока за время Δt.
Индуктивность
Выше мы отметили, что индуктивность контура зависит от его геометрии и размеров, а также от магнитной проницаемости среды. Если речь идёт о катушке, то эти утверждения справедливы и для неё. На индуктивность катушки влияет её диаметр и количество витков. Индуктивность существенно повышается, если в катушку добавить ферромагнитный сердечник.
Магнитные поля отдельных витков катушки складываются. Если витков достаточно много, то ток, протекающий через катушку, образует вокруг неё сильное магнитное поле, реагирующее на изменения электрического поля. Индуктивность является той величиной, которая характеризует то, насколько сильно проводник, из которого состоят витки, противодействует электрическому току.
Чем больше индуктивность катушки и чем выше скорость прерывания её цепи, тем больший всплеск ЭДС произойдёт в цепи. При этом полярность вихревых токов на выводах катушки противоположна направлению тока источника питания.
Индуктивность (то есть коэффициент пропорциональности) является важной характеристикой катушек, дросселей и других контурных элементов. Этот параметр можно сравнить с ёмкостью конденсаторов. Тем более что действие катушки индуктивности и конденсатора в электрических цепях очень похожи. RL и RC цепочки часто используют для сглаживания всплесков напряжений в различных фильтрах.
Единицей измерения индуктивности в международной системе СИ является генри. Величина размеров в 1 Гн – это такая индуктивность, при которой ЭДС составляет 1 В, при скорости изменения тока на 1 А за секунду.
Индуктивность определяет количество энергии, выделяющейся в результате действия собственного магнитного поля при самоиндукции. Эту энергию легко рассчитать по формуле: Wм = LI2/2.
Собственная энергия катушки численно равна работе, которую необходимо выполнить источником питания при преодолении ЭДС самоиндукции.
Важно знать, что в результате резкого разрыва цепи с большой индуктивностью, энергия высвобождается в виде искры или даже с образованием дугового разряда.
Примеры использования на практике
Явление самоиндукции нашло широкое практическое применение. Автолюбители прекрасно знают, что такое катушка зажигания. Без неё карбюраторный двигатель не запустится.
Работает этот важный узел следующим образом:
- На катушку с большой индуктивностью подаётся бортовое напряжение 12 В.
- Электрическая цепь резко обрывается специальным прерывателем.
- Накопленная энергия самоиндукции поступает по высоковольтным проводам на свечу и образует на её электродах мощную искру.
- Искровой разряд зажигает топливную смесь, приводя в движение поршень.
В современных автомобилях разрыв цепи выполняет электроника, но суть от этого не меняется – для образования искры по-прежнему используется энергия самоиндукции.
Мы уже упоминали о сетевых фильтрах, в которых используется явление самоиндукции. RL цепочка реагирует на любое изменение параметров. При его возрастании она задерживает во времени пиковые скачки и заполняет собственными вихревыми токами провалы. Таким образом, происходит сглаживание напряжения в электрически цепях.
В блоках питания электронной аппаратуры таким же способом убирают:
- шумы:
- пульсации;
- нежелательные частоты.
Самоиндукция дросселей используется в люминесцентных лампах для розжига электродов. После срабатывания стартера происходит разрыв контактов, в результате чего в дросселе наводится ЭДС самоиндукции. Энергия дросселя разжигает дугу на электродах, и люминесцентная лампа начинает светиться.
Перечисленные примеры демонстрируют полезное применение самоиндукции. Однако, как это всегда бывает, индуктивная ЭДС может наносить вред.
При разъединении контактов выключателей, нагрузкой которых являются цепи с большой индуктивностью, возможны дуговые разряды. Они разрушают контакты, замедляют время защиты и т.п.
С целью снижения риска от негативных влияний самоиндукции автоматические выключатели оборудуют дугогасительными камерами.
В таких случаях приходится принимать меры для нейтрализации энергии ЭДС самоиндукции. Ещё большая потребность в рассеянии энергии самоиндукции возникает в полупроводниковых ключах, чувствительных к пробоям.
В промышленности и энергетике самоиндукция является серьёзной проблемой. При отключении нагруженных линий ЭДС самоиндукции может достигать опасных для жизни величин. Это требует дополнительных затрат на принятие мер предосторожности. В частности, необходимо устанавливать на линиях устройства, препятствующие молниеносному размыканию цепи.
