Induktory a magnetická pole. Část 2. Elektromagnetická indukce a indukčnost

První část článku: Induktory a magnetická pole

Vztah elektrických a magnetických polí

Elektrické a magnetické jevy byly studovány již dlouhou dobu, ale nikdy nikomu nenapadlo, že by tyto studie nějak propojily. A teprve v roce 1820 bylo objeveno, že na kompasovou jehlu působí aktuální dirigent. Tento objev patřil dánskému fyzikovi Hansu Christianovi Oerstedovi. Následně byla po něm pojmenována jednotka měření síly magnetického pole v systému GHS: ruské označení E (Oersted), anglické označení Oe. Magnetické pole má takovou intenzitu ve vakuu během indukce 1 Gauss.

Tento objev navrhl, že magnetické pole může být získáno z elektrického proudu. Současně však vyvstaly myšlenky o inverzní transformaci, konkrétně o tom, jak získat elektrický proud z magnetického pole. Ve skutečnosti je mnoho přírodních procesů reverzibilních: led se získává z vody, kterou lze znovu rozpustit ve vodě.

Po objevení Oersteda trvalo studium tohoto nyní zjevného zákona fyziky až dvacet dva let. Anglický vědec Michael Faraday se zabýval získáváním elektřiny z magnetického pole. Byly vyrobeny vodiče a magnety různých tvarů a velikostí a byly hledány možnosti jejich vzájemného uspořádání. A zřejmě náhodou vědec objevil, že pro získání EMF na koncích dirigenta je zapotřebí ještě jeden termín - pohyb magnetu, tzn. magnetické pole musí být variabilní.

Nyní to nikoho nepřekvapuje. Takto fungují všechny elektrické generátory - pokud se něco otáčí, generuje se elektřina, svítí žárovka. Zastavil se, přestal se otáčet a světlo zhaslo.

Elektromagnetická indukce

EMF na koncích vodiče tak nastane pouze tehdy, pokud se pohybuje určitým způsobem v magnetickém poli. Nebo přesněji se musí magnetické pole nutně změnit, musí být proměnlivé. Tento jev se v ruském elektromagnetickém vedení nazývá elektromagnetická indukce: v tomto případě říkají, že ve vodiči je indukována EMF. Pokud je zátěž připojena k takovému zdroji EMF, bude proudem proudit proud v obvodu.

Velikost indukovaného EMF závisí na několika faktorech: délka vodiče, indukce magnetického pole B a do značné míry na rychlosti pohybu vodiče v magnetickém poli. Čím rychleji rotujete generátorový rotor, tím vyšší je napětí na jeho výstupu.

Poznámka: Elektromagnetická indukce (jev výskytu EMF na koncích vodiče ve střídavém magnetickém poli) by neměla být zaměňována s magnetickou indukcí - fyzikální veličinou vektoru charakterizující skutečné magnetické pole.

Tři způsoby, jak získat EMF

Indukce

Tato metoda byla zvážena. v první části článku. Stačí pohybovat vodičem v magnetickém poli permanentního magnetu nebo naopak pohybovat magnetem (téměř vždy rotací) poblíž vodiče. Obě možnosti vám určitě umožní získat alternativní magnetické pole. V tomto případě se metoda získání EMF nazývá indukce. Je to indukce, která se používá k získání EMF v různých generátorech. V experimentech Faraday v 1831, magnet postupně se pohyboval uvnitř cívky drátu.

Vzájemná indukce

Toto jméno naznačuje, že se tohoto jevu účastní dva dirigenti. V jednom z nich proudí měnící se proud, který kolem něj vytváří střídavé magnetické pole. Pokud je v blízkosti další vodič, pak na jeho koncích je proměnná EMF.

Tento způsob získání EMF se nazývá vzájemná indukce.Na principu vzájemné indukce pracují všechny transformátory, pouze jejich vodiče jsou vyráběny ve formě cívek a jádra vyrobená z feromagnetických materiálů se používají ke zlepšení magnetické indukce.

Pokud se proud v prvním vodiči zastaví (otevřený obvod) nebo se dokonce stane velmi silným, ale konstantním (nedochází ke změnám), pak na koncích druhého vodiče nelze získat žádný EMF. Proto transformátory pracují pouze se střídavým proudem: pokud je galvanická baterie připojena k primárnímu vinutí, pak na výstupu sekundárního vinutí rozhodně nebude žádné napětí.

EMF v sekundárním vinutí je indukováno pouze při změně magnetického pole. Čím silnější je rychlost změny, konkrétně rychlost, a nikoli absolutní hodnota, tím větší je indukovaný EMF.

Vlastní indukce

Pokud odstraníte druhý vodič, pronikne magnetické pole v prvním vodiči nejen do okolního prostoru, ale také do samotného vodiče. Tak, pod vlivem jeho pole v dirigentovi vyvolalo EMF, který je nazýván EMF self-indukce.

Jevy sebevědomí v roce 1833 studoval ruský vědec Lenz. Na základě těchto experimentů byl nalezen zajímavý vzorec: EMF samoindukce vždy působí proti, kompenzuje vnější střídavé magnetické pole, které způsobuje tento EMF. Tato závislost se nazývá Lenzovo pravidlo (nesmí být zaměňováno s Joule-Lenzovým zákonem).

Znaménko mínus ve vzorci hovoří pouze o tom, jak proti příčinám EMF působit proti vlastní indukci. Pokud je cívka připojena ke zdroji stejnosměrného proudu, proud se bude zvyšovat poměrně pomalu. To je velmi patrné, když je primární vinutí transformátoru „vytočeno“ ukazatelem ohmmetru: rychlost šipky ve směru dělení nulové stupnice je znatelně nižší než při kontrole odporů.

