ตัวเหนี่ยวนำและสนามแม่เหล็ก ส่วนที่ 2 การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าและการเหนี่ยวนำ

ส่วนแรกของบทความ: ตัวเหนี่ยวนำและสนามแม่เหล็ก

ความสัมพันธ์ของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก

ปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าและแม่เหล็กได้รับการศึกษามาเป็นเวลานาน แต่มันไม่เคยเกิดขึ้นกับใครเลยที่จะเกี่ยวข้องกับการศึกษาเหล่านี้ และในปี 1820 มีการค้นพบว่าตัวนำปัจจุบันทำหน้าที่เกี่ยวกับเข็มเข็มทิศ การค้นพบนี้เป็นของนักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์ก Hans Christian Oersted ต่อจากนั้นหน่วยการวัดความแรงของสนามแม่เหล็กในระบบ GHS ได้รับการตั้งชื่อตามเขา: ชื่อรัสเซีย E (Oersted), ชื่อภาษาอังกฤษ Oe สนามแม่เหล็กมีความเข้มในสุญญากาศระหว่างการเหนี่ยวนำ 1 Gauss

การค้นพบนี้ชี้ให้เห็นว่าสามารถหาสนามแม่เหล็กได้จากกระแสไฟฟ้า แต่ในเวลาเดียวกันความคิดก็เกิดขึ้นเกี่ยวกับการแปรผกผันคือวิธีรับกระแสไฟฟ้าจากสนามแม่เหล็ก อันที่จริงแล้วกระบวนการในธรรมชาติหลายอย่างสามารถย้อนกลับได้: น้ำแข็งนั้นได้มาจากน้ำซึ่งสามารถละลายอีกครั้งในน้ำ

หลังจากการค้นพบ Oersted การศึกษากฎหมายฟิสิกส์ที่เห็นได้ชัดในขณะนี้ใช้เวลามากถึงยี่สิบสองปี Michael Faraday นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษมีส่วนร่วมในการรับกระแสไฟฟ้าจากสนามแม่เหล็ก มีการสร้างตัวนำและแม่เหล็กที่มีรูปร่างและขนาดต่างกันและมีทางเลือกสำหรับการจัดเรียงซึ่งกันและกัน โดยบังเอิญนักวิทยาศาสตร์ค้นพบว่าเพื่อให้ได้ EMF ที่ปลายตัวนำจำเป็นต้องมีอีกหนึ่งคำศัพท์นั่นคือการเคลื่อนที่ของแม่เหล็กนั่นคือการเคลื่อนที่ของแม่เหล็ก สนามแม่เหล็กจะต้องแปรผัน

ตอนนี้ไม่ได้ทำให้ทุกคนประหลาดใจ นี่คือการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทั้งหมด - ตราบใดที่มีการหมุนด้วยบางสิ่งไฟฟ้าถูกสร้างขึ้น หยุดหยุดหมุนและแสงก็ดับ

การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า

ดังนั้น EMF ที่ปลายตัวนำจึงเกิดขึ้นเฉพาะเมื่อมันเคลื่อนที่ในทิศทางที่แน่นอนในสนามแม่เหล็ก หรือแม่นยำยิ่งขึ้นสนามแม่เหล็กจะต้องเปลี่ยนแปลงเป็นตัวแปร ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าตามคำแนะนำของแม่เหล็กไฟฟ้ารัสเซีย: ในกรณีนี้พวกเขาบอกว่า EMF ถูกเหนี่ยวนำในตัวนำ หากโหลดเชื่อมต่อกับแหล่งกำเนิด EMF กระแสไฟฟ้าจะไหลในวงจร

ขนาดของ EMF ที่เหนี่ยวนำขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ: ความยาวของตัวนำ, การเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็ก B, และในระดับใหญ่เกี่ยวกับความเร็วของการเคลื่อนที่ของตัวนำในสนามแม่เหล็ก ยิ่งโรเตอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหมุนเร็วขึ้นเท่าใดแรงดันไฟที่เอาต์พุตก็จะยิ่งสูงขึ้น

หมายเหตุ: การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า (ปรากฏการณ์การเกิดขึ้นของ EMF ที่ปลายตัวนำในสนามแม่เหล็กไฟฟ้ากระแสสลับ) ไม่ควรสับสนกับการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก - ปริมาณทางกายภาพของเวกเตอร์ที่แสดงลักษณะสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นจริง