Видео в помощь
Источник: https://www.asutpp.ru/samoinduktsiya.html
Самоиндукция. Индуктивность. Энергия магнитного поля тока — Класс!ная физика
«Физика — 11 класс»
Самоиндукция
Если по катушке идет переменный ток, то: магнитный поток, пронизывающий катушку, меняется во времени,
Это явление называют самоиндукцией.
По правилу Ленца при увеличении тока напряженность вихревого электрического поля направлена против тока, т.е. вихревое поле препятствует нарастанию тока. При уменьшения тока напряженность вихревого электрического поля и ток направлены одинаково, т.е.вихревое поле поддерживает ток.
На вышеприведенном рисунке: при замыкании ключа первая лампа вспыхивает практически сразу, а вторая — с заметным запозданием, т.к. ЭДС самоиндукции в цепи второй лампы велика, и сила тока не сразу достигает своего максимального значения.
При размыкании ключа в катушке L возникает ЭДС самоиндукции, которая поддерживает уменьшающийся ток. В момент размыкания через гальванометр идет ток размыкания, направленный против начального тока до размыкания.
Сила тока при размыкании может быть больше начального тока, т.е. ЭДС самоиндукции больше ЭДС источника тока.
- Величина индукции магнитного поля, создаваемого током, пропорционален силе тока, а магнитный поток пропорционален магнитной индукции.
- Следовательно
- Ф = LI
где L — индуктивность контура (иначе коэффициентом самоиндукции), т.е. это коэффициент пропорциональности между током в проводящем контуре и магнитным потоком.
Используя закон электромагнитной индукции, получаем равенство
- Индуктивность — это физическая величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока в нем на 1 А за 1 с.
- Индуктивность зависит от размеров проводника, его формы и магнитных свойств среды, в которой находится проводник, но не зависит от силы тока в проводнике.
- Индуктивность катушки (соленоида) зависит от количества витков в ней.
Единицу индуктивности в СИ называется генри (1Гн). Индуктивность проводника равна 1 Гн, если в нем при равномерном изменении силы тока на 1 А за 1 с возникает ЭДС самоиндукции 1 В.
- Аналогия между самоиндукцией и инерцией.
- Явление самоиндукции подобно явлению инерции в механике.
- В механике: Инерция приводит к тому, что под действием силы тело приобретает определенную скорость постепенно.
- Тело нельзя мгновенно затормозить, как бы велика ни была тормозящая сила.
- В электродинамике: При замыкании цепи за счет самоиндукции сила тока нарастает постепенно.
- При размыкании цепи самоиндукция поддерживает ток некоторое время, несмотря на сопротивление цепи.
- Явление самоиндукции выполняет очень важную роль в электротехнике и радиотехнике.
Энергия магнитного поля тока
По закону сохранения энергии энергия магнитного поля, созданного током, равна той энергии, которую должен затратить источник тока (например, гальванический элемент) на создание тока. При размыкании цепи эта энергия переходит в другие виды энергии.
При замыкании цепи ток нарастает. В проводнике появляется вихревое электрическое поле, действующее против электрического поля, созданного источником тока. Чтобы сила тока стала равной I, источник тока должен совершить работу против сил вихревого поля.
Эта работа идет на увеличение энергии магнитного поля тока.
При размыкании цепи ток исчезает. Вихревое поле совершает положительную работу. Запасенная током энергия выделяется.
- Это обнаруживается, например, по мощной искре, возникающей при размыкании цепи с большой индуктивностью.
- Энергия магнитного поля, созданного током, проходящим по участку цепи с индуктивностью L, определяется по формуле
Магнитное поле, созданное электрическим током, обладает энергией, прямо пропорциональной квадрату силы тока.
Плотность энергии магнитного поля (т. е. энергия единицы объема) пропорциональна квадрату магнитной индукции: wм ~ В2, аналогично тому как плотность энергии электрического поля пропорциональна квадрату напряженности электрического поля wэ ~ Е2.
Источник: «Физика — 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин
Следующая страница «Электромагнитное поле. Электродинамический микрофон» Назад в раздел «Физика — 11 класс, учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин»
Электромагнитная индукция. Физика, учебник для 11 класса — Класс!ная физика
Электромагнитная индукция. Магнитный поток — Направление индукционного тока. Правило Ленца — Закон электромагнитной индукции — ЭДС индукции в движущихся проводниках. Электродинамический микрофон — Вихревое электрическое поле — Самоиндукция. Индуктивность. Энергия магнитного поля тока — Электромагнитное поле — Примеры решения задач — Краткие итоги главы
Источник: http://class-fizika.ru/11_12.html
Самоиндукция. Индуктивность
- «Науку часто смешивают с знанием.
