Site Loader

Содержание

Методы защиты устройств (датчиков, приборов, контроллеров) с транзисторными выходами от токов самоиндукции

Введение

В данной статье будет рассмотрено явление самоиндукции, проявляющееся зачастую при коммутации индуктивных нагрузок. Также будут рассмотрены способы защиты и используемое для этого оборудование.

Техника безопасности

ВНИМАНИЕ! К работам по монтажу, наладке, ремонту и обслуживанию технологического оборудования допускаются лица, имеющие техническое образование и специальную подготовку (обучение и проверку знаний) по безопасному производству работ в электроустановках с группой не ниже 2 для ремонтного персонала, а также имеющие опыт работ по обслуживанию оборудования, в конструкцию которого вносятся изменения и дополнения, либо производится модернизация. За неисправность оборудования и безопасность работников при неквалифицированном монтаже и обслуживании ООО «КИП‑Сервис» ответственности не несет.

1. Электромагнитная индукция. Определение. Физический смысл

Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока, при изменении во времени магнитного поля. Изменение магнитного поля, в силу закона электромагнитной индукции, приводит к возбуждению в контуре индуктивной электродвижущей силы (ЭДС). Процесс возникновения ЭДС индукции в проводящем контуре при изменении протекающего через контур тока называется самоиндукцией. Направление ЭДС самоиндукции всегда оказывается таким, что при возрастании тока в цепи ЭДС самоиндукции препятствует этому возрастанию, а при убывании тока — препятствует убыванию. Величина ЭДС самоиндукции определяется уравнением:

E=−L×dI/dtE= -L times dI / dt

где:
E — ЭДС самоиндукции
L — индуктивность катушки
dI/dt — изменение тока во времени.

Знак «минус» означает, что ЭДС самоиндукции действует так, что индукционный ток препятствует изменению магнитного потока. Этот факт отражён в правиле Ленца:

Индукционный ток всегда имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток.

Явление самоиндукции можно наблюдать при включении и последующем выключении катушек соленоидов, промежуточных реле, электромагнитных пускателей. При подаче напряжения на катушку создается электромагнитное поле, в следствии чего образуется электродвижущая сила, которая препятствует мгновенному росту тока в катушке. Согласно принципу суперпозиции, основной ток в катушке можно представить в виде суммы токов, один из которых вызван внешним напряжением и сонаправлен с основным током, а второй вызван ЭДС самоиндукции и имеет противоположное направление основному току. Скорость изменения тока через катушку ограничена и определяется индуктивностью катушки. При протекании тока катушка «запасает» энергию в своём магнитном поле. При отключении внешнего источника тока катушка отдает запасенную энергию, стремясь поддержать величину тока в цепи. Это, в свою очередь, вызывает всплеск напряжения обратной полярности на катушке. Данный всплеск может достигать значений во много раз превышающих номинальное напряжение источника питания, что может помешать нормальной работе электронных устройств, вплоть до их разрушения.

Разберем более подробно, почему скачок ЭДС самоиндукции будет иметь обратную полярность. На рисунке 1 изображены две схемы, на которых стрелками обозначено направление движения тока, а так же потенциалы на всех элементах схемы при закрытом и открытом ключе.

а — закрытый ключб — открытый ключ

Рисунок 1 — Направление тока при закрытом и открытом ключе

При закрытом ключе потенциалы на всех элементах совпадают с потенциалом источника питания (рисунок 1, а). Во время размыкания ключа, из схемы исключается источник питания, и ЭДС самоиндукции стремится поддержать ток в катушке. Для того, что бы сохранить направление тока в катушке, ЭДС меняет свой потенциал на противоположный по знаку источнику питания (рисунок 1, б). Именно поэтому всплеск ЭДС самоиндукции будет иметь обратную полярность.

Более наглядно этот всплеск показан на рисунке 2. На графике изображено напряжение источника питания Uпит, ток возникающий в катушке I, ЭДС самоиндукции.

Рисунок 2 — График изменения тока и напряжения при коммутации

2. Теоретический расчет ЭДС самоиндукции

Рассмотрим явление самоиндукции на примере работы электромагнитной катушки при пропускании через нее постоянного тока. Включение катушки происходит при помощи бесконтактного датчика. Катушку можно заменить на последовательно соединенные активное Rk и индуктивное Lk сопротивления (рисунок 3).

Рисунок 3 — Эквивалентная схема электромагнитной катушки

Тогда электрическая схема будет иметь вид, представленный на рисунке 4.

Рисунок 4 — Схема включения электромагнитной катушки

При сработавшем датчики падение напряжения U на катушке составляет 24 В. При коммутации индуктивной нагрузки в первый момент времени ток остается равным току до коммутации, а после изменяется по экспоненциальному закону. Таким образом, при переходе управляющего транзистора в закрытое состояние катушка начинает генерировать ЭДС самоиндукции, предотвращающую падение тока. Попробуем рассчитать величину генерируемого катушкой напряжения.

На рисунке 5 показано направление тока при открытом транзисторе. Переход транзистора в закрытое состояние фактически означает что цепь катушки с генерируемым ЭДС самоиндукции замыкается через подтягивающий резистор. Обозначим его Ro. По документации датчика это сопротивление составляет 5,1 кОм.

Рисунок 5 — Направление тока при открытом транзистореРисунок 6 — Направление тока после перехода транзистора в закрытое состояние

На рисунке 6 видно что ток на резисторе Ro поменял направление — это обусловлено возникновением ЭДС самоиндукции в катушке. Для полученного замкнутого контура выполняется следующее уравнение:

UR0+URk+ULk=0U_R0+U_Rk+U_Lk=0

Выражая напряжение через ток и сопротивление, получим:

I×R0+I×Rk+ULk=0I times R_0 + I times R_k +U_Lk=0 ULk=−I×(Rk+R0)U_Lk= -I times ( R_k + R_0 )

При этом ток в цепи стремится к значению тока при открытом транзисторе:

Подставим данное выражение в предыдущую формулу, получим величину генерируемого напряжения самоиндукции:

ULk=−U×(Rk+R0)/Rk=−U×(1+R0/Rk)U_Lk= -U times ( R_k + R_0 ) / R_k = -U times ( 1 + R_0 / R_k )

Все переменные из этой формулы известны:
U = 24В — напряжение питания
Ro = 5,1кОм — сопротивление подтягивающего резистора датчика
Rk = 900 Ом — активное сопротивление катушки (данные из документации).

Подставив значения в формулу, рассчитаем примерное значение напряжения самоиндукции:

ULk=−U×(1+R0/Rk)=−24×(1+5100/900)=−160ВU_Lk= -U times ( 1 + R_0/R_k ) = -24 times ( 1 + 5100 / 900 )=-160 В

Данный расчет упрощен и не учитывает индуктивность катушки, от которой так же зависит ЭДС самоиндукции. Но даже из упрощенного расчета видно, что величина генерируемого напряжения оказывается во много раз больше номинального напряжения 24В.

Воздействие ЭДС самоиндукции может повредить устройства, имеющие общие с индуктивной нагрузкой цепи питания. На рисунке 7 приведена некорректная схема, на которой от одного источника питания подключен бесконтактный датчик и катушка соленоидного клапана.

Рисунок 7 — Некорректная схема подключения

На первый взгляд, данная схема может работать без каких-либо сбоев. Однако, при выключении катушки клапана возникает всплеск напряжения в результате самоиндукции. Всплеск распространяется по цепи питания на клемму «минус» датчика. В результате, разница потенциалов между коллектором и эмиттером закрытого транзистора превышает максимальное значение, что приводит к его пробою.

3. Практическое измерение ЭДС самоиндукции

Чтобы проверить правдивость приведенных выше теоретических расчетов, проведем измерение ЭДС самоиндукции. Для проведения измерений необходимо собрать схему, для которой мы проводили расчеты. При помощи осциллографа на клеммах катушки произведем измерение напряжения (рисунок 8).

Рисунок 8 — Измерение ЭДС самоиндукции

На рисунке 9 изображена осциллограмма значений напряжения самоиндукции катушки с питанием 24 В. На графике видно, что реальный всплеск напряжения при отключении катушки в несколько раз больше напряжения питания и составляет 128 В. Как следствие, транзисторный ключ выйдет из строя. Возникающий скачок ЭДС приводит к пробою транзисторных ключей, бесконтактных датчиков, слаботочных коммутирующих элементов и другим нежелательным эффектам в схемах управления.

Рисунок 9 — ЭДС самоиндукции при выключении катушки с питанием 24 В

4. Методы и средства защиты от ЭДС самоиндукции

Для подавления ЭДС самоиндукции и предотвращения выхода из строя оборудования необходимо принимать специальные меры. Для подавления пиков напряжения на катушке во время выключения, необходимо параллельно катушке включить в схему диод (для постоянного напряжения) или варистор (для переменного напряжения). ЭДС самоиндукции будет ограничиваться этими элементами, тем самым они будут обеспечивать защиту схемы.

Диод включается параллельно катушке против напряжения питания (рисунок 10). Таким образом, в установившемся режиме он не оказывает никакого воздействия на работу схемы. Однако при отключении питания на катушке возникает ЭДС самоиндукции, имеющая полярность, противоположную рабочему напряжению. Диод открывается и шунтирует катушку индуктивности.

а — включение диода в схему PNPб — включение диода в схему NPN

Рисунок 10 — Схема включения диода для защиты от самоиндукции

Варистор также включается параллельно катушке (рисунок 11).

Рисунок 11 — Схема включения варистора для защиты от самоиндукции

При увеличении напряжения выше пороговой величины, сопротивление варистора резко уменьшается, шунтируя индуктивную нагрузку. Соответственно, при броске тока варистор быстро срабатывает и обеспечивает надежную защиту схемы.

На рисунке 12 изображен график напряжения во время включения и выключения индуктивной катушки с использованием защитного диода для напряжения 24 В.

Рисунок 12 — ЭДС самоиндукции с использованием диода

На графике видно, что использование защитных диодов сглаживает переходную характеристику напряжения.

Для защиты от ЭДС самоиндукции существует целый ряд готовых устройств. Их выбор зависит от применяемой катушки и типа напряжения питания. Для гашения ЭДС самоиндукции на катушках промежуточных реле используют модули FINDER серии 99 (рисунок 13):

Рисунок 13 — Защитный модуль Finder/99.02.9.024.99

99.02.0.230.98 Finder/ Модуль защитный(светодиод+варистор)~/=110…240

99.02.9.024.99 Finder/ Модуль защитный(светодиод+диод), =6…24В

Модули устанавливаются непосредственно на колодку реле, не требуют дополнительного изменения схемы управления.

В случае подключения катушек пускателей, либо катушек соленоидных клапанов, необходимо использовать защитные клеммники Klemsan серии WG-EKI (рисунок 14):

Рисунок 14 – Защитный клеммник WG-EKI

110 220 Клеммник WG-EKI с варистором (0,5…2,5 мм2, рабочее напряжение до 30В, рабочий ток до 10А)

110 040 Клеммник WG-EKI с защитным диодом (0,5…2,5 мм2, рабочее напряжение до 1000В, рабочий ток до 10А, ток диода 1А)

Клеммники позволяют осуществить подключение индуктивной катушки без дополнительного изменения схемы. Клеммник имеет два яруса, соединенных между собой защитным диодом либо варистором. Для осуществления защиты необходимо провести провода питания катушки через этот клеммник. При использовании клеммника с защитным диодом необходимо соблюдать полярность при подключении (рисунок 15).

Рисунок 15 — Схема подключения клеммника WG-EKI с защитным диодом

Заключение

В рамках данной статьи было рассмотрено явление самоиндукции, приведен теоретический расчет ЭДС и практическое подтверждение этого расчета. Применяя модули Finder серии 99 и клеммники Klemsan серии WG-EKI, можно избавиться от пагубного воздействия самоиндукции и сохранить целостность коммутирующих элементов цепей управления.

Инженер ООО «КИП-Сервис»
Хоровец Г.Н.

Список использованной литературы:

  1. Сивухин, Д.В. Общий курс физики. Электричество. Том III / Сивухин Д.В — М.: Наука, 1977. — 724.с.
  2. Калашников, С.Г. Электричество / Калашников С.Г. — 6-е изд., стереот. — М.: Физматлит, 2003.-624.с.
  3. Алексеев Н.И., Кравцов А.В. Лабораторный практикум по общей физике (электричество и магнетизм). Самоиндукция / Лицей No1580 при МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. — 16 с.

Читайте также:

Чему равна эдс самоиндукции в катушке. Величина самоиндукции

>> Самоиндукция. Индуктивность

§ 15 САМОИНДУКЦИЯ. ИНДУКТИВНОСТЬ

Самоиндукция . Если по катушке идет переменный ток, то магнитный поток, пронизывающий катушку, меняется. Поэтому в том же самом проводнике, по которому идет переменный ток, возникает ЭДС индукции. Это явление называют самоиндукцией .

При самоиндукции проводящий контур выполняет двойную роль: переменный ток в проводнике вызывает появление магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром. А так как магнитный поток изменяется со временем, то появляется ЭДС индукции . По правилу Ленца в момент нарастания тока напряженность вихревого электрического поля направлена против тока. Следовательно, в этот момент вихревое поле препятствует нарастанию тока. Наоборот, в момент уменьшения тока вихревое поле поддерживает его.

Явление самоиндукции можно наблюдать в простых опытах. На рисунке 2.13 показана схема параллельного соединения двух одинаковых ламп. Одну из них подключают к источнику через резистор R, а другую — последовательно с катушкой L, снабженной железным сердечником.

При замыкании ключа первая лампа вспыхивает практически сразу, а вторая — с заметным запозданием. ЭДС самоиндукции в цепи этой лампы велика, и сила тока не сразу достигает своего максимального значения (рис. 2.14).

Появление ЭДС самоиндукции при размыкании можно наблюдать в опыте с цепью, схематически показанной на рисунке 2.15. При размыкании ключа в катушке L возникает ЭДС самоиндукции, поддерживающая первоначальный ток. в результате в момент размыкания через гальванометр идет ток (цветная стрелка), направленный против начального тока до размыкания (черная стрелка). Сила тока при размыкании цепи может превышать силу тока, проходящего через гальванометр при замкнутом ключе. Это означает, что ЭДС самоиндукции больше ЭДС батареи элементов.

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки

Общеизвестно, что поезд, отходящий от станции, не может сразу развить нужную скорость.

Требуемая скорость достигается лишь по истечении неко­торого промежутка времени. За этот промежуток значительная часть энергии локомотива затрачивается на преодоление инерции поезда т. е. на образование запаса кинетической энергии, и очень незначительная часть — на преодоление трения.

В силу того что движущийся поезд обладает запасом ки­нетической энергии, он не может остановиться мгновенно и будет по инерции двигаться еще некоторое время, т. е. до тех пор, пока не израсходуется на трение весь запас кинетической энергии, сообщенной ему локомотивом в начале движения.

Аналогичные явления имеют место и в замкнутой электри­ческой цепи при включении и выключении тока.

В момент включения постоянного тока (рисунок 1) вокруг проводника образуется магнитное силовое поле .

Рисунок 1. Инерция электрического тока. При включении тока вокруг проводника появляется магнитное поле.

В первые мгновения после включения тока значительная часть энергии источника тока затрачивается на создание этого магнитного поля и лишь незначительная часть — на преодоление сопро­тивления проводника, вернее на нагревание током проводника. Поэтому в момент замыкания цепи ток не сразу достигает предельной своей величины . Предельная сила тока устанавли­вается в цепи лишь после окончания процесса образования вокруг проводника магнитного поля (рисунок 2).

Рисунок 2. При включении источника тока, ток в цепи устанавливается не сразу.

Если, не разрывая замкнутой цепи, выключить из нее ис­точник тока, то ток в цепи прекратится не сразу, а будет про­текать в ней, еще некоторое время уменьшаясь постепенно (рисунок 3) до тех пор, пока не исчезнет магнитное поле во­круг проводника, т. е. пока не израсходуется весь запас энер­гии, заключенной в магнитном поле.

Рисунок 2. Влияние ЭДС самоиндукции на ток в цепи. При выключении источника тока, ток в цепи прекращается не сразу.

Итак, магнитное поле является носителем энергии. Оно на­копляет в себе энергию при включении источника постоянного тока и отдает ее обратно в цепь после выключения источника тока. Энергия магнитного поля, таким образом, имеет много общего с кинетической энергией движущегося предмета. Маг­нитное поле служит причиной «инерции» электрического тока.

Мы знаем, что всякий раз, когда изменяется магнитный поток, пронизывающий площадь, ограниченную замкнутой электрической цепью, в этой цепи появляется ЭДС индукции .

Кроме того, нам известно, что всякое изменение силы тока в цепи влечет за собой изменение числа магнитных силовых линий , охватываемых этой цепью. Если замкнутая цепь непо­движна, то число магнитных силовых линий, пронизывающих данную площадь, может измениться только тогда, когда но­вые линии войдут снаружи в пределы этой площади или когда существующие уже линии выйдут за пределы этой площади. И в том и в другом случае магнитные силовые линии при своем движении должны пересечь проводник. Пересекая про­водник, магнитные силовые линии наводят в нем ЭДС ин­дукции. Но так как в этом случае проводник индуктирует ЭДС в самом себе, то эта ЭДС называется ЭДС самоиндукции .