สามวิธีในการรับ EMF

อุปนัย

วิธีนี้ได้รับการพิจารณา ในส่วนแรกของบทความ. มันเพียงพอที่จะเคลื่อนย้ายตัวนำในสนามแม่เหล็กของแม่เหล็กถาวรหรือในทางกลับกันเพื่อเคลื่อนย้าย (เกือบทุกครั้งโดยการหมุน) แม่เหล็กใกล้ตัวนำ ตัวเลือกทั้งสองจะช่วยให้คุณได้รับสนามแม่เหล็กสลับ ในกรณีนี้วิธีการรับ EMF เรียกว่าการเหนี่ยวนำ มันเป็นอุปนัยที่ใช้ในการรับ EMF ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าต่างๆ ในการทดลองของฟาราเดย์ในปี 1831 แม่เหล็กเคลื่อนที่อย่างต่อเนื่องภายในขดลวด

อุปนัยซึ่งกันและกัน

ชื่อนี้แสดงให้เห็นว่าตัวนำสองตัวนำมีส่วนร่วมในปรากฏการณ์นี้ หนึ่งในนั้นคือกระแสที่แปรผันซึ่งจะสร้างสนามแม่เหล็กสลับรอบ ๆ หากมีตัวนำอื่นอยู่ใกล้ ๆ ก็จะมีตัวแปร EMF

วิธีการรับ EMF นี้เรียกว่าการเหนี่ยวนำร่วมกันมันอยู่บนหลักการของการเหนี่ยวนำร่วมซึ่งหม้อแปลงทั้งหมดทำงานเฉพาะตัวนำของพวกเขาเท่านั้นที่ทำในรูปของขดลวดและแกนที่ทำจากวัสดุ ferromagnetic ใช้เพื่อเพิ่มการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก

หากกระแสในตัวนำแรกหยุด (วงจรเปิด) หรือแม้กระทั่งจะแข็งแกร่งมาก แต่คงที่ (ไม่มีการเปลี่ยนแปลง) จากนั้นในตอนท้ายของตัวนำที่สองไม่สามารถรับ EMF ได้ นั่นเป็นสาเหตุที่หม้อแปลงทำงานเฉพาะที่กระแสสลับ: หากแบตเตอรี่กัลวานิกเชื่อมต่อกับขดลวดปฐมภูมิจะไม่มีแรงดันไฟฟ้าใด ๆ ที่เอาท์พุทของขดลวดทุติยภูมิ

EMF ในขดลวดทุติยภูมิจะเกิดขึ้นเมื่อสนามแม่เหล็กเปลี่ยนแปลงเท่านั้น ยิ่งกว่านั้นอัตราการเปลี่ยนแปลงที่แข็งแกร่งยิ่งขึ้นคือความเร็วและไม่ใช่ค่าสัมบูรณ์ แต่ยิ่ง EMF เหนี่ยวนำมากเท่าใด

อุปนัยตนเอง

หากคุณนำตัวนำที่สองออกสนามแม่เหล็กในตัวนำแรกจะซึมซับไม่เพียง แต่พื้นที่โดยรอบ แต่ยังเป็นตัวนำด้วย ดังนั้นภายใต้อิทธิพลของสนามในตัวนำเหนี่ยวนำให้เกิด EMF ซึ่งเรียกว่า EMF ของการเหนี่ยวนำตนเอง

ปรากฏการณ์ของการเหนี่ยวนำตนเองในปี 1833 ถูกศึกษาโดยนักวิทยาศาสตร์รัสเซีย Lenz จากการทดลองเหล่านี้พบรูปแบบที่น่าสนใจ: EMF ของการเหนี่ยวนำตนเองต่อต้านเสมอชดเชยสนามแม่เหล็กภายนอกสลับที่ทำให้เกิด EMF นี้ การพึ่งพาอาศัยกันนี้เรียกว่ากฎ Lenz (เพื่อไม่ให้สับสนกับกฎหมาย Joule-Lenz)

เครื่องหมายลบในสูตรเพียงพูดถึงการต่อต้าน EMF ของการเหนี่ยวนำตนเองโดยสาเหตุของมัน หากขดลวดเชื่อมต่อกับแหล่งกระแสโดยตรงกระแสจะเพิ่มขึ้นค่อนข้างช้า สิ่งนี้จะสังเกตได้อย่างชัดเจนเมื่อขดลวดปฐมภูมิของหม้อแปลงนั้นถูก“ หมุน” ด้วยตัวชี้โอห์มมิเตอร์: ความเร็วของลูกศรในทิศทางของการแบ่งสเกลศูนย์นั้นต่ำกว่าเมื่อตรวจสอบตัวต้านทานอย่างเห็นได้ชัด