- Это глубокое недоразумение.
- Наука есть не только знание, но и сознание,
т.е. умение пользоваться знанием»
В.О. Ключевский
Явление электромагнитной индукции состоит в том, что в замкнутом контуре при изменении магнитного потока в нем возникает электрический ток, который называют индукционным.
Закон электромагнитной индукции гласит: среднее значение ЭДС индукции в проводящем контуре пропорционально скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.
Знак «минус», в математической записи закона, учитывает правило Ленца, согласно которому электромагнитная индукция создает в контуре индукционный ток такого направления, что созданное им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего этот ток.
Электромагнитная индукция проявляется во всех случаях изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром. Современник Фарадея американский физик Джозеф Генри независимо от своего английского коллеги открыл некоторые из электромагнитных эффектов.
В 1829 году Генри обнаружил, что ЭДС индукции возникает в неподвижном контуре и в отсутствии изменения внешнего магнитного поля. Оказалось, что изменяющийся электрический ток, проходящий в контуре, создает изменяющийся магнитный поток.
Это явление было названо явлением самоиндукции.
Примечательно то, что и Генри и Фарадей работали над одной и той же проблемой. И пришли к одним и тем же выводам, касающихся как явления электромагнитной индукции, так и явления самоиндукции. При этом, Генри сделал свои открытия на несколько лет раньше, чем Майкл Фарадей.
Но Генри был безответственно нетороплив при опубликовании результатов экспериментов, и Фарадей первым сообщил о своем успехе.
Наконец, приоритет открытия электромагнитной индукции был отдан Фарадею, а Генри — открытие явления самоиндукции, которое он описал в той же самой статье, что и явление индукции,— в 1832 г.
Самоиндукция является важным частным случаем явления электромагнитной индукции. Если электрический ток в замкнутом проводящем контуре по каким-либо причинам изменяется, то изменяется и магнитное поле этого тока (т.е. индукция магнитного поля пропорциональна силе тока в контуре).
Но при изменении индукции магнитного поля, создаваемого током, проходящим в контуре, изменяется и магнитный поток (т.е. магнитный поток будет пропорционален индукции магнитного поля).
Следовательно, магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром, пропорционален силе тока в контуре.
- Коэффициент пропорциональности между магнитным потоком и силой тока Томсон (в последствии лорд Кельвин) в 1853 году предложил назвать «коэффициентом самоиндукции».
- Коэффициент самоиндукции, который часто называют просто индуктивностью контура, обозначают L.
- Индуктивность в СИ измеряют в Гн (генри).
- [L] = [Гн]
- Эта единица определяется на основании формулы
Индуктивность контура равна 1 Гн, если при силе постоянного тока в контуре 1 А магнитный поток через поверхность, ограниченную этим контуром, равен 1 Вб.
Индуктивность зависит от размеров и формы контура, а также от магнитных свойств среды, в которой этот контур находится.
Например, если взять однослойный соленоид, то его индуктивность будет определяться по формуле
- S — площадь поверхности, ограниченной витком,
- l — длина соленоида,
- m — магнитная проницаемость среды.
- Из формулы для магнитного потока следует, что изменить его можно изменяя силу тока в контуре, или его индуктивность, или и то и другое одновременно.
Согласно закону электромагнитной индукции изменяющийся магнитный поток создает в контуре ЭДС. Возникновение ЭДС индукции в контуре, которое вызвано изменением магнитного поля тока, проходящего в этом же контуре, называют явлением самоиндукции, а появляющуюся ЭДС — электродвижущей силой самоиндукции или ЭДС самоиндукции.
Обозначается ЭДС самоиндукции греческой буквой xSi. Измеряется ЭДС самоиндукции в В (вольт).
[xSi] = [В]
По закону электромагнитной индукции среднее значение ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре прямо пропорциональна индуктивности контура и скорости изменения силы тока в контуре (при учете, что индуктивность контура остается постоянной).
- Из этой формулы следует, что индуктивность — это физическая величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1 А за 1 с.