При включении источника постоянного тока в какую-либо замкнутую цепь площадь, ограниченную этой цепью, начинают пронизывать извне магнитные силовые линии. Каждая магнит­ная силовая линия, приходящая извне, пересекая проводник, наводит в нем ЭДС самоиндукции .

Электродвижущая сила самоиндукции, действуя против ЭДС источника тока, задерживает нарастание тока в цепи. Через несколько мгновений, когда возрастание магнитного по­тока вокруг цепи прекратится, ЭДС самоиндукции исчезнет и в цепи устанавливается сила тока, определяемая по за­кону Ома :

I=U/R

При выключении источника тока из замкнутой цепи маг­нитные силовые линии должны исчезнуть из пространства, ограниченного проводником. Каждая уходящая магнитная силовая линия при пересечении проводника наводит в нем ЭДС самоиндукции, имеющую одинаковое направление с ЭДС источника тока; поэтому ток в цепи прекратится не сразу, а будет протекать в том же направлении, постепенно уменьшаясь до того момента, пока полностью не исчезнет магнитный поток внутри цепи. Ток, протекающий по цепи после выключения из нее источника тока, называется током самоиндукции.

Если при выключении источника цепь разрывается, то ток самоиндукции проявляется в виде искры в месте размыкания цепи.

Самоиндукцией называется появление в проводнике электродвижущей силы (ЭДС), направленной в противоположную сторону относительно напряжения источника питания при протекании тока. При этом оно возникает в момент, когда сила тока в цепи изменяется. Изменяющийся электрической ток порождает изменяющееся магнитное поле, оно в свою очередь наводит ЭДС в проводнике.

Это похоже на формулировку закона электромагнитной индукции Фарадея, где сказано:

При прохождении магнитного потока через проводник, в последнем возникает ЭДС. Она пропорциональна скорости изменения магнитного потока (мат. производная по времени).

E=dФ/dt ,

Где E – ЭДС самоиндукции, измеряется в вольтах, Ф – магнитный поток, единица измерения – Вб (вебер, он же равен В/с)

Индуктивность

Мы уже сказали о том, что самоиндукция присуща индуктивным цепям, поэтому рассмотрим явление самоиндукции на примере катушки индуктивности.

Катушка индуктивности – это элемент, который представляет собой катушку из изолированного проводника. Для увеличения индуктивности увеличивают число витков или внутрь катушки помещают сердечник из магнитомягкого или другого материала.

Единица измерения индуктивности – Генри (Гн). Индуктивность характеризует то, насколько сильно проводник противодействует электрическому току. Так как вокруг каждого проводника, по которому протекает ток, образуется магнитное поле, и, если поместить проводник в переменное поле – в нем возникнет ток. В свою очередь магнитные поля каждого витка катушки складываются. Тогда вокруг катушки, по которой протекает ток, возникнет сильное магнитное поле. При изменении его силы в катушке будет изменяться и магнитный поток вокруг неё.

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, если катушку будет пронизывать переменный магнитный поток, то в ней возникнет ток и ЭДС самоиндукции. Они будут препятствовать току, который протекал в индуктивности от источника питания к нагрузке. Их еще называют экстратоки ЭДС самоиндукции.

Формула ЭДС самоиндукции на индуктивности имеет вид:

То есть чем больше индуктивность, и чем больше и быстрее изменился ток – тем сильнее будет всплеск ЭДС.

При возрастании тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, которая направлена против напряжения источника питания, соответственно возрастание тока замедлится. То же самое происходит при убывании – самоиндукция приведет к появлению ЭДС, которое будет поддерживать ток в катушке в том же направлении, что и до этого. Отсюда следует, что напряжение на выводах катушки будет противоположным полярности источника питания.

На рисунке ниже вы видите, что при включении/отключении индуктивной цепи ток не резко возникает, а изменяется постепенно. Об этом говорят и законы коммутации.

Другое определение индуктивности звучит так: магнитный поток пропорционален току, но в его формуле индуктивность выступает в качестве коэффициента пропорциональности.

Трансформатор и взаимоиндукция

Если расположить две катушки в непосредственной близости, например, на одном сердечнике, то будет наблюдаться явление взаимоиндукции. Пропустим переменный ток по первой, тогда её переменный поток будет пронизывать витки второй и на её выводах появится ЭДС.

Это ЭДС будет зависеть от длины провода, соответственно количества витков, а также от величины магнитной проницаемости среды. Если их расположить просто около друг друга — ЭДС будет низким, а если взять сердечник из магнитомягкой стали – ЭДС будет значительно больше. Собственно, так и устроен трансформатор.

Интересно: такое взаимное влияние катушек друг на друга называют индуктивной связью.

Польза и вред

Если вам понятна теоретическая часть, стоит рассмотреть где применяется явление самоиндукции на практике. Рассмотрим на примерах того, что мы видим в быту и технике. Одно из полезнейших применений – это трансформатор, принцип его работы мы уже рассмотрели. Сейчас встречаются все реже, но ранее ежедневно использовались люминесцентные трубчатые лампы в светильниках. Принцип их работы основан на явлении самоиндукции. Её схемы вы можете увидеть ниже.

После подачи напряжения ток протекает по цепи: фаза — дроссель — спираль — стартер — спираль — ноль.

Или наоборот (фаза и ноль). После срабатывания стартера, его контакты размыкаются, тогда (катушка с большой индуктивностью) стремится поддержать ток в том же направлении, наводит ЭДС самоиндукции большой величины и происходит розжиг ламп.

Аналогично это явление применяется в цепи зажигания автомобиля или мотоцикла, которые работают на бензине. В них в разрыв между катушкой индуктивности и минусом (массой) устанавливают механический (прерыватель) или полупроводниковый ключ (транзистор в ЭБУ). Этот ключ в момент, когда в цилиндре должна образоваться искра для зажигания топлива, разрывает цепь питания катушки. Тогда энергия, запасенная в сердечнике катушки, вызывает рост ЭДС самоиндукции и напряжение на электроде свечи возрастает до тех пор, пока не наступит пробой искрового промежутка, или пока не сгорит катушка.

В блоках питания и аудиотехнике часто возникает необходимость убрать из сигнала лишние пульсации, шумы или частоты. Для этого используются фильтры разных конфигурации. Один из вариантов это LC, LR-фильтры. Благодаря препятствию роста тока и сопротивлению переменного тока, соответственно, возможно добиться поставленных целей.

Вред ЭДС самоиндукции приносит контактам выключателей, рубильников, розеток, автоматов и прочего. Вы могли заметить что, когда вытаскиваете вилку работающего пылесоса из розетки, очень часто заметна вспышка внутри неё. Это и есть сопротивление изменению тока в катушке (обмотке двигателя в данном случае).

В полупроводниковых ключах дело обстоит более критично – даже небольшая индуктивность в цепи может привести к их пробою, при достижении пиковых значений Uкэ или Uси. Для их защиты устанавливают снабберные цепи, на которых и рассеивается энергия индуктивных всплесков.

Заключение

Подведем итоги. Условиями возникновения ЭДС самоиндукции является: наличие индуктивности в цепи и изменение тока в нагрузке. Это может происходить как в работе, при смене режимов или возмущающих воздействиях, так и при коммутации приборов. Это явление может нанести вред контактам реле и пускателей, так как приводит к при размыкании индуктивных цепей, например, электродвигателей. Чтобы снизить негативное влияние большая часть коммутационной аппаратуры оснащается дугогасительными камерами.

В полезных целях явление ЭДС используется довольно часто, от фильтра для сглаживания пульсаций тока и фильтра частот в аудиоаппаратуре, до трансформаторов и высоковольтных катушек зажигания в автомобилях.

Надеемся, теперь вам стало понятно, что такое самоиндукция, как она проявляется и где ее можно использовать. Если возникли вопросы, задавайте их в комментариях под статьей!

Материалы

При изменении тока в контуре меняется поток магнитной индукции через поверхность , ограниченную этим контуром, изменение потока магнитной индукции приводит к возбуждению ЭДС самоиндукции. Направление ЭДС оказывается таким, что при увеличении тока в цепи эдс препятствует возрастанию тока, а при уменьшении тока — убыванию.

Величина ЭДС пропорциональна скорости изменения силы тока I и индуктивности контура L :

.

За счёт явления самоиндукции в электрической цепи с источником ЭДС при замыкании цепи ток устанавливается не мгновенно, а через какое-то время. Аналогичные процессы происходят и при размыкании цепи , при этом величина ЭДС самоиндукции может значительно превышать ЭДС источника. Чаще всего в обычной жизни это используется в катушках зажигания автомобилей. Типичное напряжение самоиндукции при напряжении питающей батареи 12В составляет 7-25кВ.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое «ЭДС самоиндукции» в других словарях:

    эдс самоиндукции — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN self induced emfFaraday voltageinductance voltageself induction… …

    Это явление возникновения ЭДС индукции в проводящем контуре при изменении протекающего через контур тока. При изменении тока в контуре пропорционально меняется и магнитный поток через поверхность, ограниченную этим контуром. Изменение… … Википедия

    — (от лат. inductio наведение, побуждение), величина, характеризующая магн. св ва электрич. цепи. Ток, текущий в проводящем контуре, создаёт в окружающем пр ве магн. поле, причём магнитный поток Ф, пронизывающий контур (сцепленный с ним), прямо… … Физическая энциклопедия

    реактивная мощность — Величина, равная при синусоидальных электрическом токе и электрическом напряжении произведению действующего значения напряжения на действующее значение тока и на синус сдвига фаз между напряжением и током двухполюсника. [ГОСТ Р 52002 2003]… … Справочник технического переводчика

    Раздел физики, охватывающий знания о статическом электричестве, электрических токах и магнитных явлениях. ЭЛЕКТРОСТАТИКА В электростатике рассматриваются явления, связанные с покоящимися электрическими зарядами. Наличие сил, действующих между… … Энциклопедия Кольера

    Электрический машина, не имеющая подвижных частей и преобразующая переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения. В простейшем случае состоит из магнитопровода (сердечника) и расположенных на нём двух обмоток первичной и… … Энциклопедический словарь

Физика 10-11 класс. САМОИНДУКЦИЯ

Каждый проводник, по которому протекает эл.ток, находится в собственном магнитном поле.

При изменении силы тока в проводнике меняется м.поле, т.е. изменяется магнитный поток, создаваемый этим током. Изменение магнитного потока ведет в возникновению вихревого эл.поля и в цепи появляется ЭДС индукции.

Это явление называется самоиндукцией.
Самоиндукция — явление возникновения ЭДС индукции в эл.цепи в результате изменения силы тока.
Возникающая при этом ЭДС называется ЭДС самоиндукции

Проявление явления самоиндукции

Замыкание цепи

При замыкании в эл.цепи нарастает ток, что вызывает в катушке увеличение магнитного потока, возникает вихревое эл.поле, направленное против тока, т.е. в катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая нарастанию тока в цепи (вихревое поле тормозит электроны).
В результате Л1 загорается позже, чем Л2.

Размыкание цепи

При размыкании эл.цепи ток убывает, возникает уменьшение м.потока в катушке, возникает вихревое эл.поле, направленное как ток (стремящееся сохранить прежнюю силу тока) , т.е. в катушке возникает ЭДС самоиндукции, поддерживающая ток в цепи.

Чему равно эдс самоиндукции. Что такое самоиндукция — объяснение простыми словами

Магнитное поле контура, в котором сила тока изменяется, индуцирует ток не только в других контурах, но и в себе самом. Это явление получило название самоиндукции.

Опытным путём установлено, что магнитный поток вектора магнитной индукции поля, создаваемого текущим в контуре током, пропорционален силе этого тока:

где L– индуктивность контура. Постоянная характеристика контура, которая зависит от его формы и размеров, а так же от магнитной проницаемости среды, в которой находится контур. [L] = Гн (Генри,

1Гн = Вб/А).

Если за время dtток в контуре изменится наdI, то магнитный поток, связанный с этим током, изменится наdФ =LdIв результате чего в этом контуре появится ЭДС самоиндукции:

Знак минус показывает, что ЭДС самоиндукции (а, следовательно, и ток самоиндукции) всегда препятствует изменению силы тока, который вызвал самоиндукцию.

Наглядным примером явления самоиндукции служат экстратоки замыкания и размыкания, возникающие при включении и выключении электрических цепей, обладающей значительной индуктивностью.

Энергия магнитного поля

Магнитное поле обладает потенциальной энергией, которая в момент его образования (или изменения) пополняется за счёт энергии тока в цепи, совершающего при этом работу против ЭДС самоиндукции, возникающей вследствие изменения поля.

Работа dAза бесконечно малый промежуток времениdt, в течении которого ЭДС самоиндукциии токIможно считать постоянными, равняется:

. (5)

Знак минус указывает, что элементарная работа совершается током против ЭДС самоиндукции. Чтобы определить работу при изменении тока от 0 до I, проинтегрируем правую часть, получим:

. (6)

Эта работа численно равна приросту потенциальной энергии ΔW п магнитного поля, связанного с этой цепью, т.е.A= -ΔW п.

Выразим энергию магнитного поля через его характеристики на примере соленоида. Будем считать, что магнитное поле соленоида однородно и в основном расположено внутри его. Подставим в (5) значение индуктивности соленоида, выраженное через его параметры и значение силы тока I, выраженное из формулы индукции магнитного поля соленоида:

, (7)

где N – общее число витков соленоида; ℓ – его длина; S – площадь сечения внутреннего канала соленоида.

, (8)

После подстановки имеем:

Разделив обе части на V, получим объёмную плотность энергии поля:

(10)

или, с учётом, что
получим,
. (11)

Переменный ток

2.1 Переменный ток и его основные характеристики

Переменным называется ток, изменяющийся с течением времени и по величине и по направлению. Примером переменного тока может служить потребляемый промышленный ток. Этот ток является синусоидальным, т.е. мгновенное значение его параметров меняются со временем по закону синуса (или косинуса):

i = I 0 sinωt, u = U 0 sin(ωt + φ 0). (12)

Переменный синусоидальный ток можно получить, если вращать рамку (контур) с постоянной скоростью

в однородном магнитном поле с индукцией B (рис.5). При этом магнитный поток, пронизывающий контур, изменяется по закону

где S– площадь контура, α = ωt– угол поворота рамки за время t. Изменение потока приводит к возникновению ЭДС индукции

, (17)

направление которой определяется по правилу Ленца.

Если контур замкнут (рис.5), то по нему идёт ток:

. (18)

График изменения электродвижущей силыи индукционного токаi представлен на рис.6.

Переменный ток характеризуется периодом Т, частотой ν = 1/Т, циклической частотой
и фазой φ = (ωt + φ 0) Графически значения напряжения и силы переменного тока на участке цепи будут представляться двумя синусоидами, в общем случае сдвинутыми по фазе на φ.

Для характеристики переменного тока вводятся понятия действующего (эффективного) значения тока и напряжения. Эффективным значением силы переменного тока называется сила такого постоянного тока, который выделяет в данном проводнике столько же тепла за время одного периода, сколько выделяет тепла и данный переменный ток.

,
. (13)

Приборы, включенные в цепь переменного тока (амперметр, вольтметр), показывают эффективные значения тока и напряжения.

Согласно закону Фарадея ℰ is = – . Если Ф = LI , то ℰ is = = – . При условии, что индуктивность контура в процессе изменения тока не меняется (т.е. не меняются геометрические размеры контура и магнитные свойства среды), то

is = – . (13.2)

Из этой формулы видно, что если индуктивность катушки L достаточно велика, а время изменения тока мало, то величина ℰ is может достигнуть большой величины и превысить ЭДС источника тока при размыкании цепи. Именно этот эффект мы наблюдали в опыте 1.

Из формулы (13.2) можно выразить L :

L = – ℰ is /(DI /Dt ),

т.е. индуктивность имеет еще один физический смысл: она численно равна ЭДС самоиндукции при скорости изменения тока через контур 1 А в 1 с.

Читатель : Но тогда получится, что размерность индуктивности

[L ] = Гн = .

СТОП! Решите самостоятельно: А3, А4, В3–В5, С1, С2.

Задача 13.2. Какова индуктивность катушки с железным сердечником, если за время Dt = 0,50 с ток в цепи изменился от I 1 = = 10,0 А до I 2 = 5,0 А, а возникшая при этом ЭДС самоиндукции по модулю равна |ℰ is | = 25 В?

Ответ : L = ℰ is » 2,5 Гн.

СТОП! Решите самостоятельно: А5, А6, В6.

Читатель : А какой смысл имеет знак минус в формуле (13.2)?

Рис. 13.6

Автор : Рассмотрим какой-либо проводящий контур, по которому течет ток. Выберем направление обхода контура – по или против часовой стрелки (рис. 13.6). Вспомним: если направление тока совпадает с выбранным направлением обхода, то сила тока считается положительной, а если нет – отрицательной.

Изменение тока DI = I кон – I нач – также величина алгебраическая (отрицательная или положительная). ЭДС самоиндукции – это работа, совершаемая вихревым полем при перемещении единичного положительного заряда по контуру вдоль направления обхода контура . Если напряженность вихревого поля направлена вдоль направления обхода контура, то эта работа положительна, а если против – отрицательна. Таким образом, знак минус в формуле (13.2) показывает, что величины DI и ℰ is всегда имеют разные знаки.

