Электрику об индуктивности
 |
|---|
Каждый из нас видел магнит. Он имеет два полюса, вокруг которых существует магнитное поле. Посредством этого магнитного поля магнит взаимодействует с другими магнитами и магнитными телами, при этом одноименные полюсы отталкиваются, а разноименные притягиваются. Магнитное поле невидимо, но его существование можно доказать, если на магнит наложить лист бумаги и насыпать на него железные опилки (рис.1). Магнитное поле изображается условно с помощью магнитных силовых линий. Они начинаются от северного полюса N и заканчиваются в южном полюсе S (рис.2). Магнитное поле сильнее там, где гуще силовые линии. Проведем простой опыт. Для этого на железный болт или толстый гвоздь намотаем 100...150 витков изолированного медного провода диаметром 0,2...0,3мм и подключим к обычной батарейке напряжением 4,5В. При протекании электрического тока через провод болт намагничивается, т.е. становится электромагнитом. При прекращении тока болт теряет свои магнитные свойства. Каким образом электрический ток намагничивает болт? Вокруг любого проводника проводника, по которому протекает ток, существует магнитное поле. Подобно электрическому полю магнитное поле тоже является носителем энергии.
На рис.3а показан опыт, в котором магнитное поле проводника становится "видимым" с помощью железных опилок, насыпанных на картон. Полученные силовые магнитные линии расположены концентрично вокруг проводника, при этом их направление связано с направлением протекающего тока. Как только мы меняем направление тока, силовые линии меняют свое направление. Если намотаем провод в виде спирали, то магнитные силовые поля отдельных витков суммируются, и получается катушка, которая имеет северный и южный полюс (рис.3б). Чем больше витков и чем больше тока протекает через них, тем сильнее магнитное поле катушки.
Если в катушку поместить железное тело, то общее магнитное поле усилится. Следовательно, железный сердечник концентрирует и усиливает магнитное поле, созданное катушкой. Подобными свойствами обладают только железо, никель, кобальт и их сплавы, и эти вещества называются ферромагнитными. Надо хорошо запомнить, что медь, алюминий, цинк и прочие металлы не обладают магнитными свойствами.
Когда по виткам катушки протекает переменный ток, то ее магнитное поле тоже становится переменным. На рис.4 показано магнитное поле катушки, по которой протекает переменный синусридальный ток. Видно, что на протяжении одного периода магнитное поле катушки изменяет не только свою силу, но и свое напрвление. Данное явление также рассмотрено в разделе "Активное, индуктивное и реактивное сопротивления в цепи переменного тока
". Иными словами, магнитное поле тоже изменяется по синусоидальному закону.Электромагнитная и взаимная индукция
На рис.5а показан опыт. При движении магнита вниз и вверх в отверстии катушки, стрелка миллиамперметра отклоняется, т.е. в цепи протекает ток. Аналогичное явление получается, если вместо постоянного магнита используется электромагнит (рис.5б). Это явление называется электромагнитной индукцией.
Основной закон электромагнитной индукции гласит: если данный проводник пересекает магнитные силовые линии, то в нем индуктируется определенная электродвижущая сила (ЭДС). При этом не имеет значения движутся ли магнитные силовые линии, а проводник неподвижен, или движется проводник, а магнитные линии неподвижны. Индуктированная ЭДС тем больше, чем быстрее происходит пересечение, чем сильнее магнитное поле и чем больше витков в катушке. Направление индуктированного напряжения определяется правиллом правой руки, которое гласит: если магнитное поле пронизывает ладонь, а большой палец показывает направление движения проводника, то другие пальцы показывают направление индуктированного напряжения (рис.6).
На рис.7 показан опыт, в котором две катушки L1 и L2 расположены близко друг к другу. Когда через катушку L1 протекает переменный ток, в катушке L2 индуктируется ЭДС, которую можно измерить вольтметром. Это явление называется взаимной индукцией и лежит в основе трансформаторов (раздел "Всё о трансформаторах" читайте здесь
), индуктивно связанных цепей и т.д. При взаимной индукции обе катушки неподвижны, но ток, протекающий через L1, переменный, и число силовых линий, исходящих из L1 и пересекающих L2, непрерывно изменяется (пульсирует) с частотой тока, и поэтому в L2 индуктируется определенная ЭДС. Индуктированная ЭДС зависит от числа витков обеих катушек, от величины и частоты тока, протекающего через L1, и от взаимного расположения катушек. Обратите внимание: если через катушку L1 протекает постоянный ток, то вокруг нее образуется магнитное поле, но оно не будет переменным и в L2 не будет индуктироваться ЭДС.
|
|
Индуктивность
Если через проводник протекает переменный ток, то магнитные силовые линии пересекают собственный проводник и согласно закону электромагнитной индукции в проводнике возникает ЭДС самоиндукции. Русский физик Эмиль Христианович Ленц (1804 - 1865) первый изучил это явление и сформулировал правило, согласно которому ЭДС самоиндукции имеет такое напрвление, что в любой момент оно противодействует приложенному извне напряжению (правило Ленца). На рис.8 видно, что при увеличении тока силовые магнитные линии как будто "выходят" из оси проводника и концентрическими окружностями распространяются наружу, а ЭДС самоиндукции имеет направление, противоположное увеличивающемуся току. При уменьшении тока силовые магнитные линии концентрическими окружностями возвращаются к оси проводника, а ЭДС самоиндукции имеет такое направление, что "помогает" уменьшающемуся току.
Если провод намотан в виде катушки, то вышеописанное явление проявляется еще сильнее, потому что каждая силовая линия пересекает большое число соседних витков. Это можно продемонстрировать, если использовать первичную обмотку сетевого или выходного трансформатора (рис.9). При замыкании ключа на лампочку действует напряжение 4,5В и она светит нормально. При разрыве цепи магнитные силовые линии "собираются" к центру и пересекают большое число витков. Так как ЭДС самоиндукции довольно значительна, лампочка вспыхивает на мгновение ярче, потом гаснет. Этот опыт подтверждает сказанное уже, что магнитное поле является носителем энергии и после разрыва цепи эта энергия не теряется, а переходит в лампочку.
Свойство каждой катушки образовывать магнитные силовые линии вокруг себя при прохождении тока через ее витки называется индуктивностью.
Свойство индуктивности выражается и в том, что когда через данную катушку протекает ток, то при любом изменении его величины в катушке индуктируется противодействующая ЭДС. Если через две различные катушки протекает один и тот же ток, то бОльшую индуктивность имеет та катушка, вокруг которой образуется больше силовых магнитных линий, т.е. околло которой получается бОльший маггнитный поток.
Индуктивность тем больше, чем больше число витков катушки. При прочих равных условиях катушки с ферромагнитным сердечником имеют бОльшую индуктивность. Единица индуктивности называется Генри (Гн) в честь американского ученого Джозефа Генри (1797 - 1878).
Катушка имеет индуктивность 1Гн, если при изменении токачерез нее на 1А за 1секунду на обоих концах ее возникает напряжение самоиндукции в 1В. Часто используются и меньшие единицы: миллигенри (мГн - одна тысячная Генри) и микрогенри (мкГн - одна миллионная Генри). Все это можно записать как:
1мГн = 0,001Гн и 1мкГн = 0,000001Гн.
 |