Индуктори и магнитни полета. Част 2. Електромагнитна индукция и индуктивност

Първата част на статията: Индуктори и магнитни полета

Връзката на електрическото и магнитното поле

Електрическите и магнитните явления са изучавани отдавна, но никога не е хрумнало на някой по някакъв начин да свързва тези изследвания помежду си. И едва през 1820 г. е установено, че на иглата на компаса действа токов проводник. Това откритие е принадлежало на датския физик Ханс Кристиан Ерстед. Впоследствие единицата за измерване на силата на магнитното поле в системата GHS е кръстена на него: руското обозначение E (Oersted), английското обозначение Oe. Магнитното поле има такава интензивност във вакуум по време на индукция от 1 Гаус.

Това откритие предполага, че от електрически ток може да се получи магнитно поле. Но в същото време възникнаха мисли за обратната трансформация, а именно как да се получи електрически ток от магнитно поле. Всъщност много процеси в природата са обратими: ледът се получава от вода, която отново може да се стопи във вода.

След откритието на Ерстед, изучаването на този вече очевиден закон на физиката отне цели двадесет и две години. Английският учен Майкъл Фарадей се занимавал с получаване на електричество от магнитно поле. Направени са проводници и магнити с различни форми и размери и се търсят варианти за взаимното им подреждане. И само, очевидно, случайно, ученият откри, че за да получи ЕМП в краищата на проводника, е необходим още един термин - движението на магнита, т.е. магнитното поле трябва да е променливо.

Сега това не изненадва никого. Ето така работят всички електрически генератори - докато се върти с нещо, се генерира електричество, светва крушка. Спря, спря да се върти и светлината угасна.

Електромагнитна индукция

По този начин ЕМП в краищата на проводника възниква само ако се движи по определен начин в магнитно поле. Или по-точно магнитното поле трябва задължително да се променя, да бъде променливо. Това явление се нарича електромагнитна индукция, в руските електромагнитни насоки: в този случай те казват, че ЕМП се индуцира в проводника. Ако към такъв източник на ЕМП е свързан товар, по веригата ще тече ток.

Големината на индуцираната ЕРС зависи от няколко фактора: дължината на проводника, индукцията на магнитното поле В и до голяма степен от скоростта на движение на проводника в магнитното поле. Колкото по-бързо се завърти ротора на генератора, толкова по-високо е напрежението на неговия изход.

Забележка: електромагнитната индукция (явлението на възникване на ЕРС в краищата на проводник в променливо магнитно поле) не трябва да се бърка с магнитна индукция - векторно физическо количество, характеризиращо действителното магнитно поле.

Три начина да получите EMF

индукция

Този метод е разгледан. в първата част на статията, Достатъчно е да преместите проводника в магнитното поле на постоянния магнит или обратно, да преместите (почти винаги чрез въртене) магнита близо до проводника. И двете опции определено ще ви позволят да получите променливо магнитно поле. В този случай методът за получаване на ЕМП се нарича индукция. Индукцията се използва за получаване на ЕМП в различни генератори. В експериментите на Фарадей през 1831 г. магнитът прогресивно се движи вътре в телената намотка.

Взаимна индукция

Това име подсказва, че в това явление участват два проводника. В един от тях протича променлив ток, който създава променливо магнитно поле около него. Ако наблизо има друг проводник, тогава в краищата му има променлив ЕМП.

Този метод за получаване на ЕМП се нарича взаимна индукция.На принципа на взаимната индукция работят всички трансформатори, само техните проводници са направени под формата на намотки, а сърцевините, изработени от феромагнитни материали, се използват за усилване на магнитната индукция.

Ако токът в първия проводник спре (отворена верига) или дори стане много силен, но постоянен (няма промени), тогава в краищата на втория проводник не може да се получи ЕМП. Ето защо трансформаторите работят само на променлив ток: ако към първичната намотка е свързана галванична батерия, тогава определено няма да има напрежение на изхода на вторичната намотка.

ЕМП във вторичната намотка се индуцира само когато магнитното поле се промени. Освен това, колкото по-силна е скоростта на промяна, а именно скоростта, а не абсолютната стойност, толкова по-голям е индуцираният ЕРС.

Самоиндукция

Ако премахнете втория проводник, тогава магнитното поле в първия проводник ще проникне не само в заобикалящото пространство, но и в самия проводник. По този начин, под въздействието на полето си в проводника, предизвикан от ЕРС, което се нарича ЕМП на самоиндукция.

Явленията на самоиндукция през 1833 г. са изучени от руския учен Ленц. Въз основа на тези експерименти беше открит интересен модел: ЕМП на самоиндукция винаги противодейства, компенсира външното редуващо се магнитно поле, което причинява тази ЕМП. Тази зависимост се нарича правило на Ленц (да не се бърка със закона на Жул-Ленц).

Знакът минус във формулата говори просто за противодействие на ЕМП на самоиндукция чрез неговите причини. Ако бобината е свързана към източник на постоянен ток, токът ще се увеличава доста бавно. Това е много забележимо, когато първичната намотка на трансформатора се "набира" с омметър с циферблат: скоростта на стрелката в посока на деление на нулата е значително по-ниска, отколкото при тестване на резистори.