Покажем это на примерах (рис. 13.7):

а) I > 0 и DI > 0, значит, ℰ is

б) I > 0 и DI is >

в) I I| > 0, т.е. модуль тока возрастает, а сам ток становится все «более отрицательным». Значит, DI is > 0, т.е. ЭДС самоиндукции «включена» вдоль направления обхода;

г) I I| I > 0, тогда ℰ is

В задачах, по возможности, следует выбирать такое направление обхода, чтобы ток был положительным.

Задача 13.3. В цепи на рис. 13.8, а L 1 = 0,02 Гн и L 2 = 0,005 Гн. В некоторый момент ток I 1 = 0,1 А и возрастает со скоростью 10 А/с, а ток I 2 = 0,2 А и возрастает со скоростью 20 А/с. Найти сопротивление R .

а б Рис. 13.8 Решение. Так как оба тока возрастают, то в обеих катушках возникают ЭДС самоиндукции ℰ is 1
L 1 = 0,02 Гн L 2 = 0,005 Гн I 1 = 0,1 А I 2 = 0,2 А DI 1 /Dt = 10 А/с DI 2 /Dt = 20 А/с
R = ?

и ℰ is 2 , включенные навстречу токам I 1 и I 2 (рис. 13.8, б ), где

|ℰ is 1 | = ; |ℰ is 2 | = .

Выберем направление обхода по часовой стрелке (см. рис. 13.8,б ) и применим второе правило Кирхгофа

–|ℰ is 1 | + |ℰ is 2 | = I 1 R – I 2 R ,

R = |ℰ is 2 | – |ℰ is 1 | / (I 1 – I 2) = =

1 Ом.

Ответ : R = » 1 Ом.

СТОП! Решите самостоятельно: В7, В8, С3.

Задача 13.4. Катушка сопротивлением R = 20 Ом и индуктивностью L = 0,010 Гн находится в переменном магнитном поле. Когда создаваемый этим полем магнитный поток увеличился на DФ = = 0,001 Вб, ток в катушке возрос на DI = 0,050 А. Какой заряд прошел за это время по катушке?

дукции |ℰ is | = . Причем ℰ is «включилась» навстречу ℰ i , так как ток в цепи возрастал (рис. 13.9).

Возьмем направление обхода контура по часовой стрелке. Тогда согласно второму правилу Кирхгофа получим:

|ℰ i | – |ℰ is | = IR ,

I = (|ℰ i | – |ℰ is |)/R = .

Заряд q , прошедший по катушке за время Dt , равна

q = I Dt =

Ответ : 25 мкКл.

СТОП! Решите самостоятельно: В9, В10, С4.

Задача 13.5. Катушка с индуктивностью L и электрическим сопротивлением R подключена через ключ к источнику тока с ЭДС ℰ. В момент t = 0 ключ замыкают. Как изменяется со временем сила тока I в цепи сразу же после замыкания ключа? Через длительное время после замыкания? Оцените характерное время t возрастания тока в такой цепи. Внутренним сопротивлением источника тока можно пренебречь.

Рис. 13.10

Рис. 13.11

Сразу же после замыкания ключа I = 0, поэтому можно считать » ℰ/L , т.е. ток возрастает с постоянной скоростью (I = (ℰ/L )t ;рис. 13.11).

9.4. Явление электромагнитной индукции

9.4.3. Среднее значение электродвижущей силы самоиндукции

При изменении потока, сцепленного с замкнутым проводящим контуром, через площадь, ограниченную данным контуром, в нем появляется вихревое электрическое поле и течет индукционный ток — явление электромагнитной самоиндукции.

Модуль средней ЭДС самоиндукции за определенный промежуток времени рассчитывают по формуле

〈 | ℰ i s | 〉 = | Δ Ф s | Δ t ,

где ΔФ s — изменение магнитного потока, сцепленного с контуром, за время Δt .

Если сила тока в контуре изменяется с течением времени I = I (t ), то

∆Ф s = L ∆I ,

где L — индуктивность контура; ΔI — изменение силы тока в контуре за время Δt ;

〈 | ℰ i s | 〉 = L | Δ I | Δ t ,

где ΔI /Δt — скорость изменения силы тока в контуре.

Если индуктивность контура изменяется с течением времени L = L (t ), то

  • изменение потока, сцепленного с контуром, определяется формулой

∆Ф s = ∆LI ,

где ΔL — изменение индуктивности контура за время Δt ; I — сила тока в контуре;

  • модуль средней ЭДС самоиндукции за определенный промежуток времени рассчитывается по формуле

〈 | ℰ i s | 〉 = I | Δ L | Δ t .

Пример 16. В замкнутом проводящем контуре с индуктивностью 20 мГн течет ток силой 1,4 А. Найти среднее значение ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре, при равномерном уменьшении в нем силы тока на 20 % за 80 мс.

Решение . Появление ЭДС самоиндукции в контуре вызвано изменением потока, сцепленного с контуром, при изменении в нем силы тока.

Поток, сцепленный с контуром, определяется формулами:

  • при силе тока I 1

Ф s 1 = LI 1 ,

где L — индуктивность контура, L = 20 мГн; I 1 — первоначальная сила тока в контуре, I 1 = 1,4 А;

  • при силе тока I 2

Ф s 2 = LI 2 ,

где I 2 — конечная сила тока в контуре.

Изменение потока, сцепленного с контуром, определяется разностью:

Δ Ф s = Ф s 2 − Ф s 1 = L I 2 − L I 1 = L (I 2 − I 1) ,

где I 2 = 0,8I 1 .

Среднее значение ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре, при изменении в нем силы тока:

〈 ℰ s i 〉 = | Δ Ф s Δ t | = | L (I 2 − I 1) Δ t | = | − 0,2 L I 1 Δ t | = 0,2 L I 1 Δ t ,

где ∆t — интервал времени, за который происходит уменьшение силы тока, ∆t = 80 мс.

Расчет дает значение:

〈 ℰ s i 〉 = 0,2 ⋅ 20 ⋅ 10 − 3 ⋅ 1,4 80 ⋅ 10 − 3 = 70 ⋅ 10 − 3 с = 70 мВ.

При изменении силы тока в контуре в нем возникает ЭДС самоиндукции, среднее значение которой равно 70 мВ.

На данном уроке мы узнаем, как и кем было открыто явление самоиндукции, рассмотрим опыт, с помощью которого продемонстрируем это явление, определим, что самоиндукция — это частный случай электромагнитной индукции. В конце урока введем физическую величину, показывающую зависимость ЭДС самоиндукции от размеров и формы проводника и от среды, в которой находится проводник, т. е. индуктивность.

Генри изобретал плоские катушки из полосовой меди, с помощью которых добивался силовых эффектов, выраженных более ярко, чем при использовании проволочных соленоидов. Ученый заметил, что при нахождении в цепи мощной катушки ток в этой цепи достигает своего максимального значения гораздо медленнее, чем без катушки.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки Д. Генри

На рис. 2 изображена электрическая схема экспериментальной установки, на основе которой можно продемонстрировать явление самоиндукции. Электрическая цепь состоит из двух параллельно соединенных лампочек, подключенных через ключ к источнику постоянного тока. Последовательно с одной из лампочек подключена катушка. После замыкания цепи видно, что лампочка, которая соединена последовательно с катушкой, загорается медленнее, чем вторая лампочка (рис. 3).

Рис. 3. Различный накал лампочек в момент включения цепи

При отключении источника лампочка, подключенная последовательно с катушкой, гаснет медленнее, чем вторая лампочка.

Почему лампочки гаснут не одновременно

При замыкании ключа (рис. 4) из-за возникновения ЭДС самоиндукции ток в лампочке с катушкой нарастает медленнее, поэтому эта лампочка загорается медленнее.

Рис. 4. Замыкание ключа

При размыкании ключа (рис. 5) возникающая ЭДС самоиндукции мешает убыванию тока. Поэтому ток еще некоторое время продолжает течь. Для существования тока нужен замкнутый контур. Такой контур в цепи есть, он содержит обе лампочки. Поэтому при размыкании цепи лампочки должны некоторое время светиться одинаково, и наблюдаемое запаздывание может быть вызвано другими причинами.

Рис. 5. Размыкание ключа

Рассмотрим процессы, происходящие в данной цепи при замыкании и размыкании ключа.

1. Замыкание ключа.

В цепи находится токопроводящий виток. Пусть ток в этом витке течет против часовой стрелки. Тогда магнитное поле будет направлено вверх (рис. 6).

Таким образом, виток оказывается в пространстве собственного магнитного поля. При возрастании тока виток окажется в пространстве изменяющегося магнитного поля собственного тока. Если ток возрастает, то созданный этим током магнитный поток также возрастает. Как известно, при возрастании магнитного потока, пронизывающего плоскость контура, в этом контуре возникает электродвижущая сила индукции и, как следствие, индукционный ток. По правилу Ленца, этот ток будет направлен таким образом, чтобы своим магнитным полем препятствовать изменению магнитного потока, пронизывающего плоскость контура.

То есть для рассматриваемого на рис. 6 витка индукционный ток должен быть направлен по часовой стрелке (рис. 7), тем самым препятствуя нарастанию собственного тока витка. Следовательно, при замыкании ключа ток в цепи возрастает не мгновенно благодаря тому, что в этой цепи возникает тормозящий индукционный ток, направленный в противоположную сторону.

2. Размыкание ключа

При размыкании ключа ток в цепи уменьшается, что приводит к уменьшению магнитного потока сквозь плоскость витка. Уменьшение магнитного потока приводит к появлению ЭДС индукции и индукционного тока. В этом случае индукционный ток направлен в ту же сторону, что и собственный ток витка. Это приводит к замедлению убывания собственного тока.

Вывод: при изменении тока в проводнике возникает электромагнитная индукция в этом же проводнике, что порождает индукционный ток, направленный таким образом, чтобы препятствовать любому изменению собственного тока в проводнике (рис. 8). В этом заключается суть явления самоиндукции. Самоиндукция — это частный случай электромагнитной индукции.

Рис. 8. Момент включения и выключения цепи

Формула для нахождения магнитной индукции прямого проводника с током:

где — магнитная индукция; — магнитная постоянная; — сила тока; — расстояние от проводника до точки.

Поток магнитной индукции через площадку равен:

где — площадь поверхности, которая пронизывается магнитным потоком.

Таким образом, поток магнитной индукции пропорционален величине тока в проводнике.

Для катушки, в которой — число витков, а — длина, индукция магнитного поля определяется следующим соотношением:

Магнитный поток, созданный катушкой с числом витков N , равен:

Подставив в данное выражение формулу индукции магнитного поля, получаем:

Отношение числа витков к длине катушки обозначим числом :

Получаем окончательное выражение для магнитного потока:

Из полученного соотношения видно, что значение потока зависит от величины тока и от геометрии катушки (радиус, длина, число витков). Величина, равная , называется индуктивностью:

Единицей измерения индуктивности является генри:

Следовательно, поток магнитной индукции, вызванный током в катушке, равен:

С учетом формулы для ЭДС индукции , получаем, что ЭДС самоиндукции равна произведению скорости изменения тока на индуктивность, взятому со знаком «-»:

Самоиндукция — это явление возникновения электромагнитной индукции в проводнике при изменении силы тока, протекающего сквозь этот проводник.

Электродвижущая сила самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения тока, протекающего сквозь проводник, взятой со знаком минус. Коэффициент пропорциональности называется индуктивностью , которая зависит от геометрических параметров проводника.

Проводник имеет индуктивность, равную 1 Гн, если при скорости изменения тока в проводнике, равной 1 А в секунду, в этом проводнике возникает электродвижущая сила самоиндукции, равная 1 В.

С явлением самоиндукции человек сталкивается ежедневно. Каждый раз, включая или выключая свет, мы тем самым замыкаем или размыкаем цепь, при этом возбуждая индукционные токи. Иногда эти токи могут достигать таких больших величин, что внутри выключателя проскакивает искра, которую мы можем увидеть.

Список литературы

  1. Мякишев Г.Я. Физика: Учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений. — М.: Просвещение, 2010.
  2. Касьянов В.А. Физика. 11 кл.: Учеб. для общеобразоват. учреждений. — М.: Дрофа, 2005.
  3. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И., Физика 11. — М.: Мнемозина.
  1. Интернет-портал Myshared.ru ().
  2. Интернет-портал Physics.ru ().
  3. Интернет-портал Festival.1september.ru ().

Домашнее задание

  1. Вопросы в конце параграфа 15 (стр. 45) — Мякишев Г.Я. Физика 11 (см. список рекомендованной литературы)
  2. Индуктивность какого проводника равна 1 Генри?

Величина самоиндукции. Импульсный генератор эдс самоиндукции

Знаете ли Вы, в чем ложность понятия «физический вакуум»?

Физический вакуум — понятие релятивистской квантовой физики, под ним там понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. Физическим вакуумом релятивистские теоретики называют полностью лишённое вещества пространство, заполненное неизмеряемым, а значит, лишь воображаемым полем. Такое состояние по мнению релятивистов не является абсолютной пустотой, но пространством, заполненным некими фантомными (виртуальными) частицами. Релятивистская квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости Гейзенберга, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные, то есть кажущиеся (кому кажущиеся?), частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. Виртуальные частицы физического вакуума, а следовательно, он сам, по определению не имеют системы отсчета, так как в противном случае нарушался бы принцип относительности Эйнштейна, на котором основывается теория относительности (то есть стала бы возможной абсолютная система измерения с отсчетом от частиц физического вакуума, что в свою очередь однозначно опровергло бы принцип относительности, на котором постороена СТО). Таким образом, физический вакуум и его частицы не есть элементы физического мира, но лишь элементы теории относительности, которые существуют не в реальном мире, но лишь в релятивистских формулах, нарушая при этом принцип причинности (возникают и исчезают беспричинно), принцип объективности (виртуальные частицы можно считать в зависимсоти от желания теоретика либо существующими, либо не существующими), принцип фактической измеримости (не наблюдаемы, не имеют своей ИСО).

Когда тот или иной физик использует понятие «физический вакуум», он либо не понимает абсурдности этого термина, либо лукавит, являясь скрытым или явным приверженцем релятивистской идеологии.

Понять абсурдность этого понятия легче всего обратившись к истокам его возникновения. Рождено оно было Полем Дираком в 1930-х, когда стало ясно, что отрицание эфира в чистом виде, как это делал великий математик, но посредственный физик , уже нельзя. Слишком много фактов противоречит этому.

Для защиты релятивизма Поль Дирак ввел афизическое и алогичное понятие отрицательной энергии, а затем и существование «моря» двух компенсирующих друг друга энергий в вакууме — положительной и отрицательной, а также «моря» компенсирующих друг друга частиц — виртуальных (то есть кажущихся) электронов и позитронов в вакууме.

На данном уроке мы узнаем, как и кем было открыто явление самоиндукции, рассмотрим опыт, с помощью которого продемонстрируем это явление, определим, что самоиндукция — это частный случай электромагнитной индукции. В конце урока введем физическую величину, показывающую зависимость ЭДС самоиндукции от размеров и формы проводника и от среды, в которой находится проводник, т. е. индуктивность.

Генри изобретал плоские катушки из полосовой меди, с помощью которых добивался силовых эффектов, выраженных более ярко, чем при использовании проволочных соленоидов. Ученый заметил, что при нахождении в цепи мощной катушки ток в этой цепи достигает своего максимального значения гораздо медленнее, чем без катушки.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки Д. Генри

На рис. 2 изображена электрическая схема экспериментальной установки, на основе которой можно продемонстрировать явление самоиндукции. Электрическая цепь состоит из двух параллельно соединенных лампочек, подключенных через ключ к источнику постоянного тока. Последовательно с одной из лампочек подключена катушка. После замыкания цепи видно, что лампочка, которая соединена последовательно с катушкой, загорается медленнее, чем вторая лампочка (рис. 3).

Рис. 3. Различный накал лампочек в момент включения цепи

При отключении источника лампочка, подключенная последовательно с катушкой, гаснет медленнее, чем вторая лампочка.

Почему лампочки гаснут не одновременно

При замыкании ключа (рис. 4) из-за возникновения ЭДС самоиндукции ток в лампочке с катушкой нарастает медленнее, поэтому эта лампочка загорается медленнее.

Рис. 4. Замыкание ключа

При размыкании ключа (рис. 5) возникающая ЭДС самоиндукции мешает убыванию тока. Поэтому ток еще некоторое время продолжает течь. Для существования тока нужен замкнутый контур. Такой контур в цепи есть, он содержит обе лампочки. Поэтому при размыкании цепи лампочки должны некоторое время светиться одинаково, и наблюдаемое запаздывание может быть вызвано другими причинами.

Рис. 5. Размыкание ключа

Рассмотрим процессы, происходящие в данной цепи при замыкании и размыкании ключа.

1. Замыкание ключа.

В цепи находится токопроводящий виток. Пусть ток в этом витке течет против часовой стрелки. Тогда магнитное поле будет направлено вверх (рис. 6).

Таким образом, виток оказывается в пространстве собственного магнитного поля. При возрастании тока виток окажется в пространстве изменяющегося магнитного поля собственного тока. Если ток возрастает, то созданный этим током магнитный поток также возрастает. Как известно, при возрастании магнитного потока, пронизывающего плоскость контура, в этом контуре возникает электродвижущая сила индукции и, как следствие, индукционный ток. По правилу Ленца, этот ток будет направлен таким образом, чтобы своим магнитным полем препятствовать изменению магнитного потока, пронизывающего плоскость контура.