เมื่อขดลวดถูกตัดการเชื่อมต่อจากแหล่งจ่ายกระแสไฟฟ้า EMF ที่เหนี่ยวนำตัวเองทำให้เกิดประกายไฟของหน้าสัมผัสรีเลย์ ในกรณีที่ขดลวดถูกควบคุมโดยทรานซิสเตอร์ตัวอย่างเช่นขดลวดรีเลย์ไดโอดจะวางขนานกับมันในทิศทางตรงกันข้ามกับแหล่งพลังงาน สิ่งนี้ทำเพื่อปกป้ององค์ประกอบเซมิคอนดักเตอร์จากอิทธิพลของการเหนี่ยวนำด้วยตนเองของ EMF ซึ่งอาจสูงกว่าแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟเป็นสิบหรือหลายร้อยเท่า

สำหรับการทำการทดลอง Lenz ได้สร้างอุปกรณ์ที่น่าสนใจ แหวนอลูมิเนียมสองวงยึดไว้ที่ปลายแขนโยกอลูมิเนียม แหวนวงหนึ่งแข็งและอีกอันถูกตัด โยกหมุนได้อย่างอิสระบนเข็ม

เมื่อแม่เหล็กถาวรถูกนำเข้าสู่วงแหวนต่อเนื่องมันจะ“ หลบหนี” ออกจากแม่เหล็กและเมื่อแม่เหล็กถูกลบออกมันก็จะตามหามัน การกระทำแบบเดียวกันกับแหวนตัดไม่ได้ทำให้เกิดการเคลื่อนไหวใด ๆ นี่คือความจริงที่ว่าในวงแหวนต่อเนื่องภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็กไฟฟ้ากระแสสลับเกิดขึ้นที่สร้างสนามแม่เหล็ก แต่ในวงแหวนเปิดไม่มีกระแสดังนั้นจึงไม่มีสนามแม่เหล็กด้วย

รายละเอียดที่สำคัญของการทดลองนี้คือถ้าใส่แม่เหล็กเข้าไปในวงแหวนและยังคงอยู่กับที่จึงไม่เกิดปฏิกิริยาของวงแหวนอลูมิเนียมต่อการปรากฏตัวของแม่เหล็ก สิ่งนี้ยืนยันอีกครั้งว่า EMF เหนี่ยวนำเกิดขึ้นเฉพาะในกรณีที่มีการเปลี่ยนแปลงในสนามแม่เหล็กและขนาดของ EMF ขึ้นอยู่กับอัตราการเปลี่ยนแปลง ในกรณีนี้เพียงแค่จากความเร็วของการเคลื่อนที่ของแม่เหล็ก

สิ่งเดียวกันสามารถพูดได้เกี่ยวกับการเหนี่ยวนำร่วมกันและการเหนี่ยวนำตนเองเพียงการเปลี่ยนแปลงความแรงของสนามแม่เหล็กแม่นยำยิ่งขึ้นอัตราการเปลี่ยนแปลงขึ้นอยู่กับอัตราการเปลี่ยนแปลงของกระแส เพื่อแสดงปรากฏการณ์นี้เราสามารถยกตัวอย่าง

ให้กระแสน้ำขนาดใหญ่ผ่านขดลวดที่มีขนาดใหญ่พอ ๆ กันสองตัว: ผ่านขดลวดแรก 10A และผ่านสองเท่าให้มากถึง 1,000 ด้วยกระแสเพิ่มขึ้นเชิงเส้นทั้งสองขด สมมติว่าในหนึ่งวินาทีกระแสในขดลวดแรกเปลี่ยนจาก 10 เป็น 15A และในวินาทีจาก 1,000 เป็น 1001A ซึ่งทำให้เกิดการปรากฏตัวของ EMF เหนี่ยวนำตนเองในขดลวดทั้งสอง

แต่ถึงแม้จะมีค่ามากในปัจจุบันในขดลวดที่สอง EMF ที่เหนี่ยวนำตนเองจะมีค่ามากกว่าในครั้งแรกเนื่องจากอัตราการเปลี่ยนแปลงของกระแสคือ 5A / s และในวินาทีที่มีเพียง 1A / s แท้จริง EMF ของการเหนี่ยวนำตนเองขึ้นอยู่กับอัตราการเพิ่มขึ้นของกระแส (อ่านสนามแม่เหล็ก) และไม่ได้อยู่ในค่าสัมบูรณ์

การเหนี่ยวนำ

คุณสมบัติแม่เหล็กของขดลวดกับกระแสขึ้นอยู่กับจำนวนรอบขนาดเรขาคณิต การเพิ่มขึ้นอย่างมากในสนามแม่เหล็กสามารถทำได้โดยการแนะนำแกนเฟอร์รัสในขดลวด คุณสมบัติทางแม่เหล็กของขดลวดสามารถตัดสินได้ด้วยความแม่นยำที่เพียงพอโดยขนาดของ EMF ของการเหนี่ยวนำการเหนี่ยวนำร่วมกันหรือการเหนี่ยวนำด้วยตนเอง ปรากฏการณ์ทั้งหมดนี้ได้รับการพิจารณาข้างต้น

