Cewki indukcyjne i pola magnetyczne. Część 2. Indukcja elektromagnetyczna i indukcyjność

Pierwsza część artykułu: Cewki indukcyjne i pola magnetyczne

Związek pól elektrycznych i magnetycznych

Zjawiska elektryczne i magnetyczne były badane przez długi czas, ale nikomu nie przyszło do głowy, aby w jakiś sposób powiązać te badania ze sobą. I dopiero w 1820 roku odkryto, że prąd igła działa na igłę kompasu. Odkrycie to należało do duńskiego fizyka Hansa Christiana Oersteda. Następnie nadano mu nazwę jednostki miary natężenia pola magnetycznego w systemie GHS: rosyjskie oznaczenie E (Oersted), angielskie oznaczenie Oe. Pole magnetyczne ma taką intensywność w próżni podczas indukcji 1 Gaussa.

Odkrycie to sugeruje, że pole magnetyczne można uzyskać z prądu elektrycznego. Ale jednocześnie pojawiły się myśli o odwrotnej transformacji, a mianowicie o tym, jak uzyskać prąd elektryczny z pola magnetycznego. Rzeczywiście wiele procesów w przyrodzie jest odwracalnych: lód pozyskiwany jest z wody, którą można ponownie stopić w wodę.

Po odkryciu Oersteda, badanie tego oczywistego teraz prawa fizyki trwało dwadzieścia dwa lata. Angielski naukowiec Michael Faraday był zaangażowany w pozyskiwanie elektryczności z pola magnetycznego. Wykonano przewodniki i magnesy o różnych kształtach i rozmiarach oraz poszukiwano opcji ich wzajemnego rozmieszczenia. I tylko najwyraźniej przez przypadek naukowiec odkrył, że w celu uzyskania pola elektromagnetycznego na końcach przewodnika potrzebny jest jeszcze jeden termin - ruch magnesu, tj. pole magnetyczne musi być zmienne.

Teraz nikogo to nie dziwi. Tak działają wszystkie generatory elektryczne - gdy jest z czymś obracany, wytwarzana jest energia elektryczna, świeci żarówka. Zatrzymał się, przestał się obracać i zgasło światło.

Indukcja elektromagnetyczna

Tak więc pole elektromagnetyczne na końcach przewodnika występuje tylko wtedy, gdy jest poruszane w określony sposób w polu magnetycznym. A ściślej mówiąc, pole magnetyczne musi się koniecznie zmieniać, być zmienne. Zjawisko to nazywa się indukcją elektromagnetyczną, w rosyjskim przewodnictwie elektromagnetycznym: w tym przypadku mówi się, że pole elektromagnetyczne jest indukowane w przewodniku. Jeśli obciążenie jest podłączone do takiego źródła pola elektromagnetycznego, w obwodzie płynie prąd.

Wielkość indukowanego pola elektromagnetycznego zależy od kilku czynników: długości przewodnika, indukcji pola magnetycznego B oraz w dużej mierze od prędkości ruchu przewodnika w polu magnetycznym. Im szybciej wirnik generatora jest obracany, tym wyższe napięcie na jego wyjściu.

Uwaga: indukcji elektromagnetycznej (występowanie pola elektromagnetycznego na końcach przewodnika w zmiennym polu magnetycznym) nie należy mylić z indukcją magnetyczną - wektorową wielkością fizyczną charakteryzującą rzeczywiste pole magnetyczne.

Trzy sposoby uzyskania EMF

Indukcja

Ta metoda została rozważona. w pierwszej części artykułu. Wystarczy przesunąć przewodnik w polu magnetycznym magnesu stałego lub odwrotnie, aby przenieść (prawie zawsze przez obrót) magnes w pobliżu przewodnika. Obie opcje na pewno pozwolą ci uzyskać zmienne pole magnetyczne. W tym przypadku metoda uzyskania pola elektromagnetycznego nazywa się indukcją. To indukcja służy do uzyskania pola elektromagnetycznego w różnych generatorach. W eksperymentach Faradaya w 1831 r. Magnes stopniowo poruszał się wewnątrz cewki drutu.

Wzajemna indukcja

Ta nazwa sugeruje, że w tym zjawisku biorą udział dwa przewodniki. W jednym z nich płynie zmienny prąd, który tworzy wokół niego zmienne pole magnetyczne. Jeśli w pobliżu znajduje się inny przewodnik, to na jego końcach znajduje się zmienny EMF.