То есть для рассматриваемого на рис. 6 витка индукционный ток должен быть направлен по часовой стрелке (рис. 7), тем самым препятствуя нарастанию собственного тока витка. Следовательно, при замыкании ключа ток в цепи возрастает не мгновенно благодаря тому, что в этой цепи возникает тормозящий индукционный ток, направленный в противоположную сторону.

2. Размыкание ключа

При размыкании ключа ток в цепи уменьшается, что приводит к уменьшению магнитного потока сквозь плоскость витка. Уменьшение магнитного потока приводит к появлению ЭДС индукции и индукционного тока. В этом случае индукционный ток направлен в ту же сторону, что и собственный ток витка. Это приводит к замедлению убывания собственного тока.

Вывод: при изменении тока в проводнике возникает электромагнитная индукция в этом же проводнике, что порождает индукционный ток, направленный таким образом, чтобы препятствовать любому изменению собственного тока в проводнике (рис. 8). В этом заключается суть явления самоиндукции. Самоиндукция — это частный случай электромагнитной индукции.

Рис. 8. Момент включения и выключения цепи

Формула для нахождения магнитной индукции прямого проводника с током:

где — магнитная индукция; — магнитная постоянная; — сила тока; — расстояние от проводника до точки.

Поток магнитной индукции через площадку равен:

где — площадь поверхности, которая пронизывается магнитным потоком.

Таким образом, поток магнитной индукции пропорционален величине тока в проводнике.

Для катушки, в которой — число витков, а — длина, индукция магнитного поля определяется следующим соотношением:

Магнитный поток, созданный катушкой с числом витков N , равен:

Подставив в данное выражение формулу индукции магнитного поля, получаем:

Отношение числа витков к длине катушки обозначим числом :

Получаем окончательное выражение для магнитного потока:

Из полученного соотношения видно, что значение потока зависит от величины тока и от геометрии катушки (радиус, длина, число витков). Величина, равная , называется индуктивностью:

Единицей измерения индуктивности является генри:

Следовательно, поток магнитной индукции, вызванный током в катушке, равен:

С учетом формулы для ЭДС индукции , получаем, что ЭДС самоиндукции равна произведению скорости изменения тока на индуктивность, взятому со знаком «-»:

Самоиндукция — это явление возникновения электромагнитной индукции в проводнике при изменении силы тока, протекающего сквозь этот проводник.

Электродвижущая сила самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения тока, протекающего сквозь проводник, взятой со знаком минус. Коэффициент пропорциональности называется индуктивностью , которая зависит от геометрических параметров проводника.

Проводник имеет индуктивность, равную 1 Гн, если при скорости изменения тока в проводнике, равной 1 А в секунду, в этом проводнике возникает электродвижущая сила самоиндукции, равная 1 В.

С явлением самоиндукции человек сталкивается ежедневно. Каждый раз, включая или выключая свет, мы тем самым замыкаем или размыкаем цепь, при этом возбуждая индукционные токи. Иногда эти токи могут достигать таких больших величин, что внутри выключателя проскакивает искра, которую мы можем увидеть.

Список литературы

  1. Мякишев Г.Я. Физика: Учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений. — М.: Просвещение, 2010.
  2. Касьянов В.А. Физика. 11 кл.: Учеб. для общеобразоват. учреждений. — М.: Дрофа, 2005.
  3. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И., Физика 11. — М.: Мнемозина.
  1. Интернет-портал Myshared.ru ().
  2. Интернет-портал Physics.ru ().
  3. Интернет-портал Festival.1september.ru ().

Домашнее задание

  1. Вопросы в конце параграфа 15 (стр. 45) — Мякишев Г.Я. Физика 11 (см. список рекомендованной литературы)
  2. Индуктивность какого проводника равна 1 Генри?

Взаимосвязь электрических и магнитных полей

Электрические и магнитные явления изучались давно, вот только никому не приходило в голову каким-то образом связать эти исследования между собой. И только в 1820 году было обнаружено, что проводник с током действует на стрелку компаса. Это открытие принадлежало датскому физику Хансу Кристиану Эрстеду. Впоследствии его именем была названа единица измерения напряженности магнитного поля в системе СГС: русское обозначение Э (Эрстед), англоязычное — Oe. Такую напряженность магнитное поле имеет в вакууме при индукции в 1 Гаусс.

Это открытие наводило на мысль о том, что из электрического тока можно получить магнитное поле. Но вместе с тем возникали мысли и по поводу обратного преобразования, а именно, как из магнитного поля получить электрический ток. Ведь многие процессы в природе обратимы: из воды получается лед, который можно снова растопить в воду.

На изучение этого очевидного сейчас закона физики после открытия Эрстеда ушло целых двадцать два года. Получением электричества из магнитного поля занимался английский ученый Майкл Фарадей. Делались различной формы и размеров проводники и магниты, искались варианты их взаимного расположения. И только, видимо, случайно ученый обнаружил, что для получения на концах проводника ЭДС необходимо еще одно слагаемое — движение магнита, т.е. магнитное поле должно быть обязательно переменным.

Сейчас это никого уже не удивляет. Именно так работают все электрические генераторы, — пока его чем-то вращают, электроэнергия вырабатывается, лампочка светит. Остановили, перестали вращать, и лампочка погасла.

Электромагнитная индукция

Таким образом, ЭДС на концах проводника возникает лишь в том случае, если его определенным образом перемещать в магнитном поле. Или, точнее говоря, магнитное поле обязательно должно изменяться, быть переменным. Это явление получило название электромагнитной индукции, по-русски электромагнитное наведение: в этом случае говорят, что в проводнике наводится ЭДС. Если к такому источнику ЭДС подключить нагрузку, то в цепи будет протекать ток.

Величина наведенной ЭДС зависит от нескольких факторов: длины проводника, индукции магнитного поля B, и в немалой степени от скорости перемещения проводника в магнитном поле. Чем быстрее вращать ротор генератора, тем напряжение на его выходе выше.

Замечание: электромагнитную индукцию (явление возникновение ЭДС на концах проводника в переменном магнитном поле) не следует путать с магнитной индукцией — векторной физической величиной характеризующей собственно магнитное поле.

Индукция

Этот способ был рассмотрен . Достаточно перемещать проводник в магнитном поле постоянного магнита, или наоборот перемещать (практически всегда вращением) магнит около проводника. Оба варианта однозначно позволят получить переменное магнитное поле. В этом случае способ получения ЭДС называется индукцией. Именно индукция используется для получения ЭДС в различных генераторах. В опытах Фарадея в 1831 году магнит поступательно перемещался внутри катушки провода.

Взаимоиндукция

Это название говорит о том, что в этом явлении принимают участие два проводника. В одном из них протекает изменяющийся ток, который создает вокруг него переменное магнитное поле. Если рядом находится еще один проводник, то на его концах возникает переменная же ЭДС.

Такой способ получения ЭДС называется взаимоиндукцией. Именно по принципу взаимоиндукции работают все трансформаторы, только проводники у них выполнены в виде катушек, а для усиления магнитной индукции применяются сердечники из ферромагнитных материалов.

Если ток в первом проводнике прекратится (обрыв цепи), или станет пусть даже очень сильным, но постоянным (нет никаких изменений), то на концах второго проводника никакой ЭДС получить не удастся. Вот почему трансформаторы работают только на переменном токе: если к первичной обмотке подключить гальваническую батарейку, то на выходе вторичной обмотки никакого напряжения однозначно не будет.

ЭДС во вторичной обмотке наводится только при изменении магнитного поля. Причем, чем сильнее скорость изменения, именно скорость, а не абсолютная величина, тем больше будет наведенная ЭДС.

Самоиндукция

Если убрать второй проводник, то магнитное поле в первом проводнике будет пронизывать не только окружающее пространство, но и сам проводник. Таким образом, под воздействием своего поля в проводнике наводится ЭДС, которая называется ЭДС самоиндукции.

Явления самоиндукции в 1833 году изучал русский ученый Ленц. На основании этих опытов удалось выяснить интересную закономерность: ЭДС самоиндукции всегда противодействует, компенсирует внешнее переменное магнитное поле, которое вызывает эту ЭДС. Эта зависимость называется правилом Ленца (не путать с законом Джоуля — Ленца).

Знак «минус» в формуле как раз и говорит о противодействии ЭДС самоиндукции причинам ее породившим. Если катушку подключить к источнику постоянного тока, ток будет возрастать достаточно медленно. Это очень заметно при «прозвонке» первичной обмотки трансформатора стрелочным омметром: скорость движения стрелки в сторону нулевого деления шкалы заметно меньше, чем при проверке резисторов.

При отключении катушки от источника тока ЭДС самоиндукции вызывает искрение контактов реле. В случае, когда катушка управляется транзистором, например катушка реле, то параллельно ей ставится диод в обратном направлении по отношению к источнику питания. Это делается для того, чтобы защитить полупроводниковые элементы от воздействия ЭДС самоиндукции, которая может в десятки и даже сотни раз превышать напряжение источника питания.

Для проведения опытов Ленц сконструировал интересный прибор. На концах алюминиевого коромысла закреплены два алюминиевых же кольца. Одно кольцо сплошное, а в другом был сделан пропил. Коромысло свободно вращалось на иголке.

При введении постоянного магнита в сплошное кольцо оно «убегало» от магнита, а при выведении магнита стремилось за ним. Те же самые действия с разрезанным кольцом никаких движений не вызывали. Это объясняется тем, что в сплошном кольце под воздействием переменного магнитного поля возникает ток, который создает магнитное поле. А в разомкнутом кольце тока нет, следовательно, нет и магнитного поля.

Немаловажная деталь этого опыта в том, что если магнит будет введен в кольцо и останется неподвижным, то никакой реакции алюминиевого кольца на присутствие магнита не наблюдается. Это лишний раз подтверждает, что ЭДС индукции возникает только в случае изменения магнитного поля, причем величина ЭДС зависит от скорости изменения. В данном случае просто от скорости перемещения магнита.

То же можно сказать и о взаимоиндукции и самоиндукции, только изменение напряженности магнитного поля, точнее скорость его изменения зависит от скорости изменения тока. Для иллюстрации этого явления можно привести такой пример.

Пусть через две достаточно большие одинаковые катушки проходят большие токи: через первую катушку 10А, а через вторую целых 1000, причем в обеих катушках токи линейно возрастают. Предположим, что за одну секунду ток в первой катушке изменился с 10 до 15А, а во второй с 1000 до 1001А, что вызвало появление ЭДС самоиндукции в обеих катушках.

Но, несмотря на такое огромное значение тока во второй катушке, ЭДС самоиндукции будет больше в первой, поскольку там скорость изменения тока 5А/сек, а во второй всего 1А/сек. Ведь ЭДС самоиндукции зависит от скорости возрастания тока (читай магнитного поля), а не от его абсолютной величины.

Индуктивность

Магнитные свойства катушки с током зависят от количества витков, геометрических размеров. Значительного усиления магнитного поля можно добиться введением в катушку ферромагнитного сердечника. О магнитных свойствах катушки с достаточной точностью можно судить по величине ЭДС индукции, взаимоиндукции или самоиндукции. Все эти явления были рассмотрены выше.

Характеристика катушки, которая рассказывает об этом, называется коэффициентом индуктивности (самоиндукции) или просто индуктивностью. В формулах индуктивность обозначается буквой L, а на схемах этой же буквой обозначаются катушки индуктивности.

Единица измерения индуктивности — генри (Гн). Индуктивностью 1Гн обладает катушка, в которой при изменении тока на 1А в секунду вырабатывается ЭДС 1В. Это величина достаточно большая: индуктивностью в один и более Гн обладают сетевые обмотки достаточно мощных трансформаторов.

Поэтому достаточно часто пользуются величинами меньшего порядка, а именно милли и микро генри (мГн и мкГн). Такие катушки применяются в электронных схемах. Одно из применений катушек — колебательные контура в радиоустройствах.

Также катушки используются в качестве дросселей, основное назначение которых пропустить без потерь постоянный ток при этом ослабив переменный (фильтры ). Как правило, чем выше рабочая частота, тем меньшей индуктивности требуются катушки.

Индуктивное сопротивление

Если взять достаточно мощный сетевой трансформатор и сопротивление первичной обмотки, то окажется, что оно всего несколько Ом, и даже близко к нулю. Выходит, что ток через такую обмотку будет очень большим, и даже стремиться к бесконечности. Кажется, короткое замыкание просто неизбежно! Так почему же его нет?

Одним из основных свойств катушек индуктивности является индуктивное сопротивление, которое зависит от индуктивности и от частоты переменного тока, который подведен к катушке.

Нетрудно видеть, что с увеличением частоты и индуктивности индуктивное сопротивление увеличивается, а на постоянном токе вообще становится равным нулю. Поэтому при измерении сопротивления катушек мультиметром измеряется только активное сопротивление провода.

Конструкция катушек индуктивности весьма разнообразна и зависит от частот, на которых работает катушка. Например, для работы в дециметровом диапазоне радиоволн достаточно часто используются катушки, выполненные печатным монтажом. При массовом производстве такой способ очень удобен.

Индуктивность катушки зависит от ее геометрических размеров, сердечника, количества слоев и формы. В настоящее время выпускается достаточное количество стандартных катушек индуктивности похожих на обычные резисторы с выводами. Маркировка таких катушек выполняется цветными кольцами. Также существуют катушки для поверхностного монтажа, применяемые в качестве дросселей. Индуктивность таких катушек составляет несколько миллигенри.

Э. д. с. самоиндукции. Э. д. с. e L , индуцирования в проводнике или катушке в результате изменения магнитного потока, созданного током, проходящим по этому же проводнику или катушке, носит название э. д. с. самоиндукции (рис. 60). Эта э. д. с. возникает при всяком изменении тока, например при замыкании и размыкании электрических цепей, при изменении нагрузки электродвигателей и пр. Чем быстрее изменяется ток в проводнике или катушке, тем больше скорость изменения пронизывающего их магнитного потока и тем большая э. д. с. самоиндукции в них индуцируется. Например, э. д. с. самоиндукции e L возникает в проводнике АБ (см. рис. 54) при изменении протекающего по нему тока i 1 . Следовательно, изменяющееся магнитное поле индуцирует э. д. с. в том же самом проводнике, в котором изменяется ток, создающий это поле.

Направление э. д. с. самоиндукции определяется по правилу Ленца. Э. д. с. самоиндукции имеет всегда такое направление, при котором она препятствует изменению вызвавшего ее тока. Следовательно, при возрастании тока в проводнике (катушке) индуцированная в них э. д. с. самоиндукции будет направлена против тока, т. е. будет препятствовать его возрастанию (рис. 61, а), и наоборот, при уменьшении тока в проводнике (катушке) возникает э. д. с. самоиндукции, совпадающая по направлению с током, т. е. препятствующая его убыванию (рис. 61, б). Если же ток в катушке не изменяется, то э. д. с. самоиндукции не возникает.

Из рассмотренного выше правила для определения направления э. д. с. самоиндукции вытекает, что эта э. д. с. оказывает тормозящее действие на изменение тока в электрических цепях. В этом отношении ее действие аналогично действию силы инерции, которая препятствует изменению положения тела. В электрической цепи (рис. 62, а), состоящей из резистора с сопротивлением R и катушки К, ток i создается совместным действием напряжения U источника и э. д. с. самоиндукции e L индуцируемой в катушке. При подключении рассматриваемой цепи к источнику э. д. с. самоиндукции e L (см. сплошную стрелку) сдерживает нарастание силы тока. Поэтому ток i достигает установившегося значения I=U/R (согласно закону Ома) не мгновенно, а в течение определенного промежутка времени (рис. 62, б). За это время в электрической цепи происходит переходный процесс, при котором изменяются e L и i. Точно

так же при выключении электрической цепи ток i не уменьшается мгновенно до нуля, а из-за действия э. д. с. e L (см. штриховую стрелку) постепенно уменьшается.

Индуктивность. Способность различных проводников (катушек) индуцировать э. д. с. самоиндукции оценивается индуктивностью L. Она показывает, какая э. д. с. самоиндукции возникает в данном проводнике (катушке) при изменении тока на 1 А в течение 1 с. Индуктивность измеряется в генри (Гн), 1 Гн = 1 Ом*с. На практике индуктивность часто измеряют в тысячных долях генри — миллигенри (мГн) и в миллионных долях генри — микрогенри (мкГн).

Индуктивность катушки зависит от числа витков катушки? и магнитного сопротивления R м ее магнитопровода, т. е. от его магнитной проницаемости? а и геометрических размеров l и s. Если в катушку вставить стальной сердечник, ее индуктивность резко возрастает из-за усиления магнитного поля катушки. В этом случае ток 1 А создает значительно больший магнитный поток, чем в катушке без сердечника.

Используя понятие индуктивности L, можно получить для э. д. с. самоиндукции следующую формулу:

e L = – L ?i / ?t (53)

Где?i – изменение тока в проводнике (катушке) за промежуток времени?t.

Следовательно, э. д. с. самоиндукции пропорциональна скорости изменения тока.

Включение и отключение цепей постоянного тока с катушкой индуктивности. При подключении к источнику постоянного тока с напряжением U электрической цепи, содержащей R и L, выключателем B1 (рис. 63, а) ток i возрастает до установившегося значения I уст =U/R не мгновенно, так как э. д. с. самоиндукции e L , возникающая в индуктивности, действует против приложенного напряжения V и препятствует нарастанию тока. Для рассматриваемого процесса характерным является постепенное изменение тока i (рис. 63, б) и напряжений u а и u L по кривым — экспонентам. Изменение i, u а и u L по указанным кривым называется апериодическим.