- Используя это выражение, можно дать второе определение единицы индуктивности: элемент электрической цепи обладает индуктивностью в 1 Гн, если при равномерном изменении силы тока в цепи на 1 А за 1 с в нем возникает ЭДС самоиндукции 1 В.
- Поскольку контур замкнут, ЭДС самоиндукции создает в нем ток самоиндукции, силу которого определяют по закону Ома
где R — сопротивление контура.
Знак минус в формуле для ЭДС самоиндукции учитывает правило Ленца, согласно которому ток самоиндукции всегда направлен так, что он противодействует изменению тока, создаваемого источником. Если основной ток возрастает, то ток самоиндукции направлен против тока источника, если уменьшается, то направление тока источника и тока самоиндукции совпадают.
Как же пронаблюдать явление самоиндукции?
Для этого соберем электрическую цепь, состоящую из катушки с большой индуктивностью, резистора с электрическим сопротивлением, равным сопротивлению обмотки катушки, двух одинаковых лампочек, ключа и источника постоянного тока.
При замыкании цепи лампочка 2 начинает светиться практически сразу, а лампочка 1 с заметным опозданием.
Происходит это из-за того, что при возрастании силы тока I1, созданного источником, на участке, образованном катушкой и лампочкой 1, ЭДС самоиндукции в катушке имеет такую полярность, что создаваемый ею ток самоиндукции направлен навстречу тока источника. В результате рост силы тока на этом участке цепи замедляется, и сила тока не сразу достигает своего максимального значения.
Явление самоиндукции можно также пронаблюдать и при размыкании цепи. Для этого соберем цепь, состоящую из катушки с большим количеством витков, намотанных на железном сердечнике, к зажимам которой параллельно подключена лампочка с большим электрическим сопротивлением по сравнению с сопротивлением обмотки катушки. В качестве источника тока возьмем источник с небольшим ЭДС.
При размыкании ключа сохраняется замкнутой часть цепи, состоящая из уже последовательно соединенных катушки и лампочки. Пока ключ замкнут, лампочка будет тускло светиться, так как отношение сил токов, проходящих через лампочку и катушку, обратно отношению их сопротивлений.
- Однако при размыкании ключа можно увидеть, что лампочка ярко вспыхивает.
- Почему это происходит?
Все дело в том, что при размыкании цепи сила тока в катушке убывает, что приводит к возникновению ЭДС самоиндукции. Возникающий в цепи ток самоиндукции, согласно правилу Ленца, совпадает по направлению с током катушки, не позволяя ему резко уменьшать силу тока. Это и обеспечивает вспышку лампочки.
- Заметим, что явление самоиндукции имеет место в любых случаях изменения силы тока в цепи, содержащей индуктивность, или изменения самой индуктивности.
- Вообще, явление самоиндукции подобно явлению инерции в механике.
- Известно, что автомобиль не может мгновенно приобрести определенное значение скорости, как не может и мгновенно остановиться, как бы велика не была тормозящая сила.
Точно так же, за счет самоиндукции при замыкании цепи, сила тока не сразу достигает своего максимального значения, а нарастает постепенно. При выключении источника, ток сразу не прекращается — самоиндукция будет поддерживать его некоторое время, даже не смотря на большое сопротивление цепи.
Упражнения.
Задача: За промежуток времени 9,5 мс сила тока в катушке индуктивности равномерно возросла от 1,6 А до 2,4 А. При этом в катушке возникла ЭДС самоиндукции –14 В. Определите собственный магнитный поток в конце процесса нарастания тока.
- Основные выводы:
- – Явление возникновения ЭДС индукции в электрической цепи в результате изменения силы тока в этой же цепи, называют явлением самоиндукции.
- – ЭДС самоиндукции равна произведению индуктивности контура и скорости изменения силы тока в нем.
- – Индуктивность — это физическая величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1 А за 1 с.
- – Единицей измерения индуктивности в СИ является Гн (генри).
- – Индуктивность контура равна 1 Гн, если при силе тока в контуре 1 А магнитный поток через поверхность, ограниченную этим контуром, равен 1 Вб.
Источник: https://videouroki.net/video/8-samoinduktsiia-induktivnost.html
11 класс
- Физика
- Пройдите тест по явлению ЭМИ!
- Пройдите тест по природе света!