Ta metoda uzyskania pola elektromagnetycznego nazywa się wzajemną indukcją.Na zasadzie wzajemnej indukcji działają wszystkie transformatory, tylko ich przewodniki są wykonane w postaci cewek, a rdzenie wykonane z materiałów ferromagnetycznych służą do zwiększenia indukcji magnetycznej.

Jeśli prąd w pierwszym przewodzie zatrzymuje się (obwód otwarty), a nawet staje się bardzo silny, ale stały (nie ma zmian), to na końcach drugiego przewodu nie można uzyskać pola elektromagnetycznego. Dlatego transformatory działają wyłącznie na prąd przemienny: jeśli bateria galwaniczna jest podłączona do uzwojenia pierwotnego, to na pewno nie będzie żadnego napięcia na wyjściu uzwojenia wtórnego.

EMF w uzwojeniu wtórnym jest indukowany tylko wtedy, gdy zmienia się pole magnetyczne. Co więcej, im silniejsze tempo zmian, a mianowicie prędkość, a nie wartość bezwzględna, tym większy indukowany EMF.

Indukcja własna

Jeśli usuniesz drugi przewodnik, wówczas pole magnetyczne w pierwszym przewodniku przeniknie nie tylko otaczającą przestrzeń, ale także sam przewodnik. Tak więc pod wpływem jego pola w przewodzącym indukowanym polem elektromagnetycznym, który nazywa się polem elektromagnetycznym indukcji własnej.

Zjawiska samoindukcji w 1833 r. Badał rosyjski naukowiec Lenz. W oparciu o te eksperymenty znaleziono interesujący wzór: EMF indukcji własnej zawsze przeciwdziała, kompensuje zewnętrzne przemienne pole magnetyczne, które powoduje ten EMF. Zależność ta nazywa się regułą Lenza (nie należy mylić jej z prawem Joule-Lenza).

Znak minus w formule mówi tylko o przeciwdziałaniu EMF indukcji własnej przez jego przyczyny. Jeśli cewka jest podłączona do źródła prądu stałego, prąd będzie wzrastał dość powoli. Jest to bardzo zauważalne, gdy uzwojenie pierwotne transformatora jest „wybierane” za pomocą omomierza wskaźnikowego: prędkość strzałki w kierunku podziału skali zerowej jest zauważalnie mniejsza niż podczas sprawdzania rezystorów.

Gdy cewka jest odłączona od źródła prądu, indukcja indukcyjna powoduje iskrzenie styków przekaźnika. W przypadku, gdy cewka jest sterowana przez tranzystor, na przykład cewkę przekaźnika, dioda jest umieszczona równolegle do niej w przeciwnym kierunku w stosunku do źródła zasilania. Odbywa się to w celu ochrony elementów półprzewodnikowych przed wpływem indukcji elektromagnetycznej, która może być dziesiątki lub nawet setki razy wyższa niż napięcie źródła zasilania.

Do przeprowadzania eksperymentów Lenz skonstruował ciekawe urządzenie. Dwa aluminiowe pierścienie są przymocowane na końcach aluminiowego wahacza. Jeden pierścień jest solidny, a drugi został przecięty. Klawisz obraca się swobodnie na igle.

Kiedy magnes stały został wprowadzony do pierścienia ciągłego, „uciekł” on z magnesu, a kiedy magnes został wyjęty, szukał go. Te same działania z wyciętym pierścieniem nie spowodowały żadnych ruchów. Wynika to z faktu, że w pierścieniu ciągłym pod wpływem zmiennego pola magnetycznego powstaje prąd, który wytwarza pole magnetyczne. Ale w otwartym pierścieniu nie ma prądu, dlatego też nie ma pola magnetycznego.

Ważnym szczegółem tego eksperymentu jest to, że jeśli magnes zostanie wstawiony do pierścienia i pozostanie nieruchomy, wówczas nie będzie obserwowana reakcja aluminiowego pierścienia na obecność magnesu. To po raz kolejny potwierdza, że ​​indukcyjne pole elektromagnetyczne występuje tylko w przypadku zmiany pola magnetycznego, a wielkość pola elektromagnetycznego zależy od szybkości zmiany. W tym przypadku po prostu od prędkości ruchu magnesu.

To samo można powiedzieć o wzajemnej indukcji i samoindukcji, tylko zmianie siły pola magnetycznego, a ściślej jego szybkość zmian zależy od szybkości zmiany prądu. Aby zilustrować to zjawisko, możemy podać przykład.