Скорость нарастания силы тока в цепи и изменения напряжений u а и u L характеризуется постоянной времени цепи

T = L/R (54)

Она измеряется в секундах, зависит только от параметров R и L данной цепи и позволяет без построения графиков оценить длительность процесса изменения тока. Эта длительность теоретически бесконечно велика. Практически же обычно считают, что она составляет (3-4) Т. За это время ток в цепи достигает 95-98 % установившегося значения. Следовательно, чем больше сопротивление и чем меньше индуктивность L, тем быстрее протекает процесс изменения тока в электрических цепях с индуктивностью. Постоянную времени Т при апериодическом процессе можно определить как отрезок АВ, отсекаемый касательной, проведенной из начала координат к рассматриваемой кривой (например, тока i) на линии, соответствующей установившемуся значению данной величины.
Свойством индуктивности замедлять процесс изменения тока пользуются для создания выдержек времени при срабатывании различных аппаратов (например, при управлении работой песочниц для периодической подачи порций песка под колеса локомотива). На использовании этого явления основана также работа электромагнитного реле времени (см. § 94).

Коммутационные перенапряжения. Особенно сильно проявляет себя э. д. с. самоиндукции при размыкании цепей, содержащих катушки с большим числом витков и со стальными сердечниками (например, обмотки генераторов, электродвигателей, трансформаторов и пр.), т. е. цепей, обладающих большой индуктивностью. В этом случае возникающая э. д. с. самоиндукции e L может во много раз превысить напряжение U источника и, суммируясь с ним, послужить причиной возникновения перенапряжений в электрических цепях (рис. 64, а), называемых коммутационными (возникающими при коммутации — переключениях электрических цепей). Они являются опасными для обмоток электродвигателей, генераторов и трансформаторов, так как могут вызвать пробой их изоляции.

Большая э. д. с. самоиндукции способствует также возникновению электрической искры или дуги в электрических аппаратах, осуществляющих коммутацию электрических цепей. Например, в момент размыкания контактов рубильника (рис. 64, б) образующаяся э. д. с. самоиндукции сильно увеличивает разность потенциалов между разомкнутыми контактами рубильника и пробивает воздушный промежуток. Возникающая при этом электрическая дуга поддерживается в, течение некоторого времени э. д. с. самоиндукции, которая, таким образом, затягивает процесс отключения тока в цепи. Это явление весьма нежелательно, так как дуга оплавляет контакты отключающих аппаратов, что приводит к быстрому выходу их из строя. Поэтому во всех аппаратах, служащих для размыкания электрических цепей, предусматриваются специальные дугогасительные устройства, обеспечивающие ускорение гашения дуги.

Кроме того, в силовых цепях, обладающих значительной индуктивностью (например, обмотки возбуждения генераторов), параллельно цепи R-L (т. е. соответствующей обмотке) включают разрядный резистор R р (рис. 65, а). В этом случае после отключения выключателя В1 цепь R-L не прерывается, а оказывается замкнутой на резистор R р. Ток в цепи i при этом уменьшается не мгновенно, а постепенно — по экспоненте (рис. 65,6), так как э. д. с. самоиндукции e L , возникающая в индуктивности L, препятствует уменьшению тока. Напряжение u p на разрядном резисторе в течение процесса изменения тока также изменяется по экспоненте. Оно равно напряжению, приложенному к цепи R-L, т. е. к зажимам соответ-

ствующей обмотки. В начальный момент U p нач = UR p /R, т. е. зависит от сопротивления разрядного резистора; при больших значениях Rp это напряжение может оказаться чрезмерно большим и опасным для изоляции электрической установки. Практически для ограничения возникающих перенапряжений сопротивление R p разрядного резистора берут не более чем в 4-8 раз больше сопротивления R соответствующей обмотки.

Условия возникновения переходных процессов. Рассмотренные выше процессы при включении и выключении цепи R-L называют переходными процессами . Они возникают при включении и выключении источника или отдельных участков цепи, а также при изменении режима работы , например при скачкообразном изменении нагрузки, обрывах и коротких замыканиях. Такие же переходные процессы имеют место при указанных условиях и в цепях, содержащих конденсаторы, обладающие емкостью С. В ряде случаев переходные процессы являются опасными для источников и приемников, так как возникающие токи и напряжения могут во много раз превышать номинальные значения, на которые рассчитаны эти устройства. Однако в некоторых элементах электрооборудования, в частности в устройствах промышленной электроники, переходные процессы являются рабочими режимами.

Физически возникновение переходных процессов объясняется тем, что катушки индуктивности и конденсаторы являются накопителями энергии, а процесс накопления и отдачи энергии в этих элементах не может происходить мгновенно, следовательно, не может мгновенно измениться ток в катушке индуктивности и напряжение на конденсаторе. Время переходного процесса, в течение которого при включениях, выключениях и изменениях режима работы цепи происходит постепенное изменение тока и напряжения, определяется значениями R, L и С цепи и может составить доли и единицы секунд. После окончания переходного процесса ток и напряжение приобретают новые значения, которые называют установившимися .

САМОИНДУКЦИЯ

Каждый проводник, по которому протекает эл. ток, находится в собственном магнитном поле.

При изменении силы тока в проводнике меняется м.поле, т.е. изменяется магнитный поток, создаваемый этим током. Изменение магнитного потока ведет в возникновению вихревого эл. поля и в цепи появляется ЭДС индукции.

Это явление называется самоиндукцией.
Самоиндукция — явление возникновения ЭДС индукции в эл. цепи в результате изменения силы тока.
Возникающая при этом ЭДС называетсяЭДС самоиндукции

Замыкание цепи

При замыкании в эл. цепи нарастает ток, что вызывает в катушке увеличение магнитного потока, возникает вихревое эл. поле, направленное против тока, т.е. в катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая нарастанию тока в цепи (вихревое поле тормозит электроны).
В результатеЛ1 загорается позже, чем Л2.

Размыкание цепи

При размыкании эл.цепи ток убывает, возникает уменьшение м.потока в катушке, возникает вихревое эл.поле, направленное как ток (стремящееся сохранить прежнюю силу тока) , т.е. в катушке возникает ЭДС самоиндукции, поддерживающая ток в цепи.
В результате Л при выключенииярко вспыхивает.

Вывод

в электротехнике явление самоиндукции проявляется при замыкании цепи (эл.ток нарастает постепенно) и при размыкании цепи (эл.ток пропадает не сразу).

От чего зависит ЭДС самоиндукции?

Эл. ток создает собственное магнитное поле. Магнитный поток через контур пропорционален индукции магнитного поля (Ф ~ B), индукция пропорциональна силе тока в проводнике
(B ~ I), следовательно магнитный поток пропорционален силе тока (Ф ~ I).
ЭДС самоиндукции зависит от скорости изменения силы тока в эл. цепи, от свойств проводника
(размеров и формы) и от относительной магнитной проницаемости среды, в которой находится проводник.
Физическая величина, показывающая зависимость ЭДС самоиндукции от размеров и формы проводника и от среды, в которой находится проводник, называется коэффициентом самоиндукции или индуктивностью.

Индуктивность — физ. величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1Ампер за 1 секунду.
Также индуктивность можно рассчитать по формуле:


где Ф — магнитный поток через контур, I — сила тока в контуре.

Единицы измерения индуктивности в системе СИ:



Индуктивность катушки зависит от:
числа витков, размеров и формы катушки и от относительной магнитной проницаемости среды
(возможен сердечник).


ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока при включении цепи и убыванию силы тока при размыкании цепи.

Вокруг проводника с током существует магнитное поле, которое обладает энергией.
Откуда она берется? Источник тока, включенный в эл. цепь, обладает запасом энергии.
В момент замыкания эл. цепи источник тока расходует часть своей энергии на преодоление действия возникающей ЭДС самоиндукции. Эта часть энергии, называемая собственной энергией тока, и идет на образование магнитного поля.

Энергия магнитного поля равнасобственной энергии тока.
Собственная энергия тока численно равна работе, которую должен совершить источник тока для преодоления ЭДС самоиндукции, чтобы создать ток в цепи.

Энергия магнитного поля, созданного током, прямо пропорциональна квадрату силы тока.
Куда пропадает энергия магнитного поля после прекращения тока? — выделяется (при размыкании цепи с достаточно большой силой тока возможно возникновение искры или дуги)

ВОПРОСЫ К ПРОВЕРОЧНОЙ РАБОТЕ
по теме «Электромагнитная индукция»

1. Перечислить 6 способов получения индукционного тока.
2. Явление электромагнитной индукции (определение).
3. Правило Ленца.
4. Магнитный поток (определение, чертеж, формула, входящие величины, их ед. измерения).
5. Закон электромагнитной индукции (определение, формула).
6. Свойства вихревого электрического поля.
7. ЭДС индукции проводника, движущегося в однородном магнитном поле (причина появления, чертеж, формула, входящие величины, их ед. измерения).
7. Самоиндукция (кратко проявление в электротехнике, определение).
8. ЭДС самоиндукции (ее действие и формула).
9. Индуктивность (определение, формулы, ед. измерения).
10. Энергия магнитного поля тока (формула, откуда появляется энергия м. поля тока, куда пропадает при прекращении тока).

Явление самоиндукции – в чём вред и польза?

Термин индукция в электротехнике означает возникновение тока в электрической замкнутой цепи, если она находится в изменяющемся магнитном потоке. Открыта электромагнитная индукция всего-то двести лет назад Майклом Фарадеем. Значительно раньше это мог бы сделать Андре Ампер, проводивший похожие опыты. Он вставлял в катушку металлический стержень, а затем, вот незадача, шел в другую комнату посмотреть на стрелку гальванометра – а вдруг она шевельнется. А стрелка исправно делала свое дело – отклонялась, но пока Ампер странствовал по комнатам – возвращалась на нулевую отметку. Вот так явление самоиндукции дожидалось еще добрый десяток лет, пока катушка, прибор и исследователь окажутся одновременно в нужном месте.

Главным моментом этого эксперимента было то, что ЭДС индукции возникает только тогда, когда магнитное поле, проходящее через замкнутый контур, изменяется. А вот менять его можно как угодно – или изменять величину самого магнитного поля, или просто перемещать источник поля относительно того же замкнутого контура. ЭДС, которая при этом возникает, назвали “ЭДС взаимоиндукции”. Но это было только начало открытий в области индукции. Еще более удивительным было явление самоиндукции, которое открыл Джозеф Генри примерно в то же время. В его опытах было обнаружено, что магнитное поле катушки не только индуцировало ток в другой катушке, но и при изменении тока в этой катушке, наводило в ней же дополнительную ЭДС. Вот ее-то и назвали ЭДС самоиндукции. В электрических явлениях большое интерес представляет направление тока. Оказалось, что в случае с ЭДС самоиндукции ее ток направлен против своего “родителя” – тока, обусловленного основной ЭДС.

А можно наблюдать явление самоиндукции? Как говорится, нет ничего проще. Соберем две электрические цепи: первая — последовательно включенная катушка индуктивности и лампочка, а вторая – только лампочка. Подключим их к аккумулятору через общий выключатель. При включении можно видеть, что лампочка в цепи с катушкой загорается “нехотя”, а вторая лампочка, более быстрая “на подъем”, включается мгновенно. Что происходит? В обеих цепях после включения начинает протекать ток, причем он изменяется от нуля до своего максимума, а как раз изменения тока и дожидается катушка индуктивности, которая порождает ЭДС самоиндукции. Есть ЭДС и замкнутая цепь – значит, есть и ее ток, но направлен он противоположно основному току цепи, который, в конце концов, достигнет максимального значения, определяемого параметрами цепи, и перестанет расти, а раз нет изменения тока – нет и ЭДС самоиндукции. Все просто. Аналогичная картина, но с “точностью до наоборот”, наблюдается при выключении тока. Верная своей “вредной привычке” противодействовать любому изменению тока, ЭДС самоиндукции поддерживает его протекание в цепи после отключения питания.

Сразу же стал вопрос — в чем заключается явление самоиндукции? Было установлено, что на ЭДС самоиндукции влияет скорость изменения тока в проводнике, и можно записать:

Е = L•dI/dt

Отсюда видно, что ЭДС самоиндукции Е прямопропорциональна скорости изменения тока dI/dt и коэффициенту пропорциональности L, названному индуктивностью. За свой вклад в исследование вопроса, в чем состоит явление самоиндукции, Джордж Генри был вознагражден тем, что его имя носит единица измерения индуктивности — генри (Гн). Именно индуктивность цепи протекания тока определяет явление самоиндукции. Можно представить, что индуктивность – это некое “хранилище” магнитной энергии. В случае увеличения тока в цепи электрическая энергия преобразуется в магнитную, задерживает рост тока, а при уменьшении тока магнитная энергия катушки преобразуется в электрическую и поддерживает ток в цепи.

Наверное, каждому приходилось видеть искру при выключении вилки из розетки – это самый распространенный вариант проявления ЭДС самоиндукции в реальной жизни. Но в быту размыкаются токи максимум 10-20 А, а время размыкания порядка 20 мсек. При индуктивности порядка 1 Гн ЭДС самоиндукции в этом случае будет равна 500 В. Казалось бы, что вопрос, в чем состоит явление самоиндукции, не так и сложен. А на самом деле, ЭДС самоиндукции представляет собой большую техническую проблему. Суть в том, что при разрыве цепи, когда контакты уже разошлись, самоиндукция поддерживает протекание тока, а это приводит к выгоранию контактов, т.к. в технике коммутируются цепи с токами в сотни и даже тысячи ампер. Здесь зачастую речь идет об ЭДС самоиндукции в десятки тысяч вольт, а это требует дополнительного решения технических вопросов, связанных с перенапряжениями в электрических цепях.

Но не все так мрачно. Бывает, что эта вредная ЭДС очень даже полезна, например, в системах зажигания ДВС. Такая система состоит из катушки индуктивности в виде автотрансформатора и прерывателя. Через первичную обмотку пропускается ток, который выключается прерывателем. В результате обрыва цепи возникает ЭДС самоиндукции в сотни вольт (при этом аккумулятор дает всего 12В). Дальше это напряжение дополнительно трансформируется, и на свечи зажигания поступает импульс больше 10 кВ.

Статические электромагнитные помехи, приложения, примеры решений

Собственная индуктивность катушки с током — это свойство, благодаря которому она противодействует изменению тока, протекающего через нее. В основном это связано с ЭДС самоиндукции внутри самой катушки. Проще говоря, мы можем сказать, что самоиндукция — это явление, при котором возникает напряжение (ЭДС), индуцируемое в проводе, по которому течет электрический ток.

Когда к катушке подключен заряженный конденсатор, на катушке наблюдается переменная разность потенциалов.Эта комбинация называется осциллятором. Переменный потенциал наблюдается благодаря принципу электромагнитной самоиндукции. Когда к одинарной катушке прикладывается изменяющаяся во времени разность потенциалов, в катушке индуцируется ЭДС из-за самоиндукции. Когда вторая катушка подносится к первой катушке, на другую катушку также действует ЭДС индукции. Этот процесс называется взаимной индукцией.

Нам всем очень нравится идея беспроводной зарядки наших телефонов. В основе беспроводной зарядки лежит концепция взаимной индукции между двумя катушками.Катушка внутри телефона и катушка внутри зарядного устройства. Магнитный поток, обусловленный катушкой в ​​зарядном устройстве, непрерывно изменяется, благодаря чему в катушке внутри телефона индуцируется ЭДС.

В этой статье мы изучим концепцию самоиндукции, факторы, от которых она зависит, ее применение и ограничения.

Узнайте все об электромагнитной индукции

Магнитный поток

Общее количество линий магнитного поля (силовых магнитных линий), проходящих нормально через область, помещенную в магнитное поле, называется магнитным потоком, связанным с этой областью.

Для элементарной площади \(dA\) поверхности, связанной потоком \(d\phi = BdA\cos\theta\) или \(d\phi = \overrightarrow B \,\overrightarrow {dA} \)

Таким образом, чистый поток через поверхность \(\phi = \oint {\overrightarrow B .} \overrightarrow {dA} = BA\,\cos \,\theta \)

Для — \(N\) витков катушки \(\phi = NBA\cos\theta\)

(1) Единица и размер

Магнитный поток является скалярной величиной.

 Его единица измерения в системе СИ — вебер (вб),

. Блок

CGS — Maxwell или

\({\rm{Гаусс}} \times {\rm{c}}{{\rm{m}}^2};1{\rm{wb}} = {10^8}{\rm{Максвел }}\)

Другие единицы:

\(Тесла\, \times {м^2} = {{N \times m} \over {Ампер}} = {{Джоуль} \over {Ампер}} = {{вольт \times Кулон} \over {Ампер }} = Вольт \times \sec  = ohm\, \times \,Coulomb\)
\( = Генри \times Amp\)

Его размерная формула

\([\phi ] = \left[ {M{L^2}{T^{ – 2}}{A^{ – 1}}} \right]\)

(2) Максимальный и нулевой поток

Если \(\theta  = {0^ \circ },\) i.\circ }\) т.е. плоскость параллельна направлению магнитного поля, тогда поток, связанный с поверхностью, равен нулю.