Когато бобината е изключена от източника на ток, ЕМП на самоиндукция причинява искри на контактите на релето. В случаите, когато бобината се управлява от транзистор, например, релейна намотка, диод се поставя успоредно на нея в обратна посока по отношение на източника на захранване. Това се прави с цел да се защитят полупроводниковите елементи от влиянието на самоиндукцията на ЕМП, която може да бъде десетки или дори стотици пъти по-висока от напрежението на източника на захранване.

За провеждането на експерименти Ленц конструира интересно устройство. Два алуминиеви пръстена са фиксирани в краищата на рамото на алуминиевия рокер. Единият пръстен е твърд, а другият е нарязан. Рокаджията се върти свободно върху иглата.

Когато постоянен магнит беше въведен в твърд пръстен, той „избяга“ от магнита, а когато магнитът беше отстранен, го потърси. Същите действия с отрязания пръстен не предизвикаха никакви движения. Това се дължи на факта, че в непрекъснат пръстен под въздействието на променливо магнитно поле възниква ток, който създава магнитно поле. Но в отворения пръстен няма ток, следователно, няма и магнитно поле.

Важна подробност на този експеримент е, че ако магнит се вмъкне в пръстена и остане неподвижен, тогава не се наблюдава реакция на алуминиевия пръстен към присъствието на магнита. Това за пореден път потвърждава, че индукционната ЕРС възниква само в случай на промяна в магнитното поле, а величината на ЕРС зависи от скоростта на промяна. В този случай просто от скоростта на движение на магнита.

Същото може да се каже и за взаимна индукция и самоиндукция, само промяна в силата на магнитното поле, по-точно скоростта на промяна зависи от скоростта на промяна на тока. За да илюстрираме това явление, можем да дадем пример.

Нека големите токове преминават през две достатъчно големи еднакви намотки: през първата намотка 10А, а през втората до 1000, като токовете линейно се увеличават и в двете намотки. Да предположим, че в една секунда токът в първата намотка се е променил от 10 на 15А, а във втората - от 1000 на 1001A, което е причинило появата на самоиндукция EMF в двете намотки.

Но, въпреки такава огромна стойност на тока във втората намотка, ЕМП на самоиндукция ще бъде по-голям в първата, тъй като там скоростта на промяна на тока е 5A / s, а във втората е само 1A / s. Действително ЕРС на самоиндукцията зависи от скоростта на увеличаване на тока (прочетете магнитното поле), а не от абсолютната му стойност.

индуктивност

Магнитните свойства на намотката с ток зависят от броя на завоите, геометричните размери. Значително увеличение на магнитното поле може да се постигне чрез въвеждане на феромагнитна сърцевина в намотката. Магнитните свойства на бобината могат да се преценят с достатъчна точност по величината на ЕРС на индукция, взаимна индукция или самоиндукция. Всички тези явления бяха разгледани по-горе.

Характеристиката на намотката, която говори за това, се нарича коефициент на индуктивност (самоиндукция) или просто индуктивност. Във формулите индуктивността се обозначава с буквата L, а на диаграмите същата буква обозначава бобините на индуктивността.

Единицата на индуктивност е Хенри (GN). Индуктивност 1Н има бобина, в която, когато токът се промени с 1А в секунда, се генерира EMF от 1V. Тази стойност е доста голяма: мрежовите намотки на достатъчно мощни трансформатори имат индуктивност на една или повече GN.

Следователно, доста често те използват стойности от по-малък ред, а именно мили и микро-хери (mH и μH). Такива намотки се използват в електронни схеми. Едно от приложенията на намотките са осцилаторните вериги в радиоустройствата.

Също така, намотките се използват като дросели, основната цел на които е да пропусне постоянен ток без загуба, като същевременно отслабва променливия ток (филтри в захранванията). Като цяло, колкото по-висока е работната честота, толкова по-малко се изискват индуктивни бобини.

индуктивно съпротивление

Ако вземете достатъчно мощен мрежов трансформатор и измерете с мултицет устойчивост на първичната намотка, оказва се, че е само няколко ома и дори близо до нула. Оказва се, че токът през такава намотка ще бъде много голям и дори е склонен към безкрайност. Изглежда, че късо съединение е неизбежно! Така че защо не е?

Едно от основните свойства на индукторите е индуктивното съпротивление, което зависи от индуктивността и от честотата на променливия ток, който е свързан към намотката.

Лесно е да се види, че с увеличаване на честотата и индуктивността индуктивното съпротивление се увеличава, а при постоянен ток обикновено става равно на нула. Следователно при измерване на съпротивлението на намотките с мултицет се измерва само активното съпротивление на жицата.

Конструкцията на индукторите е много разнообразна и зависи от честотите, при които бобината работи. Например за работа в дециметровия диапазон на радиовълни доста често се използват намотки, направени чрез печатно окабеляване. При масовото производство този метод е много удобен.

Индуктивността на бобината зависи от нейните геометрични размери, сърцевина, брой слоеве и форма. В момента се произвежда достатъчен брой стандартни индуктори, подобно на конвенционалните резистори с проводници. Маркирането на такива намотки се извършва с цветни пръстени. Има и намотки за повърхностно монтиране, използвани като дросели. Индуктивността на такива намотки е няколко милигена.