Электродинамика
Магнитное поле
Взаимодействие токов. Магнитное поле. Магнитная индукция. Вихревое поле
Сила Ампера. Электроизмерительные приборы. Громкоговоритель. Сила Лоренца
Электромагнитная индукция. Открытие ЭМИ. Магнитный поток
Самоиндукция. Индуктивность. Энергия магнитного поля
- Магнитные свойства вещества
- Уравнения Максвелла*
- Механические колебания
- Свободные и вынужденные колебания. Условия возникновения колебаний
- Динамика колебательного движения. Энергия колебательного движения
Сложение гармонических колебаний. Резонанс. Автоколебания
- Электромагнитные колебания
- Свободные и вынужденные электромагнитные колебания. Колебательный контур
- Переменный электрический ток. Активное, ёмкостное, индуктивное сопротивление в цепи переменного тока
- Электрический резонанс. Мощность в цепи с активным сопротивлением
Генерирование электрической энергии. Трансформаторы. Производство, передача и использование электрической энергии
Механические волны
Механические волны. Длина волны. Скорость волны. Свойства волн
Звуковые волны. Звук. Эффект Допплера
Электромагнитные волны
Электромагнитные волны. Экспериментальное обнаружение и свойства электромагнитных волн
Изобретение радио А.С. Поповым. Принцип радиосвязи. Модуляция и детектирование. Простейший детекторный приёмник
Распространение радиоволн. Радиолокация. Телевидение. Развитие средств связи
- Оптика
- Геометрическая оптика
- Развитие взглядов на природу света
- Основные понятия геометрической оптики. Фотометрия
Принцип Гюйгенса и Ферма. Закон отражения. Закон преломления света. Полное отражение
- Плоское зеркало. Сферическое зеркало
- Задачи на сферическое зеркало
- Линза
- Линза. Формула тонкой линзы
- Построение изображений, даваемой линзой
- Оптические приборы
- Волновая оптика
- Скорость света
- Дисперсия света. Интерференция света
- Дифракция света. Дифракционная решётка
- Поляризация света
- Основы теории относительности
- Законы электродинамики и принцип относительности
- Постулаты теории относительности. Релятивисткой закон сложения скоростей
- Зависимость массы тела от скорости его движения. Связь между массой и энергией
- Основы квантовой физики
- Излучения и спектры
- Виды излучений. Источники света
- Спектры и спектральный анализ
- Инфракрасное, ультрафиолетовое и рентгеновское излучение
- Шкала электромагнитных излучений
- Световые кванты
- Физические истоки квантовой теории
- Теория фотоэффекта. Применение фотоэффекта
Фотоны. Давление света. Гипотеза де Бройля
- Атомная физика
- Опыт Резерфорда. Ядерная модель атома
- Квантовые постулаты Бора. Модель атома водорода по Бору
- Атом водорода в квантовой механике
- Вынужденное излучение света. Лазеры
- Открытие радиоактивности. Альфа-, Бета-, гамма- излучения
- Методы наблюдения и регистрации радиоактивных излучений
- Радиоактивные превращения
Закон радиоактивного распада. Период полураспада. Изотопы
Ядерная физика
Открытие нейтрона. Состав ядра атома
Ядерные силы. Энергия связи атомных ядер. Ядерные спектры
Ядерные реакции. Энергетический выход ядерных реакций
Деление ядер урана. Цепные ядерные реакции. Ядерный реактор
- Термоядерные реакции. Применение ядерной энергии
- Получение радиоактивных изотопов и их применение. Биологическое действие радиоактивных излучений
- Физика элементарных частиц
- Стандартная модель элементарных частиц
- Открытие позитрона. Античастицы
- Современная физическая картина мира
- Современная физическая картина мира
- Строение Вселенной
- Строение Вселенной
- Солнечная система
- Звёзды и источники их энергии. Современные представления о происхождении и эволюции Солнца и звёзд
- Наша галактика и другие галактики
- Пространственные масштабы наблюдаемой Вселенной
- Применимость законов физики для объяснения природы космических объектов
- «Красное смещение» в спектрах галактик
- Современные взгляды на строение и эволюцию Вселенной
- Наблюдение солнечных пятен, звёздных скоплений, туманностей и галактик
- Медиаматериалы
- Магнитное поле
- Дисперсия света
- Виды излучений и спектры
- Загадки спектра
- Инфракрасное и ультрафиолетовое излучение
Источник: http://light-fizika.ru/index.php/11-klass?layout=edit&id=129
Самоиндукция
Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев
Темы кодификатора ЕГЭ: самоиндукция, индуктивность, энергия магнитного поля
Самоиндукция является частным случаем электромагнитной индукции. Оказывается, что электрический ток в контуре, меняющийся со временем, определённым образом воздействует сам на себя.