\({\phi _{\max}} = BA;{\phi _{\min}} = 0\)

 

Примечание:

  1. В случае присутствия тела в поле, однородном или неоднородном, внешний поток считается положительным, а внутренний отрицательным, а чистый поток, связанный с замкнутой поверхностью, равен нулю, т.е. \(\phi = \oint {\ стрелка B .\overrightarrow {ds} } \)

Эксперимент Фарадея и законы

(1) Первый эксперимент

Катушка связывает часть магнитного потока от источника \(S\). Предположим, что между источником \(S\) и катушкой происходит относительное движение, при котором поток, связанный с катушкой, изменяется, в ней индуцируется ток.

(2) Второй эксперимент

Рассмотрим две катушки, расположенные, как показано на рисунке. Пропустите постоянный ток в одной катушке.Магнитный поток первой катушки связывает другую. Если ток в первой катушке изменяется, во второй индуцируется электрический ток.

(3) Первый закон Фарадея 

Всякий раз, когда магнитный поток, связанный с цепью, изменяется (или движущийся проводник пересекает магнитный поток), в цепи индуцируется ЭДС (или ЭДС на концах проводника), называемая ЭДС индукции. ЭДС индукции сохраняется только при изменении или сокращении потока. Этот закон называют первым законом Фарадея.

(4) Второй закон Фарадея

ЭДС индукции определяется как скорость изменения магнитного потока, связанного с цепью, т.е. \(e =  – \frac{{d\phi}}{{dt}}\) Для \(N\) витков ({\rm{e}} = – \frac{{Nd\phi}}{{dt}}\)

Знак минус указывает на то, что ЭДС индукции \((e)\) препятствует изменению потока. Этот закон называется вторым законом Фарадея.

Статические электромагнитные помехи

Индуктивность — это свойство электрических цепей, которое противодействует любому изменению тока в цепи.

Индуктивность является неотъемлемым свойством электрических цепей. Он всегда будет присутствовать в электрической цепи, хотим мы этого или нет; если при изменении тока в цепи индуцируется большая ЭДС, говорят, что она имеет большую индуктивность. Прямой провод с током без железной части в цепи будет иметь меньшее значение индуктивности. Если цепь содержит круглую катушку с множеством витков, ЭДС индукции, противодействующая причине, будет больше, и говорят, что цепь имеет более высокое значение собственной индуктивности.

Индуктивность называется электрической инерцией: Индуктивность аналогична инерции в законах движения Ньютона (механика). Покоящееся тело сопротивляется любой попытке привести его в движение, а тело в движении сопротивляется любой попытке привести его в состояние покоя по инерции. Индуктивность электрической цепи противодействует любому изменению тока в цепи; таким образом, это также называется электрической инерцией.

Самоиндукция

Всякий раз, когда электрический ток проходит через катушку или цепь, изменяется связанный с ней магнитный поток.В результате в катушке или цепи индуцируется ЭДС по законам электромагнитной индукции Фарадея. Индуцированная ЭДС противодействует вызывающему ее изменению. Это явление называется «самоиндукцией», а результирующая индуцированная ЭДС называется обратной ЭДС; ток, создаваемый в катушке, называется индуктивным током.

i) Коэффициент самоиндукции: Если вблизи катушки нет магнитных веществ, число потокосцеплений с катушкой пропорционально току \(i\).т.е. \(N\phi  \propto i\) или  \(N\phi  = Li\) (\(N\) — число витков в катушке и \(N\phi – \) общий потокосцепление), где \ (L = \frac{{N\phi}}{i} = \) коэффициент самоиндукции. Если , \(i = 1 {\rm{amp}}\) \(N = 1\), то \(L = \phi \), т.е. коэффициент самоиндукции катушки равен потоку, связанному с катушку, когда ток в ней составляет \(1\) ампер.

По второму закону Фарадея ЭДС индукции . \(e = – N\frac{{d\phi}}{{dt}}\) Что дает \(e = – L\frac{{di}}{{dt}}\) ; Если

\(e =  – L\frac{{di}}{{dt}}\), тогда \(|e| = L\).

Следовательно, коэффициент самоиндукции равен ЭДС индукции в катушке, когда скорость изменения тока равна единице.

Примечание:

  1. Если мы хотим рассчитать ЭДС индукции в индукторе, то используем формулу , а когда нас просят рассчитать напряжение на индукторе, то используем формулу \(e =  – L\frac{{di} }{{dt}}\), и когда нас просят рассчитать напряжение \(V\)  на катушке индуктивности, мы используем формулу \(V = |e| = \frac{{di}}{{dt} } \times L\)

(ii) Единицы и размерная формула ‘L’ S.9}\)
аб-генри.

(iii) Зависимость от собственной индуктивности \((L)\) : \(‘L’\) не зависит от протекающего тока или изменения протекающего тока. Тем не менее, это зависит от количества витков \((N)\), площади поперечного сечения \((A)\) и проницаемости среды \((\mu )\). (Мягкое железо имеет большую магнитную проницаемость, следовательно, большую собственную индуктивность)», не играет никакой роли до тех пор, пока в цепи не будет течь постоянный ток. ” вступает в игру только при изменении тока \(L\).2}}}{{{\mu _0}}}\)

\((V)\) Расчет собственной индуктивности для катушки с током: Если катушка любой формы, имеющая \(N\ ) витков несет ток , тогда общий поток, связанный с катушкой \(N\phi  = Li\) Также \(\phi  = BA\cos \theta \), где \(B = \) магнитное поле, создаваемое в центре катушки катушка из-за ее тока; = Площадь каждого поворота; = Угол между нормалью к плоскости катушки и направлением магнитного поля.

Самоиндукция круглой катушки

Рассмотрим круглую катушку из \(N\) витков, по которой течет ток \(i\) , и каждый виток имеет радиус \(r\).2}}}\left( r \right) \Стрелка вправо L\,\alpha \,\frac{l}{r}\)

Например, если провод длиной \(l\) сначала изогнут в одновитковой круглой катушке, а затем в двухвитковой (концентрической копланарной) катушке, используя \(L\,\alpha \,N\), мы можем сказать, что \(L\) во втором случае вдвое больше, чем в первом.

Самоиндукция других тел
квадратная катушка треугольной катушки 99 соленоид

Toroid

Toroid
\ (B = \ \ frac {{{\ mu _ 0 }}}{{4\пи }}.2}r}}{2}\)

Примечание:
1. Индуктивность на концах соленоида равна половине его индуктивности в центре, т.е.

Применение собственной индуктивности

Основной функцией катушки индуктивности является накопление электрической энергии в виде магнитного поля. Катушки индуктивности используются в следующих устройствах:

1. Цепи настройки
2. Датчики
3. Аккумулирование энергии в устройстве
4. Асинхронные двигатели
5. Трансформаторы
6.Фильтры
7. Дроссели
8. Ферритовые кольца
9. Катушки индуктивности, используемые в качестве реле

Ограничения катушек индуктивности
  1. Катушка индуктивности ограничена по пропускной способности по току своим сопротивлением и рассеивает тепло в соответствии с законом нагревания Джоуля.
  2. Катушки индуктивности в чистом виде нелегко изготовить из-за размера и паразитных эффектов, тогда как конденсаторы относительно легко изготовить из-за незначительных паразитных эффектов.2} = 37.2}.\)

    Сводка
    1. Если стержневой магнит движется к неподвижной проводящей катушке, то в катушке индуцируются ЭДС, ток и заряд из-за изменения потока. Если скорость магнита увеличивается, то ЭДС индукции и индукционный ток увеличиваются, но индуцированный заряд остается прежним.
    2. Тонкий длинный провод из материала с высоким удельным сопротивлением ведет себя преимущественно как резистор. Он также имеет некоторое количество индуктивности, а также емкость.Получить чистый резистор непросто. Точно так же непросто получить чистый конденсатор, а также чистый индуктор.
    3. Эффект самоиндукции может быть устранен так же, как и катушки в ячейке сопротивления, путем дублирования катушки на самой себе.
    4. Невозможно иметь взаимную индуктивность без самоиндукции, но это может быть возможно без взаимной индуктивности.
    5. Поведение катушки индуктивности в цепи сильно отличается от поведения резистора. В то время как резистор противостоит току, индуктор противостоит изменению \(\frac{{di}}{{dt}}\) в цепи.
    6. Самоиндукцию соленоида можно увеличить, вставив сердечник из мягкого железа. Функция сердечника заключается в улучшении потокосцепления между витками катушки.

    Часто задаваемые вопросы по самоиндукции

    Q.1. От каких факторов зависит самоиндукция?
    Ответ: Собственная индуктивность катушки зависит от площади поперечного сечения катушки (А), количества витков на единицу длины в катушке (n), длины соленоида (l) и проницаемости материал сердцевины (μ).

    Q.2. В каких устройствах используется самоиндукция?
    Ответ: Асинхронные двигатели, трансформаторы, потенциометр — это устройство, работающее по принципу самоиндукции.

    Q.3. Что такое самоиндукция катушки?
    Ответ: Самоиндукция — это склонность катушки сопротивляться изменениям тока в самой себе. Всякий раз, когда ток изменяется через катушку, они индуцируют ЭДС, которая пропорциональна скорости изменения тока через катушку.

    Q.4. Как происходит самоиндукция?
    Ответ: Самоиндукция определяется как индукция напряжения в проводе с током при изменении тока в самом проводе.

    Q.5. Почему самоиндукция называется инерцией?
    Ответ: Самоиндукция катушки индуктивности сопротивляется изменению тока в цепи. Это свойство также называют инерцией электричества.

    В.6. Что вы подразумеваете под самоиндукцией?
    Ответ: ЭДС индукции в цепи переменным током в той же цепи.

    В.7. Что такое единица самоиндукции?
    Ответ: Единицей самоиндукции является Генри \((H)\).

    Узнайте все о взаимной индукции здесь

    Мы надеемся, что эта статья о самоиндукции помогла вам. Если у вас есть какие-либо вопросы, оставьте комментарий ниже, и мы свяжемся с вами.

    310 Просмотров

    Определение самоиндукции ЭДС. Чему равна ЭДС самоиндукции

    ?

    Изобретение относится к электротехнике, в частности к конструкциям генераторов индукционного тока, и может быть использовано в электромагнитных установках и электрических машинах, например в двигателях, генераторах, трансформаторах, в частности, в качестве повышающего трансформатора. Технический результат заключается в повышении выходной ЭДС за счет использования импульсных напряжений на вторичной обмотке и реализации конструкции вторичной обмотки, которая позволяла бы непосредственно снимать возникающее импульсное напряжение с генератора, и в то же время суммарное мощность первичной и вторичной обмоток.6 в.п. ф-лы, 2 ил.

    Рисунки к патенту РФ 2524387

    Изобретение относится к электротехнике, в частности к конструкциям импульсных асинхронных генераторов тока.

    Целью данного изобретения является использование импульсного генератора ЭДС самоиндукции для обеспечения импульсным питанием различных электромагнитных установок и электрических машин, что позволяет значительно расширить арсенал импульсных источников энергии. Из уровня техники известен «Асинхронный синхронный генератор», Заявка RU 9811934 7, опубл.10.09.2000, МПК Н02К 21/14, с использованием токов обмотки статора, в якоре которой токи пульсируют, и индуктора (ротора), выполненного защищенным от магнитного поля токов обмотки якоря статора. Позволяет расширить режимы работы генератора. Однако генератор содержит вращающиеся части, а значит, в нем есть все недостатки таких генераторов, т.е. не решены проблемы, связанные с коммутацией электроэнергии. В предлагаемой конструкции невозможно получить требуемое высокое напряжение.

    Известен «Электрогенератор», заявка RU 9402533 5, опубл. 10.06.1996, МПК H02K 19/16, содержащие составные кольцевые обмотки с сердечником, индукционной катушкой и обмоткой возбуждения. Он позволяет повысить производительность генератора электрической энергии, уменьшить индуктивное сопротивление обмотки статора, снизить затраты механической работы при преобразовании механической энергии в электрическую и повысить КПД. Однако генератор в силу конструктивных особенностей не позволяет использовать ЭДС самоиндукции.Генератор содержит вращающиеся части, а, следовательно, имеет все недостатки таких генераторов, т.е. не решены проблемы, связанные с коммутацией электричества.

    Известна полезная модель «Комбинированная электромагнитная обмотка», патент RU 96443, опубл. 27.07.2010, МПК H01F 5/00, в котором имеется две и более жилы с выводами, причем жилы разделены диэлектриком. Позволяет расширить режимы работы. Однако в качестве первичной обмотки используются оба проводника, вторичная обмотка высокого напряжения отсутствует, что не позволяет использовать обмотку в трансформаторах высокого напряжения, а также не обеспечивает снятие и использование ЭДС индукции со вторичной обмотки.

    Наиболее близкой заявкой на изобретение является «Индуктивно-статический способ получения электрической энергии и устройство для его осуществления», RU 2004124018, опубл. 27.01.2006, МПК H01F 1/00, в соответствии с которым имеется первичная и вторичная обмотки, образующие индуктор с переходом свободной магнитной энергии в индуктивно зависимое состояние, а наводится индукция ЭДС и происходит уплотнение магнитного потока получается пропорционально увеличению электрической мощности. Это позволяет использовать вторичную обмотку с меньшей плотностью магнитного потока индуктивности, чем достигается пропорциональное уплотнение и увеличение электрической мощности генератора.Метод использует индукционный и одновременно статический методы генерации. Однако не предложена конструкция вторичной обмотки генератора, позволяющая напрямую снимать с генератора возникающее импульсное напряжение и ток ЭДС самоиндукции.

    Также наиболее близким решением является классическая электрическая схема для экспериментов по демонстрации электромагнитной индукции при разомкнутой цепи. Эта схема (устройство) функционально является импульсным генератором ЭДС самоиндукции.В связи с вышеизложенным в качестве прототипа примем установку, изображенную на чертеже — рис. 424 с. 221, учебник: Курс физики, часть вторая, изд. «Наука», Москва, 1970. Авторы: Л.С. Жданов, В.А. Маранжан.

    Однако в классической схеме сердечник из электротехнической стали конструктивно не способен одновременно выполнять в устройстве две функции: электропроводящей обмотки и классической, как на рис. 424 прототипа, магнитопровода, т. е. сердечника (М) индукционной катушки.Прототип не допускает прямого снятия и использования ЭДС самоиндукции, возникающей в сердечнике классической индукционной катушки.

    Задачей изобретения является использование импульсных напряжений и выполнение конструкции вторичной обмотки генератора, которая позволяла бы осуществлять непосредственный съем с генератора возникающих импульсных напряжений.

    Технический результат, который обеспечивает предлагаемое техническое решение, заключается в значительном расширении арсенала средств импульсной генерации и преобразования электроэнергии.Заявленный технический результат обеспечивается тем, что импульсный генератор ЭДС самоиндукции конструктивно выполнен в виде первичной и вторичной обмоток однофазного повышающего трансформатора в типовом техническом исполнении (с учетом того, что вторичная обмотка является как функционально электрическим проводником, так и магнитопроводом, представленную конструкцию предлагается рассматривать как простейшую индукционную катушку с сердечником, конструктивно выполненным в виде спиральной катушки с возможностью отвода от ЭДС самоиндукции) и они снабжены двумя или более проводниками, которые разделены изолятором, и каждый проводник имеет клеммы.Генератор отличается тем, что первичная обмотка (проводник) низкого напряжения выполнена спирально-ленточной и имеет не менее 2-х витков, намотанных наглухо или с небольшим зазором, виток к витку, намоточная лента выполнена шириной 120 до 200 мм и толщиной от 1 до 2 мм; вторичная обмотка (проводник) ВН выполнена также из спиральной ленты, обмоточная лента выполнена из электротехнической стали, покрытой электроизоляцией, и имеет не менее 100 витков, намотанных наглухо или с небольшим зазором, виток к витку, лента изготавливается шириной от 120 до 200 мм и толщиной не более 0.1 мм. Первичная обмотка электрически связана с низковольтной аккумуляторной батареей через ключевой прерыватель, образуя замкнутую электрическую цепь, где вторичная обмотка является одновременно электропроводящей обмоткой и магнитопроводом. При этом витки первичной обмотки располагаются вне витков вторичной обмотки так, что обе обмотки образуют повышающий трансформатор, у которого вторичная обмотка представляет собой индукционную катушку высоковольтного трансформатора, обеспечивающую электропроводность за счет лента из электротехнической стали, изолированная внешним слоем изоляции и одновременно выполняющая функцию сердечника для первичной обмотки, ЭДС снимается с помощью проводников, электрически соединенных с концами ленты вторичной обмотки, и получаемые за счет периодического переключения ключа прерывателя, и обеспечивающие при работе ключа частоты импульсов вычисленные импульсы напряжения и тока, возникающие во вторичной обмотке по формуле

    где — где L — индуктивность цепи или коэффициент пропорциональности между скоростью изменения силы тока в цепи и возникающей ЭДС самоиндукции,

      — скорость изменения c ток в электрической цепи

    В особых случаях первичная обмотка может быть выполнена из медного или алюминиевого проводника, может иметь 3 и более витков, число витков ограничивается коэффициентом трансформации: отношение числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки, определяющее коэффициент трансформации, т.е.е. на сколько напряжение во вторичной обмотке больше, чем в первичной. Например, низковольтная батарея может быть рассчитана на 12-24 вольта и является источником постоянного тока. В частности, ключ-прерыватель прерывистого действия периодически работает на промышленном переменном токе частотой 50 Гц. При этом частоты могут быть любыми технически возможными для реализации, но лучше 50 Гц, так как их проще преобразовать или потреблять с помощью имеющихся стандартных преобразователей или электроприборов. Расчетная ЭДС самоиндукции во вторичной обмотке обеспечивается, в частности, геометрией цепи и магнитными свойствами сердечника для первичной обмотки.Так он может быть выполнен с контурной формой, выполненной круглой диаметром 150 мм и более, что зависит от коэффициента трансформации, который будет определять диаметр вторичной обмотки в зависимости от толщины используемой электротехнической стали, или круглой спиральная форма. Поскольку вторичная обмотка является обмоткой высокого напряжения и выполнена из электротехнической стали, то это означает, что ее магнитные свойства определяются самим материалом (т. е. магнитными свойствами самой электротехнической стали).