ลักษณะของขดลวดซึ่งพูดถึงสิ่งนี้เรียกว่าสัมประสิทธิ์การเหนี่ยวนำ (การเหนี่ยวนำตนเอง) หรือการเหนี่ยวนำอย่างง่าย ในสูตรการเหนี่ยวนำถูกแสดงด้วยตัวอักษร L และในไดอะแกรมตัวอักษรเดียวกันจะหมายถึงขดลวดเหนี่ยวนำ

หน่วยเหนี่ยวนำคือเฮนรี (GN) การเหนี่ยวนำ 1H มีขดลวดซึ่งเมื่อการเปลี่ยนแปลงปัจจุบัน 1A ต่อวินาที EMF 1V จะถูกสร้างขึ้น ค่านี้มีขนาดค่อนข้างใหญ่: ขดลวดเครือข่ายของหม้อแปลงที่ทรงพลังเพียงพอมีการเหนี่ยวนำ GN หนึ่งตัวหรือมากกว่า

ดังนั้นบ่อยครั้งที่พวกเขาใช้ค่าของคำสั่งที่มีขนาดเล็กกล่าวคือ milli และ micro-henry (mH และμH) ขดลวดดังกล่าวถูกใช้ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ หนึ่งในแอปพลิเคชั่นของคอยส์เป็นวงจรออสซิลเลเตอร์ในอุปกรณ์วิทยุ

นอกจากนี้คอยล์ยังถูกนำมาใช้เป็นโช้กซึ่งมีวัตถุประสงค์หลักเพื่อข้ามกระแสไฟฟ้าโดยตรงโดยไม่มีการสูญเสียในขณะที่ทำให้กระแสสลับอ่อนตัวลง ในแหล่งจ่ายไฟ) โดยทั่วไปยิ่งความถี่ในการใช้งานสูงขึ้นจำเป็นต้องมีขดลวดเหนี่ยวนำน้อยลง

ปฏิกิริยาอุปนัย

หากคุณใช้หม้อแปลงเครือข่ายที่มีประสิทธิภาพเพียงพอและ วัดด้วยมัลติมิเตอร์ ความต้านทานของขดลวดหลักปรากฎว่ามันเป็นเพียงไม่กี่โอห์มและแม้กระทั่งใกล้ศูนย์ ปรากฎว่ากระแสผ่านขดลวดดังกล่าวจะมีขนาดใหญ่มากและยังมีแนวโน้มที่จะไม่มีที่สิ้นสุด การลัดวงจรดูเหมือนจะหลีกเลี่ยงไม่ได้! ดังนั้นทำไมเขาไม่

หนึ่งในคุณสมบัติหลักของตัวเหนี่ยวนำคือความต้านทานแบบเหนี่ยวนำซึ่งขึ้นอยู่กับการเหนี่ยวนำและความถี่ของกระแสไฟฟ้าสลับที่เชื่อมต่อกับขดลวด

มันง่ายที่จะเห็นว่าเมื่อมีการเพิ่มความถี่และการเหนี่ยวนำการต้านทานแบบเหนี่ยวนำจะเพิ่มขึ้นและในกระแสตรงมันมักจะกลายเป็นศูนย์ ดังนั้นเมื่อทำการวัดความต้านทานของขดลวดด้วยมัลติมิเตอร์จะมีเพียงวัดความต้านทานที่ใช้งานของลวดเท่านั้น

การออกแบบตัวเหนี่ยวนำมีความหลากหลายมากและขึ้นอยู่กับความถี่ที่ขดลวดทำงาน ตัวอย่างเช่นสำหรับการทำงานในช่วง decimeter ของคลื่นวิทยุขดลวดที่เกิดจากการเดินสายที่พิมพ์ออกมานั้นมักจะถูกใช้ ในการผลิตจำนวนมากวิธีนี้สะดวกมาก

ความเหนี่ยวนำของขดลวดขึ้นอยู่กับขนาดเชิงเรขาคณิตแกนจำนวนชั้นและรูปร่าง ปัจจุบันมีการผลิตตัวเหนี่ยวนำมาตรฐานที่เพียงพอจำนวนมากซึ่งคล้ายกับตัวต้านทานแบบเดิมที่มีตัวนำ การทำเครื่องหมายของขดลวดดังกล่าวนั้นทำด้วยวงแหวนสี นอกจากนี้ยังมีคอยส์ผิวคอยส์ที่ใช้เป็นโช้ก การเหนี่ยวนำของขดลวดดังกล่าวนั้นมีหลายพันปี