Ситуация 1 .Предположим, что сила тока в контуре возрастает. Пусть ток течёт против часовой стрелки; тогда магнитное поле этого тока направлено вверх и увеличивается (рис. 1).
Рис. 1. Вихревое поле препятствует увеличению тока
Таким образом, наш контур оказывается в переменном магнитном поле своего собственного тока. Магнитное поле в данном случае возрастает (вместе с током) и потому порождает вихревое электрическое поле, линии которого направлены по часовой стрелке в соответствии с правилом Ленца.
Как видим, вихревое электрическое поле направлено против тока, препятствуя его возрастанию; оно как бы «тормозит» ток. Поэтому при замыкании любой цепи ток устанавливается не мгновенно — требуется некоторое время, чтобы преодолеть тормозящее действие возникающего вихревого электрического поля.
Ситуация 2 . Предположим теперь, что сила тока в контуре уменьшается. Магнитное поле тока также убывает и порождает вихревое электрическое поле, направленное против часовой стрелки (рис. 2).
Рис. 2. Вихревое поле поддерживает убывающий ток
Теперь вихревое электрическое поле направлено в ту же сторону, что и ток; оно поддерживает ток, препятствуя его убыванию.
Как мы знаем, работа вихревого электрического поля по перемещению единичного положительного заряда вокруг контура — это ЭДС индукции. Поэтому мы можем дать такое определение.
Явление самоиндукции состоит в том, что при изменении силы тока в контуре возникает ЭДС индукции в этом же самом контуре.
При возрастании силы тока (в ситуации 1) вихревое электрическое поле совершает отрицательную работу, тормозя свободные заряды. Стало быть, ЭДС индукции в этом случае отрицательна.
При убывании силы тока (в ситуации 2) вихревое электрическое поле совершает положительную работу, «подталкивая» свободные заряды и препятствуя убыванию тока. ЭДС индукции в этом случае также положительна (нетрудно убедиться в том, что знак ЭДС индукции, определённый таким образом, согласуется с правилом выбора знака для ЭДС индукции, сформулированным в листке «Электромагнитная индукция»).
Индуктивность
Мы знаем, что магнитный поток, пронизывающий контур, пропорционален индукции магнитного поля: . Кроме того, опыт показывает, что величина индукции магнитного поля контура с током пропорциональна силе тока: . Стало быть, магнитный поток через поверхность контура, создаваемый магнитным полем тока в этом самом контуре, пропорционален силе тока: .
Коэффициент пропорциональности обозначается и называется индуктивностью контура:
(1)
Индуктивность зависит от геометрических свойств контура (формы и размеров), а также от магнитных свойств среды, в которую помещён контур (Улавливаете аналогию? Ёмкость конденсатора зависит от его геометрических характеристик, а также от диэлектрической проницаемости среды между обкладками конденсатора). Единицей измерения индуктивности служит генри (Гн).
- Допустим, что форма контура, его размеры и магнитные свойства среды остаются постоянными (например, наш контур — это катушка, в которую не вводится сердечник); изменение магнитного потока через контур вызвано только изменением силы тока. Тогда , и закон Фарадея приобретает вид:
- (2)
- Благодаря знаку «минус» в (2) ЭДС индукции оказывается отрицательной при возрастании тока и положительной при убывании тока, что мы и видели выше.
- Рассмотрим два опыта, демонстрирующих явление самоиндукции при замыкании и размыкании цепи.
Рис. 3. Самоиндукция при замыкании цепи
В первом опыте к батарейке подключены параллельно две лампочки, причём вторая — последовательно с катушкой достаточно большой индуктивности (рис. 3).
Ключ вначале разомкнут.
При замыкании ключа лампочка 1 загорается сразу, а лампочка 2 — постепенно. Дело в том, что в катушке возникает ЭДС индукции, препятствующая возрастанию тока. Поэтому максимальное значение тока во второй лампочке устанавливается лишь спустя некоторое заметное время после вспыхивания первой лампочки.