    Изобретение в самом общем виде поясняется чертежами. Конкретный вариант осуществления не ограничивается вариантами осуществления, показанными на чертежах.

    На рис. 1 показана схема первичной и вторичной обмоток и аккумулятора с ключом-прерывателем.

    На рисунке 2 показано сечение а-а по соединенным вторичной и первичной обмоткам.

    Данное техническое решение поясняется чертежом, который не охватывает все возможные варианты исполнения представленной схемы подключения.

    Устройство Импульсного ЭДС генератора ЭДС самоиндукции показано на рис. 1 и рис. 2 (в разрезе), а конструктивно это устройство выполнено в виде однофазного повышающего трансформатора (а также конструктивно представляет собой простейшую индукционную катушку), которая состоит из первичной (1) спирально-ленточной обмотки (медный или алюминиевый проводник), 2-3 витков толщиной 1-2 мм, шириной 120 мм, подключаемой к аккумуляторной батарее (2) низкого напряжения 12-24 В — источник постоянного тока через выключатель (3), образующий замкнутую электрическую цепь.

    Вторичная спирально-ленточная обмотка высокого напряжения (4) из электротехнической стали, покрытая электроизоляцией, имеет число витков 100 и более, толщину ленты 0,1 мм, ширину 120 мм.

    Вторичная обмотка (4) из электротехнической стали выполняет в конструкции одновременно две функции: электропроводящей обмотки и магнитопровода.

    В качестве электрического проводника вторичная обмотка (4) представляет собой высоковольтную индукционную катушку повышающего трансформатора.

    В качестве магнитопровода вторичная обмотка (4) является сердечником для первичной обмотки (2) классической индукционной катушки.

    Первичная (1) и вторичная (4) обмотки однофазного повышающего трансформатора снабжены двумя или более проводниками (5), жилы вторичной обмотки имеют вывод (6) — т.е. ЭДС снимается с помощью проводников (5, 6), электрически соединенных с концами ленты вторичной обмотки и получаемых за счет периодического срабатывания прерывающего ключа (3). При этом токи, возникающие во вторичной обмотке, рассчитывают по формуле

    , где L — индуктивность цепи или коэффициент пропорциональности между скоростью изменения силы тока в цепи первичной обмотки (1) и результирующей ЭДС самоиндукции во вторичной обмотке (2),

      — скорость изменения силы тока в электрической цепи первичной обмотки (1) вследствие прерывания ключа (3).

    Периодическая работа ключевого прерывателя (3) осуществляется при промышленной частоте переменного тока 50 Гц. Расчетная ЭДС самоиндукции во вторичной обмотке (4) обеспечивается геометрией контура вторичной обмотки (4) и магнитными свойствами сердечника (4) для первичной обмотки (1).

    Форма контура, полученного первичной (1) и вторичной (4) обмотками, в представленном варианте выполнена круглой диаметром 150 мм и более.

    Устройство работает следующим образом.

    При замыкании первичной цепи (1) ключом (3) возникает магнитное поле, энергия которого запасается в магнитном поле вторичной обмотки (4).

    Размыкание ключа (3) цепи первичной обмотки (1) образует убывающий ток, который по правилу Ленца стремится поддержать ЭДС наведенной индукции вторичной обмотки (4).

    В результате энергия, запасенная в магнитном поле вторичной обмотки (4), преобразуется в дополнительную энергию тока самоиндукции первичной обмотки (1), которая питает электрическую цепь вторичной обмотки (4 ).

    В зависимости от количества магнитной энергии, запасенной в цепи вторичной обмотки (4) магнитной энергии, мощность тока самоиндукции может быть разной и определяется по известной формуле:

    Таким образом, данное изобретение достигается технический результат, заключающийся в том, что конструкция, материал и двойное функциональное назначение вторичной обмотки устройства позволяют снять и эффективно использовать возникающую ЭДС самоиндукции.

    Промышленная применимость заявляемого технического решения подтверждается общими законами физики.Так, эффект самоиндукции описан в учебнике (Л.С. Жданов, В.А. Маранджян, Курс физики для средних специальных учебных заведений, ч. 2 электричество, изд., стр. 231,232,233). Самоиндукция возникает при размыкании цепи, она прямо пропорциональна скорости изменения тока в электрической цепи. В традиционных схемах явление самоиндукции всегда сопровождается появлением искры, возникающей в месте разрыва цепи. Поскольку в предлагаемой конструкции отсутствует разрыв электрической цепи во вторичной обмотке (4) за счет ее конструкции, в зависимости от количества запасенной в этой цепи магнитной энергии ток отключения не возникает, а переходит в вырабатываемую мощность .Таким образом, в конструкции вторичной обмотки (4) при размыкании цепи постоянного тока в первичной обмотке (1) энергия, запасенная в магнитном поле этой цепи, преобразуется в энергию тока самоиндукции во вторичной цепь (4).

    Поскольку электродвижущей силой (ЭДС) называют величину, равную работе внешних сил, то в нашем случае это изменяющееся магнитное поле первичной катушки (1), отнесенное к единице положительного заряда, это ЭДС действующая в цепи или на ее участке, в нашем случае это вторичная обмотка (4).Сторонние силы можно охарактеризовать работой, которую они совершают над зарядами, движущимися по цепи, причем размерность ЭДС совпадает с размерностью потенциала и измеряется в тех же единицах. Поэтому векторную величину Е называют еще напряженностью поля внешних сил. Поле внешних сил в нашем случае возникает за счет переменного магнитного поля в первичной обмотке (1). Таким образом, ЭДС, действующая в замкнутом контуре, может быть определена как циркуляция вектора напряженности поля внешних сил, т.е.е. посторонние силы, возникающие в первичной обмотке (1) из-за прерывания электрического поля прерывающим ключом (3). Это правило обеспечивает возникновение ЭДС индукции во вторичной обмотке (4). Это физическое явление описано в учебнике (Савельев И.В., Курс физики, том 2, электричество, стр. 84,85, изд. Второе стереотипное, изд. Наука, основное издание физико-математической литературы, М., 1966 г.)

    Помимо внешних сил, непосредственно на заряд действуют силы электростатического поля, которые возникают непосредственно во вторичной обмотке (4).

    В приборе также используется явление электромагнитной индукции, описанное в (Мустафаев Р.А., Кривцов В.Г. Учебник физики в помощь абитуриентам, изд. М., Высшая школа, 1989).

    Таким образом, конструкция генератора, используемого в предлагаемом изобретении в качестве устройства, позволяет эффективно генерировать, снимать и использовать ЭДС самоиндукции. Таким образом, устройство может быть изготовлено в промышленных масштабах и реализовано в качестве перспективного эффективного импульсного генератора ЭДС самоиндукции, что позволяет расширить арсенал технических средств импульсной генерации и преобразования электроэнергии.

    ПРЕТЕНЗИЯ

    1. Генератор импульсов ЭДС самоиндукции, конструктивно выполненный в виде однофазного повышающего трансформатора, состоящий из первичной и вторичной обмоток и снабженный двумя или более проводниками, разделенными диэлектриком, и проводник имеет выводы, отличающиеся тем, что первичная низковольтная обмотка выполнена спирально-ленточной и имеет не менее двух витков, намотанных вплотную или на небольшом расстоянии друг от друга, лента обмотки выполнена шириной 120-200 мм и толщиной 1-2 мм; вторичная обмотка высокого напряжения также выполнена из спиральной ленты, лента обмотки выполнена из электротехнической стали, покрытой электроизоляцией, имеет не менее 100 витков, намотанных плотно или на небольшом расстоянии друг от друга, лента выполнена из шириной 120-200 мм и толщиной не более 0,1 мм первичная обмотка электрически соединена с низковольтной батареей через выключатель с образованием замкнутой электрической цепи, а вторичная обмотка одновременно электрически токопроводящие и магниевые в этом случае витки первичной обмотки расположены вне витков вторичной обмотки таким образом, что обе обмотки образуют повышающий трансформатор, в котором вторичная обмотка представляет собой индукционную катушку повышающего трансформатор, обеспечивающий электропроводность за счет ленты из электротехнической стали, изолированной внешним изоляционным слоем, и одновременно выполняющий функцию сердечника для первичной обмотки, ЭДС снимается мной Аны проводников электрически соединяют с концами ленты вторичной обмотки, и получают для четного периодического прерывания ключ.

    2. Генератор импульсов ЭДС самоиндукции по п.1, отличающийся тем, что первичная обмотка выполнена из медного или алюминиевого проводника.

    3. Генератор импульсов ЭДС самоиндукции по п.1, отличающийся тем, что первичная обмотка имеет три витка.

    4. Импульсный генератор ЭДС самоиндукции по п.1, отличающийся тем, что низковольтная батарея рассчитана на напряжение 12-24 вольта и является источником постоянного тока.

    5.Генератор импульсов ЭДС самоиндукции по п.1, отличающийся тем, что ключ-прерыватель прерывистого действия работает в повторно-кратковременном режиме на промышленном переменном токе частотой 50 Гц.

    6. Генератор импульсов ЭДС самоиндукции по п.1, отличающийся тем, что расчет ЭДС самоиндукции обеспечивается геометрией контура и магнитными свойствами сердечника для первичной обмотки.

    7. Генератор импульсов ЭДС самоиндукции по п.1, отличающийся тем, что форма контура выполнена круглой диаметром 150 мм и более.

    Электромагнитная индукция — генерация электрических токов магнитными полями, меняющимися во времени. Открытие Фарадеем и Генри этого явления внесло некоторую симметрию в мир электромагнетизма. Максвелл в одной теории смог собрать знания об электричестве и магнетизме. Его исследования предсказали существование электромагнитных волн до экспериментальных наблюдений. Hertz доказали их существование и открыли человечеству эру телекоммуникаций.

    jpg? .jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/1-14-210×140..jpg 614w» размеры =» (max-width: 600px) 100vw, 600px»>

    Эксперименты Фарадея

    Законы Фарадея и Ленца

    Электрические токи создают магнитные эффекты Может ли магнитное поле генерировать электрические Фарадей обнаружил, что желаемые эффекты возникают в результате изменения MP во времени

    Когда проводник пересекает переменный магнитный поток, в нем индуцируется электродвижущая сила, вызывающая электрический ток.Система, генерирующая ток, может быть постоянным магнитом или электромагнитом.

    Явление электромагнитной индукции подчиняется двум законам: Фарадея и Ленца.

    Закон Ленца позволяет охарактеризовать электродвижущую силу относительно ее направления.

    Важно!  Направление наведенной ЭДС таково, что вызванный ею ток имеет тенденцию сопротивляться причине, которая его создает.

    Фарадей заметил, что интенсивность индуцированного тока увеличивается, когда число силовых линий, пересекающих цепь, изменяется быстрее.Другими словами, ЭДС электромагнитной индукции находится в прямой зависимости от скорости движущегося магнитного потока.

    jpg? .jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/2-10-768×454..jpg 960w» размеры =» (max-width: 600px) 100vw, 600px»>

    ЭДС индукции

    Формула ЭДС индукции определяется как:

    E = — dF/dt

    Знак «-» показывает, как полярность ЭДС индукции связана со знаком расхода и изменение скорости.

    Получена общая формулировка закона электромагнитной индукции, из которой можно вывести выражения для частных случаев.

    Движение провода в магнитном поле

    Когда провод длиной l движется в магнитном поле с индукцией B, внутри него индуцируется ЭДС, пропорциональная его линейной скорости v. Для расчета ЭДС используется формула:

    • в случае движения проводника перпендикулярно направлению магнитного поля:

    Е = — В х л х в;

    • в случае движения под другим углом α:

    Е = — В х л х v х sin α.

    ЭДС индукции и ток будут направлены в ту сторону, которую найдем по правилу правой руки: расположив руку перпендикулярно силовым линиям магнитного поля и указав большим пальцем в сторону направления движения проводника, узнать направление ЭДС можно по оставшимся четырем выпрямленным пальцам.

    jpg? X15027 «alt=»(! ЯЗЫК: Подвижные провода в МП»>!}

    Подвижные провода в МП

    Вращающаяся катушка

    Работа электрогенератора основана на вращении контура в магнитном поле, имеющем Н оборотов.

    ЭДС всегда индуцируется в цепи при пересечении ее магнитным потоком, в соответствии с определением магнитного потока Φ = B x S x cos α (магнитная индукция, умноженная на площадь поверхности, через которую проходит магнитное поле, и на косинус угла, образованного вектором B и перпендикуляром к плоскости S).

    Из формулы следует, что f подвержена изменениям в следующих случаях:

    • изменения интенсивности мР — вектор В;
    • площадь, ограниченная контуром, изменяется;
    • ориентация между ними, заданная углом, меняется.

    В первых опытах Фарадея наведенные токи были получены путем изменения магнитного поля В. Однако можно наводить ЭДС, не перемещая магнит или изменяя ток, а просто вращая катушку вокруг своей оси в магнитном поле . В этом случае магнитный поток изменяется за счет изменения угла α. При вращении катушка пересекает линии магнитного поля, возникает ЭДС.

    Если катушка вращается равномерно, это периодическое изменение приводит к периодическому изменению магнитного потока.Или число МТ силовых линий, пересекаемых каждую секунду, принимает равные значения через равные промежутки времени.

    jpg? .jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/4-10-768×536..jpg 900w» размеры =» (max-width: 600px) 100vw, 600px»>

    Вращение контура в МП

    Важно!  ЭДС индукции меняется с ориентацией с течением времени с положительной на отрицательную и наоборот.Графическое представление ЭДС представляет собой синусоидальную линию.

    Для формулы ЭДС электромагнитной индукции используется выражение:

    E = B x ω x S x N x sin ωt, где:

    • S — площадь, ограниченная одним витком или кадром;
    • N – количество витков;
    • ω — угловая скорость вращения катушки;
    • В — индукция МП;
    • угол α = ωt.

    На практике в генераторах переменного тока катушка часто остается неподвижной (статор), а вокруг нее вращается электромагнит (ротор).

    ЭДС самоиндукции

    При прохождении переменного тока через катушку в ней возникает переменное магнитное поле с переменным магнитным потоком, индуцирующим ЭДС. Этот эффект называется самоиндукцией.

    Поскольку магнитное поле пропорционально силе тока, то:

    где L — индуктивность (Гн), определяемая геометрическими величинами: числом витков на единицу длины и размером их поперечного сечения.

    Для индукции ЭДС формула принимает вид:

    E = — L x dI/dt.

    Взаимная индукция

    Если две катушки расположены рядом, то в них индуцируется ЭДС взаимной индукции, зависящая от геометрии обоих цепей и их ориентации относительно друг друга. При увеличении разнесения цепей взаимная индуктивность уменьшается, так как магнитный поток, соединяющий их, уменьшается.

    jpg? .jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/5-5.jpg 680w» размеры =» (max-width: 600px) 100vw, 600px»>

    Взаимная индукция

    Пусть будет две катушки.По проводу одной катушки с N1 витками протекает ток I1, создающий магнитное поле, проходящее через катушку с N2 витками. Тогда:

    1. Взаимная индуктивность второй катушки относительно первой:

    М21 = (Н2 х Ф21)/И1;

    1. Магнитный поток:

    Ф21 = (М21/Н2) х I1;

    1. Найти ЭДС индукции:

    Е2 = — N2 х dF21/dt = — M21x dI1/dt;

    1. То же, в первой катушке индуцируется ЭДС:

    Е1 = — М12 х dI2/dt;

    Важно! Электродвижущая сила, вызванная взаимной индукцией в одной катушке, всегда пропорциональна изменению электрического тока в другой.

    Взаимную индуктивность можно считать равной:

    М12 = М21 = М.

    Соответственно, Е1 = — М х dI2/dt и Е2 = М х dI1/dt.

    M = K √ (L1 x L2),

    где K — коэффициент связи между двумя индуктивностями.

    Явление взаимной индукции используется в трансформаторах — электрических устройствах, позволяющих изменять величину напряжения переменного электрического тока. Устройство состоит из двух катушек, намотанных на один сердечник.Ток, присутствующий в первой, создает изменяющееся магнитное поле в магнитной цепи и электрический ток в другой катушке. Если число витков первой обмотки меньше, чем другой, напряжение увеличивается, и наоборот.

    Это явление называется самоиндукцией. (Понятие родственно понятию взаимной индукции, являясь как бы его частным случаем).