Když je cívka odpojena od zdroje proudu, způsobí samoindukční EMF zažehnutí kontaktů relé. V případě, že je cívka řízena tranzistorem, například reléovou cívkou, je dioda umístěna rovnoběžně s ní v opačném směru vzhledem ke zdroji energie. To se provádí za účelem ochrany polovodičových prvků před vlivem samoindukce EMF, která může být desetkrát až stokrát vyšší než napětí zdroje energie.

Pro provádění experimentů Lenz postavil zajímavé zařízení. Na hliníkových kolébkových ramenech jsou upevněny dva hliníkové kroužky. Jeden prsten je pevný a druhý byl odříznut. Houpačka se volně otáčí na jehle.

Když byl permanentní magnet zaveden do spojitého prstence, „unikl“ z magnetu a když byl magnet odstraněn, hledal ho. Stejné akce s řezaným kroužkem nezpůsobily žádné pohyby. To je způsobeno skutečností, že v kontinuálním prstenci pod vlivem střídavého magnetického pole vzniká proud, který vytváří magnetické pole. Ale v otevřeném kruhu není žádný proud, proto neexistuje ani magnetické pole.

Důležitým detailem tohoto experimentu je, že pokud je magnet vložen do prstence a zůstává nehybný, pak není pozorována žádná reakce hliníkového prstence na přítomnost magnetu. To opět potvrzuje, že k indukční EMF dochází pouze v případě změny magnetického pole a velikost EMF závisí na rychlosti změny. V tomto případě jednoduše z rychlosti pohybu magnetu.

Totéž lze říci o vzájemné indukci a samoindukci, pouze změna síly magnetického pole, přesněji, její rychlost změny závisí na rychlosti změny proudu. Pro ilustraci tohoto jevu můžeme uvést příklad.

Nechte velké proudy projít dvěma dostatečně velkými identickými cívkami: první cívkou 10A a druhou až 1000, přičemž proudy lineárně rostou v obou cívkách. Předpokládejme, že během jedné sekundy se proud v první cívce změnil z 10 na 15 A a ve druhé z 1 000 na 1001 A, což způsobilo výskyt samoindukčního EMF v obou cívkách.

Ale i přes tak obrovskou hodnotu proudu ve druhé cívce bude samoindukční EMF větší v první, protože tam je rychlost změny proudu 5A / s, a ve druhé pouze 1A / s. Koneckonců, EMF autoindukce závisí na rychlosti nárůstu proudu (čtení magnetického pole), a ne na jeho absolutní hodnotě.

Indukčnost

Magnetické vlastnosti cívky s proudem závisí na počtu závitů, geometrických rozměrech. Významného zvýšení magnetického pole lze dosáhnout zavedením feromagnetického jádra do cívky. Magnetické vlastnosti cívky mohou být posouzeny s dostatečnou přesností podle velikosti indukce, vzájemné indukce nebo vlastní indukce EMF. Všechny tyto jevy byly zvažovány výše.

Charakteristika cívky, která o tom mluví, se nazývá koeficient indukčnosti (selfindukce) nebo jednoduše indukčnosti. Ve vzorcích je indukčnost označena písmenem L a ve schématech stejné písmeno označuje indukční cívky.

Jednotkou indukčnosti je Henry (GN). Indukčnost 1H má cívku, ve které se při změně proudu o 1A za sekundu generuje EMF 1V. Tato hodnota je poměrně velká: síťová vinutí dostatečně výkonných transformátorů mají indukčnost jednoho nebo více GN.

Proto poměrně často používají hodnoty menšího řádu, a to milli a microhenry (mH a μH). Tyto cívky se používají v elektronických obvodech. Jednou z aplikací cívek jsou oscilační obvody v rádiových zařízeních.

Cívky se používají také jako tlumivky, jejichž hlavním účelem je přeskočit stejnosměrný proud beze ztrát a zároveň oslabit střídavý proud (filtry v napájecích zdrojích) Obecně platí, že čím vyšší je provozní frekvence, tím méně indukčních cívek.

Indukčnost

Pokud vezmete dostatečně výkonný síťový transformátor a změřte pomocí multimetru odpor primárního vinutí, ukáže se, že je to jen několik ohmů, a dokonce i blízko nuly. Ukazuje se, že proud takovým vinutím bude velmi velký a dokonce má sklon k nekonečnu. Zkrat se zdá být nevyhnutelný! Tak proč tomu tak není?

Jednou z hlavních vlastností induktorů je indukční odpor, který závisí na indukčnosti a frekvenci střídavého proudu, který je připojen k cívce.

Je snadné vidět, že se zvýšením frekvence a indukčnosti se indukční odpor zvyšuje a při stejnosměrném proudu se obecně rovná nule. Proto při měření odporu cívek multimetrem se měří pouze aktivní odpor drátu.

Konstrukce induktorů je velmi různorodá a závisí na frekvencích, se kterými cívka pracuje. Například pro práci v decimetrovém rozsahu rádiových vln se často používají cívky vytvořené tištěným vedením. V hromadné výrobě je tato metoda velmi výhodná.

Indukčnost cívky závisí na jejích geometrických rozměrech, jádru, počtu vrstev a tvaru. V současné době se vyrábí dostatečný počet standardních induktorů, podobných konvenčním odporům s elektrodami. Značení takových cívek se provádí pomocí barevných kroužků. Jako tlumivky se používají také cívky na povrchovou montáž. Indukčnost takových cívek je několik miligenů.