Это время запаздывания тем больше, чем больше индуктивность катушки. Объяснение простое: ведь тогда больше будет напряжённость вихревого электрического поля, возникающего в катушке, и потому батарейке придётся совершить большую работу по преодолению вихревого поля, тормозящего заряженные частицы.
Во втором опыте к батарейке подключены параллельно катушка и лампочка (рис. 4). Сопротивление катушки много меньше сопротивления лампочки.
Рис. 4. Самоиндукция при размыкании цепи
Ключ вначале замкнут. Лампочка не горит — напряжение на ней близко к нулю из-за малости сопротивления катушки. Почти весь ток, идущий в неразветвлённой цепи, проходит через катушку.
При размыкании ключа лампочка ярко вспыхивает! Почему? Ток через катушку начинает резко убывать, и возникает значительная ЭДС индукции, поддерживающая убывающий ток (ведь ЭДС индукции, как видно из (2), пропорциональна скорости изменения тока).
Иными словами, при размыкании ключа в катушке появляется весьма большое вихревое электрическое поле, разгоняющее свободные заряды. Под действием этого вихревого поля через лампочку пробегает импульс тока, и мы видим яркую вспышку. При достаточно большой индуктивности катушки ЭДС индукции может стать существенно больше ЭДС батарейки, и лампочка вовсе перегорит.
Лампочку-то, может, и не жалко, но в промышленности и энергетике данный эффект является серьёзной проблемой.
Так как при размыкании цепи ток начинает уменьшаться очень быстро, возникающая в цепи ЭДС индукции может значительно превышать номинальные напряжения и достигать опасно больших величин.
Поэтому в агрегатах, потребляющих большой ток, предусмотрены специальные аппаратные меры предосторожности (например, масляные выключатели на электростанциях), препятствующие моментальному размыканию цепи.
Электромеханическая аналогия
Нетрудно заметить определённую аналогию между индуктивностью в электродинамике и массой в механике.
1. Чтобы разогнать тело до заданной скорости, требуется некоторое время — мгновенно изменить скорость тела не получается. При неизменной силе, приложенной к телу, это время тем больше, чем больше масса тела.
Чтобы ток в катушке достиг своего максимального значения, требуется некоторое время; мгновенно ток не устанавливается. Время установления тока тем больше, чем больше индуктивность катушки.
2. Если тело налетает на неподвижную стену, то скорость тела уменьшается очень быстро. Стена принимает на себя удар, и его разрушительное действие тем сильнее, чем больше масса тела.
При размыкании цепи с катушкой ток уменьшается очень быстро. Цепь принимает на себя «удар» в виде вихревого электрического поля, порождаемого убывающим магнитным полем тока, и этот «удар» тем сильнее, чем больше индуктивность катушки. ЭДС индукции может достичь столь больших величин, что пробой воздушного промежутка выведет из строя оборудование.
На самом деле эти электромеханические аналогии простираются довольно далеко;они касаются не только индуктивности и массы, но и других величин, и оказываются весьма полезными на практике. Мы ещё поговорим об этом в листке про электромагнитные колебания.
Энергия магнитного поля
Вспомним второй опыт с лампочкой, которая не горит при замкнутом ключе и ярко вспыхивает при размыкании цепи. Мы непосредственно наблюдаем, что после размыкания ключа в лампочке выделяется энергия. Но откуда эта энергия берётся?
Берётся она, ясное дело, из катушки — больше неоткуда. Но что за энергия была запасена в катушке и как вычислить эту энергию? Чтобы понять это, продолжим нашу электромеханическую аналогию между индуктивностью и массой.
Чтобы разогнать тело массы из состояния покоя до скорости , внешняя сила должна совершить работу . Тело приобретает кинетическую энергию, которая равна затраченной работе: .
Чтобы после замыкания цепи ток в катушке индуктивности достиг величины , источник тока должен совершить работу по преодолению вихревого электрического поля, направленного против тока.
Работа источника идёт на создание тока и превращается в энергию магнитного поля созданного тока.
Эта энергия запасается в катушке; именно эта энергия и выделяется потом в лампочке после размыкания ключа (во втором опыте).
Индуктивность служит аналогом массы ; сила тока является очевидным аналогом скорости . Поэтому естественно предположить, что для энергии магнитного поля катушки может иметь место формула, аналогичная выражению для кинетической энергии:
(3)
(тем более, что правая часть данной формулы имеет размерность энергии — проверьте!).