Niech duże prądy przepływają przez dwie wystarczająco duże identyczne cewki: przez pierwszą cewkę 10A, a przez drugą aż 1000, przy prądach liniowo rosnących w obu cewkach. Załóżmy, że w jednej sekundzie prąd w pierwszej cewce zmienił się z 10 na 15 A, aw drugiej z 1000 na 1001 A, co spowodowało pojawienie się indukcji własnej indukcji w obu cewkach.

Ale pomimo tak dużej wartości prądu w drugiej cewce, indukcja własna indukcyjna będzie większa w pierwszej, ponieważ tam szybkość zmiany prądu wynosi 5A / s, a w drugiej tylko 1A / s. W końcu pole elektromagnetyczne indukcji własnej zależy od szybkości wzrostu prądu (odczyt pola magnetycznego), a nie od jego wartości bezwzględnej.

Indukcyjność

Właściwości magnetyczne cewki z prądem zależą od liczby zwojów, wymiarów geometrycznych. Znaczący wzrost pola magnetycznego można osiągnąć poprzez wprowadzenie rdzenia ferromagnetycznego do cewki. Właściwości magnetyczne cewki można oceniać z wystarczającą dokładnością na podstawie wielkości emf indukcji, wzajemnej indukcji lub samoindukcji. Wszystkie te zjawiska zostały rozważone powyżej.

Charakterystyka cewki, która o tym mówi, nazywa się współczynnikiem indukcyjności (samoindukcji) lub po prostu indukcyjności. We wzorach indukcyjność jest oznaczona literą L, a na schematach ta sama litera oznacza cewki indukcyjności.

Jednostką indukcyjności jest Henry (GN). Indukcyjność 1H ma cewkę, w której, gdy prąd zmienia się o 1A na sekundę, generowane jest pole elektromagnetyczne o wartości 1 V. Ta wartość jest dość duża: uzwojenia sieciowe wystarczająco mocnych transformatorów mają indukcyjność jednego lub więcej GN.

Dlatego dość często używają wartości mniejszego rzędu, a mianowicie milli i mikrogenrii (mH i μH). Takie cewki są stosowane w obwodach elektronicznych. Jednym z zastosowań cewek są obwody oscylacyjne w urządzeniach radiowych.

Cewki są również używane jako dławiki, których głównym celem jest pomijanie prądu stałego bez strat przy jednoczesnym osłabianiu prądu przemiennego (filtry w zasilaczach) Zasadniczo im wyższa częstotliwość robocza, tym mniej wymaganych jest cewek indukcyjnych.

Indukcyjność

Jeśli weźmiesz wystarczająco mocny transformator sieciowy i zmierzyć za pomocą multimetru rezystancja uzwojenia pierwotnego, okazuje się, że jest to tylko kilka omów, a nawet bliskie zeru. Okazuje się, że prąd przez takie uzwojenie będzie bardzo duży, a nawet dąży do nieskończoności. Zwarcie wydaje się być nieuniknione! Dlaczego więc nie jest?

Jedną z głównych właściwości cewek jest rezystancja indukcyjna, która zależy od indukcyjności i częstotliwości prądu przemiennego podłączonego do cewki.

Łatwo zauważyć, że wraz ze wzrostem częstotliwości i indukcyjności rośnie opór indukcyjny, a w przypadku prądu stałego na ogół staje się równy zeru. Dlatego podczas pomiaru rezystancji cewek za pomocą multimetru mierzona jest tylko aktywna rezystancja drutu.

Konstrukcja cewek jest bardzo zróżnicowana i zależy od częstotliwości, przy których cewka działa. Na przykład do pracy w zakresie decymetrowym fal radiowych dość często stosuje się cewki wykonane za pomocą przewodów drukowanych. W produkcji masowej ta metoda jest bardzo wygodna.

Indukcyjność cewki zależy od jej wymiarów geometrycznych, rdzenia, liczby warstw i kształtu. Obecnie produkowana jest wystarczająca liczba standardowych cewek indukcyjnych, podobnych do konwencjonalnych rezystorów z wyprowadzeniami. Znakowanie takich cewek odbywa się za pomocą kolorowych pierścieni. Istnieją również cewki do montażu powierzchniowego używane jako dławiki. Indukcyjność takich cewek wynosi kilka miligenów.