Формула (3) действительно оказывается справедливой. Уметь её выводить пока не обязательно, но если вы знаете, что такое интеграл, то вам не составит труда понять следующие рассуждения.
Пусть в данный момент сила тока через катушку равна . Возьмём малый промежуток времени . В течение этого промежутка приращение силы тока равно ; величина считается настолько малой, что много меньше, чем .
- За время по цепи проходит заряд . Вихревое электрическое поле совершает при этом отрицательную работу:
- Источник тока совершает такую же по модулю положительную работу (сопротивлением катушки, напомним, мы пренебрегаем, так что вся работа источника совершается против вихревого поля):
- Интегрируя это от нуля до , найдем работу источника , которая затрачивается на создание тока :
- Эта работа превращается в энергию магнитного поля созданного тока, и мы приходим к формуле (3).
Источник: https://ege-study.ru/ru/ege/materialy/fizika/samoindukciya/
Индуктивность (коэффициент самоиндукции)
1). Индуктивность (или коэффициент самоиндукции) — коэффициент пропорциональности между электрическим током, текущим в каком-либо замкнутом контуре, и магнитным потоком, создаваемым этим током через поверхность, краем которой является этот контур.
В формуле
Ф — магнитный поток, I — ток в контуре, L — индуктивность.
Нередко говорят об индуктивности прямого длинного провода. В этом случае и других (особенно — в не отвечающих квазистационарному приближению) случаях, когда замкнутый контур непросто адекватно и однозначно указать, приведённое выше определение требует особых уточнений; отчасти полезным для этого оказывается подход (упоминаемый ниже), связывающий индуктивность с энергией магнитного поля.
Через индуктивность выражается ЭДС самоиндукции в контуре, возникающая при изменении в нём тока:
Из этой формулы следует, что индуктивность численно равна ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1 А за 1 с.
При заданной силе тока индуктивность определяет энергию магнитного поля, создаваемого этим током:
Практически участки цепи со значительной индуктивностью выполняют в виде катушек индуктивности. Элементами малой индуктивности (применяемыми для больших рабочих частот) могут быть одиночные (в том числе и неполные) витки или даже прямые проводники; при высоких рабочих частотах необходимо учитывать индуктивность всех проводников.
Для имитации индуктивности, т.е. ЭДС на элементе, пропорциональной и противоположной по знаку скорости изменения тока через этот элемент, в электронике используются и устройства, не основанные на электромагнитной индукции (см.
Гиратор); такому элементу можно приписать определённую эффективную индуктивность, используемую в расчётах полностью (хотя вообще говоря с определёнными ограничивающими условиями) аналогично тому, как используется обычная индуктивность.
Обозначение и единицы измерения:
В системе единиц СИ индуктивность измеряется в генри, сокращённо Гн. Контур обладает индуктивностью в один генри, если при изменении тока на один ампер в секунду на выводах контура будет возникать напряжение в один вольт.
В вариантах системы СГС — системе СГСМ и в гауссовой системе индуктивность измеряется в сантиметрах (1 Гн = 109 см; 1 см = 1 нГн); для сантиметров в качестве единиц индуктивности применяется также название абгенри.
В системе СГСЭ единицу измерения индуктивности либо оставляют безымянной, либо иногда называют статгенри (1 статгенри ≈ 8,987552·1011 генри, коэффициент перевода численно равен 10-9 от квадрата скорости света, выраженной в см/с).
Символ L, используемый для обозначения индуктивности, был принят в честь Эмилия Христиановича Ленца (Heinrich Friedrich Emil Lenz). Единица измерения индуктивности названа в честь Джозефа Генри(Joseph Henry). Сам термин индуктивность был предложен Оливером Хевисайдом (Oliver Heaviside) в феврале 1886 года.
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
2). Индуктивность, коэффициент самоиндукции (L) — отношение потокосцепления самоиндукции цепи к силе тока в ней.
Характеризует связь потокосцепления самоиндукции с силой тока контура. Измеряется в генри (Г).
Индуктивность кольцевой катушки L=μaW2S/l, где W — количество витков; S — поперечное сечение катушки; l — длина катушки; μa — магнитная проницаемость среды.
Словарь по электротехнике
Источник: http://elektro911.ru/dir/russkij_alfavit/i/induktivnost_koehfficient_samoindukcii/11-1-0-114
Загрузка...