    Направление ЭДС самоиндукции всегда оказывается таким, что при увеличении тока в цепи ЭДС самоиндукции препятствует этому увеличению (направлена ​​против тока), а при уменьшении тока уменьшается (со -направление по течению).По этому свойству ЭДС самоиндукции аналогична инерции.

    Значение ЭДС самоиндукции пропорционально скорости изменения силы тока:

    .

    Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом самоиндукции или индуктивностью цепи (катушки).

    Самоиндукция и синусоидальный ток

    При синусоидальной зависимости тока, протекающего через катушку, от времени ЭДС самоиндукции в катушке отстает от фазы тока (на 90°), а амплитуда этой ЭДС пропорциональна амплитуде тока, частоте , и индуктивность ().Ведь скорость изменения функции также является ее первой производной.

    Для расчета более или менее сложных цепей, содержащих индуктивные элементы, то есть витки, катушки и др. устройств, в которых наблюдается самоиндукция (особенно полностью линейных, то есть не содержащих нелинейных элементов) в случае синусоидальной токов и напряжений применяют комплексный импедансный метод или, в более простых случаях, менее мощный, но более наглядный его вариант — метод векторных диаграмм.

    Заметим, что все описанное применимо не только непосредственно к синусоидальным токам и напряжениям, но и практически произвольным, так как последние почти всегда можно разложить в ряд или интеграл Фурье и таким образом привести к синусоидальным.

    В более или менее непосредственной связи с этим можно упомянуть применение явления самоиндукции (и, соответственно, катушек индуктивности) в разнообразных колебательных контурах, фильтрах, линиях задержки и других различных электронных и электрических схемах.

    Самоиндукция и скачок напряжения

    Из-за явления самоиндукции в электрической цепи с источником ЭДС при замыкании цепи ток устанавливается не мгновенно, а через некоторое время. Аналогичные процессы происходят при размыкании цепи, при этом (при резком размыкании) величина ЭДС самоиндукции может в этот момент значительно превышать ЭДС источника.

    Чаще всего в быту используется в катушках зажигания автомобилей. Типичное напряжение зажигания для 12-вольтовой батареи составляет 7-25 кВ.Однако превышение ЭДС в выходной цепи над ЭДС аккумулятора здесь вызвано не только резким прерыванием тока, но и коэффициентом трансформации, так как чаще всего используется не простой дроссель, а трансформатор катушка, вторичная обмотка которой обычно имеет во много раз больше витков (т. е. в большинстве случаев схема несколько сложнее той, работа которой полностью объяснялась бы самоиндукцией; вариант частично совпадает с физикой схемы катушки).

    Это явление также используется для зажигания люминесцентных ламп в стандартной традиционной схеме (здесь речь идет о схеме с простым индуктором — дросселем).

    Кроме того, всегда необходимо учитывать при размыкании контактов, если ток протекает через нагрузку с заметной индуктивностью: возникающий скачок ЭДС может привести к пробою контактного промежутка и/или другим нежелательным явлениям, для подавления что в этом случае, как правило, необходимо принимать различные специальные меры.

    Примечания

    Каталожные номера

    • О самоиндукции и взаимоиндукции из «Школы электрика»

    Фонд Викимедиа. 2010.

    • Бурдон, Роберт Грегори
    • Хуан Эмар

    Смотреть что такое «Самоиндукция» в других словарях:

      самоиндукция   — самоиндукция … Орфографический словарь

      САМОИНДУКЦИЯ — возникновение ЭДС индукции в токопроводящей цепи при изменении силы тока в ней; частные случаи электромагнитной индукции.При изменении тока в цепи поток магн. индукция через поверхность, ограниченную этим контуром, в результате чего … Физическая энциклопедия

      САМОИНДУКЦИЯ   — возбуждение электродвижущей силы индукции (ЭДС) в электрической цепи при изменении электрического тока в этой цепи; частный случай электромагнитной индукции. Электродвижущая сила самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения тока; … … Большой энциклопедический словарь

      САМОИНДУКЦИЯ   — САМОИНДУКЦИЯ, самоиндукция, жен.(физический). 1. только единицы. Явление заключается в том, что при изменении силы тока в проводнике в нем появляется электродвижущая сила, препятствующая этому изменению. Катушка самоиндукции. 2. Устройство с… … Толковый словарь Ушакова

      САМОИНДУКЦИЯ   — (Самоиндукция) 1. Устройство с индуктивным сопротивлением. 2. Явление, что при изменении величины и направления электрического тока в проводнике в нем возникает электродвижущая сила, препятствующая этому… … Морской словарь

      САМОИНДУКЦИЯ — наведение электродвижущей силы в проводах, а также в обмотках электрических. машины, трансформаторы, аппараты и устройства при изменении величины или направления протекающего через них электрического тока. ток. Ток, протекающий по проводам и обмоткам, создает вокруг них… … Технический железнодорожный словарь

      Самоиндукция  — электромагнитная индукция, вызванная изменением магнитного потока, присоединенного к цепи, вызванным электрическим током в этой цепи… Источник: ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПОНЯТИЙ. ГОСТ Р 52002 2003 (утвержден.… … Официальная терминология

      самоиндукция   — сущ., кол во синонимов: 1 возбуждение электродвижущей силы (1) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

      самоиндукция — Электромагнитная индукция, вызванная изменением магнитного потока, прилипающего к цепи из-за электрического тока в цепи. [ГОСТ Р 52002 2003] RU Самоиндукция электромагнитной индукции в трубке тока вследствие колебаний… … Справочник технического переводчика

      САМОИНДУКЦИЯ   — частный случай электромагнитной индукции (см. (2)), заключающийся в появлении в цепи ЭДС индукции (наведения) и обусловленный изменением во времени магнитного поля, создаваемого переменным током, протекающим в той же цепи. … … Большая политехническая энциклопедия

    Книги

    • Набор столов. Физика. Электродинамика (10 таблиц). Учебный альбом из 10 листов. Электрический ток, сила тока.Сопротивление. Закон Ома для участка цепи. Зависимость сопротивления проводника от температуры. Проводное соединение. ЭДС. Закон Ома…

    Электрический ток, проходящий по проводнику, создает вокруг него магнитное поле. Магнитный поток Ф через цепь от этого проводника пропорционален модулю индукции магнитного поля В внутри цепи, а индукция магнитного поля в свою очередь пропорциональна силе тока в проводнике.Следовательно, магнитный поток через цепь прямо пропорционален силе тока в цепи:

    Коэффициент пропорциональности между током I в цепи и создаваемым этим током магнитным потоком Ф называется индуктивностью. Индуктивность зависит от размеров и формы проводника, от магнитных свойств среды, в которой находится проводник.

    Единица измерения индуктивности.

    Генри принято в качестве единицы индуктивности в Международной системе.Эта единица определяется по формуле (55.1):

    Индуктивность цепи равна, если при постоянном токе 1 А магнитный поток через цепь равен

    Самоиндукция.

    При изменении силы тока в катушке изменяется магнитный поток, создаваемый этим током. Изменение магнитного потока, пронизывающего катушку, должно вызывать появление ЭДС индукции в катушке. Феномен возникновения индукции ЭМП в

    электрическая цепь в результате изменения силы тока в этой цепи называется самоиндукцией.

    В соответствии с правилом Ленца ЭДС самоиндукции препятствует увеличению силы тока при включении и уменьшению силы тока при выключении цепи.

    Явление самоиндукции можно наблюдать, собрав электрическую цепь из катушки с большой индуктивностью, резистора, двух одинаковых ламп накаливания и источника тока (рис. 197). Резистор должен иметь такое же электрическое сопротивление, как и провод катушки. Опыт показал, что при замыкании цепи электрическая ЛГМПА, включенная последовательно с катушкой, загорается несколько позже, чем лампа, включенная последовательно с резистором.Возрастанию тока в цепи катушки при замыкании препятствует ЭДС самоиндукции, возникающая при увеличении магнитного потока в катушке. Когда источник питания выключен, обе лампы мигают. При этом ток в цепи поддерживается за счет ЭДС самоиндукции, возникающей при уменьшении магнитного потока в катушке.

    ЭДС самоиндукции, возникающей в катушке с индуктивностью по закону электромагнитной индукции

    ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна индуктивности катушки и скорости изменения тока в катушке катушка.

    Используя выражение (55.3), можно дать второе определение единицы индуктивности: элемент электрической цепи обладает индуктивностью, если при изменении силы тока в цепи равномерно на 1 А за 1 с появляется ЭДС величиной 1 В в этом.

    Энергия магнитного поля.

    При отключении катушки индуктивности от источника тока лампа накаливания, подключенная параллельно катушке, дает короткую вспышку. Ток в цепи возникает под действием ЭДС самоиндукции.Источником энергии, выделяющейся при этом в электрической цепи, является магнитное поле катушки.

    Энергия магнитного поля индуктора может быть рассчитана следующим образом. Для упрощения расчета рассмотрим такой случай, когда после отключения катушки от источника ток в цепи уменьшается со временем по линейному закону. При этом ЭДС самоиндукции имеет постоянную величину, равную

    САМОИНДУКЦИЯ

    Каждая жила, через которую проходит эл. тока, находится в собственном магнитном поле.

      При изменении силы тока в проводнике изменяется м.поле, т.е. изменяется магнитный поток, создаваемый этим током. Изменение магнитного потока приводит к возникновению электрического вихря. поля и в цепи возникает ЭДС индукции.

      Это явление называется самоиндукцией.
      Самоиндукция — явление возникновения индукции ЭМП в эл. цепи в результате изменения тока.
      Результирующая ЭДС называется ЭДС самоиндукции

    Короткое замыкание в цепи

      При закрытии по электронной почте. в цепи нарастает ток, что вызывает увеличение магнитного потока в катушке, и возникает вихревой эл. поле направлено против тока, т.е. в катушке возникает ЭДС самоиндукции, которая препятствует росту тока в цепи (вихревое поле тормозит электроны).
      В результате L1 загорается позже , чем L2.

    Разомкнутая цепь

      При размыкании электрической цепи ток уменьшается, происходит уменьшение м.потока в катушке, возникает вихревое электрическое поле, направленное в виде тока (стремящееся сохранить прежнюю силу тока) , т.е. в катушке возникает ЭДС самоиндукции, поддерживающая ток в цепи.
      В результате A при выключении ярко мигает.

      Заключение

      В электротехнике явление самоиндукции проявляется при замыкании цепи (электрический ток нарастает постепенно) и при размыкании цепи (электрический ток исчезает не сразу).

    От чего зависит ЭДС самоиндукции?

      Электронный ток создает собственное магнитное поле. Магнитный поток через цепь пропорционален индукции магнитного поля (Ф ~ B), индукция пропорциональна силе тока в проводнике
    (B ~ I), поэтому магнитный поток пропорционален силе тока (Ф ~ Я).
    ЭДС самоиндукции зависит от скорости изменения тока в эл. цепи, исходя из свойств проводника
    (размер и форма) и относительной магнитной проницаемости среды, в которой находится проводник.
    Физическая величина, показывающая зависимость ЭДС самоиндукции от размеров и формы проводника и от среды, в которой находится проводник, называется коэффициентом самоиндукции или индуктивностью.

      Индуктивность — физ. величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в цепи при изменении силы тока на 1 Ампер в течение 1 секунды.
      Также индуктивность можно рассчитать по формуле:


      где Ф – магнитный поток через цепь, I – сила тока в цепи.

    Единицы индуктивности в системе СИ:



    Индуктивность катушки зависит от:
     числа витков, размеров и форм катушки и относительной магнитной проницаемости среды
     (возможен сердечник).


    ЭДС самоиндукции предотвращает увеличение тока при включении цепи и уменьшение тока при размыкании цепи.

    Вокруг проводника с током возникает магнитное поле, обладающее энергией.
      Откуда оно взялось? Источник тока включен в эл. цепи, имеет запас энергии.
      На момент закрытия электронной почты. цепи источник тока тратит часть своей энергии на преодоление эффектов возникающих ЭДС самоиндукции. Эта часть энергии, называемая собственной энергией тока, используется для создания магнитного поля.

      Энергия магнитного поля представляет собой энергию собственного тока.
     Собственная энергия тока численно равна работе, которую должен совершить источник тока, чтобы преодолеть ЭДС самоиндукции, чтобы создать ток в цепи.

    Энергия магнитного поля, создаваемого током, прямо пропорциональна квадрату силы тока.
      Куда исчезает энергия магнитного поля после прекращения тока? — выделяется (при размыкании цепи с достаточно большой силой тока возможно возникновение искры или дуги)

    ВОПРОСЫ ДЛЯ ПРОВЕРКИ
     по теме «Электромагнитная индукция»

    1. Перечислите 6 способов получения индукционного тока.
      2. Явление электромагнитной индукции (определение).
      3. Правило Ленца.
      4. Магнитный поток (определение, рисунок, формула, входные величины, их единицы измерения).
      5. Закон электромагнитной индукции (определение, формула).
      6. Свойства вихревого электрического поля.
      7. ЭДС индукции проводника, движущегося в однородном магнитном поле (причина возникновения, рисунок, формула, входные величины, их единицы измерения).
      7. Самоиндукция (краткое проявление в электротехнике, определение).
      8. ЭДС самоиндукции (ее действие и формула).
      9. Индуктивность (определение, формулы, единицы).
    10. Энергия магнитного поля тока (формула — откуда приходит энергия м. поля тока, куда она исчезает при прекращении тока).

    ВЛИЯНИЕ САМОИНДУКЦИИ В ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

    ВЛИЯНИЕ САМОИНДУКЦИИ В ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

    В случае неиндуктивной катушки, когда к ней приложено напряжение pd в В вольт, ток сразу же достигает значения V/R ампер , когда R — сопротивление катушки, поскольку магнитное поле не создается из-за протекания тока в такой катушке, поэтому нет ЭДС самоиндукции, которая могла бы противодействовать приложенному напряжению V.

    Но в случае катушки индуктивности, когда к ней приложена разность потенциалов в В вольт, ток начинает возрастать, но из-за увеличения тока, протекающего через катушку, в катушке возникает ЭДС самоиндукции, которая прикладывает напряжение и увеличивает в текущем. Теоретически току требуется бесконечное время, чтобы достичь своего максимального значения, определяемого .

    В случае неиндуктивной катушки прикладываемое напряжение должно преодолевать резистивное падение, только IR, но в случае индуктивной катушки приложенное напряжение должно преодолевать противо-ЭДС, создаваемую самоиндукцией катушки в дополнение к резистивному падению IR.

    Нарастание тока

    Рассмотрим катушку индуктивности сопротивлением R ом и индуктивностью L henrys, подключенную к источнику питания V вольт.

    рис: Нарастание тока

    Пусть в любой момент ток, протекающий через катушку, составляет i ампер.

    Резистивное падение = i R вольт

    Обратная ЭДС,

    Прикладываемое напряжение должно преодолевать резистивное падение, а также противоЭДС. Следовательно, при увеличении тока имеем

    или

    или

    или

    Интегрируя обе части, получаем

    где K — постоянная интегрирования

    Из начальных условий, когда t=0, i=0

    Отсюда (1) «T»)

    Уравнение

    является экспоненциальным выражением и часто упоминается как выражение Гельмгольца.

    Сразу после замыкания переключателя скорость нарастания тока, т. е. начальную скорость нарастания тока, можно определить, продифференцировав уравнение (1) по отношению к t = 0. Следовательно, мы получаем

    и t=0

    . Если бы сохранялась эта скорость нарастания тока, то время, необходимое для достижения максимального значения тока

    слов, составляло . Это время называется постоянной времени цепи.

    Следовательно, постоянная времени \tau может быть определена как время, необходимое для того, чтобы ток увеличился до своего конечного установившегося значения, если он продолжал увеличиваться с начальной скоростью (т.e.V/L)

    Если мы подставим

    в уравнение (1), мы получим

    Таким образом, постоянная времени также может быть определена как время, необходимое для того, чтобы ток достиг 0,632 своего конечного установившегося значения (т. е. 0,632

    ).

    Затухание тока

    Рассмотрим катушку индуктивности сопротивлением R ом, индуктивностью L henrys и через которую протекает ток I ампер. Если источник питания удалить из его цепи, то ток начнет уменьшаться, и за счет уменьшения тока создастся ЭДС самоиндукции, которая будет препятствовать спаду тока.

    Пусть в любой момент времени ток, протекающий через катушку, составляет i ампер

    или

    Интегрируя обе части, получаем

    где K’ — постоянная интегрирования

    Из начальных условий, т.е. при t=0,

    Следовательно,

    или

    или

    , где

    постоянная времени.

    11.1 Взаимная индуктивность – введение в электричество, магнетизм и электрические цепи

    ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

    К концу этого раздела вы сможете:
    • Сопоставление двух близлежащих цепей, по которым текут изменяющиеся во времени токи, с ЭДС, индуцированной в каждой цепи
    • Опишите примеры, в которых взаимная индуктивность может быть или не быть желательной

    Индуктивность  это свойство устройства, которое говорит нам, насколько эффективно оно индуцирует ЭДС в другом устройстве.Другими словами, это физическая величина, выражающая эффективность данного устройства.

    Когда две цепи, по которым текут изменяющиеся во времени токи, расположены близко друг к другу, магнитный поток в каждой цепи меняется из-за изменения тока в другой цепи. Следовательно, ЭДС индуцируется в каждой цепи изменением тока в другой. Поэтому этот тип ЭДС называется ЭДС взаимной индукции , а возникающее явление известно как взаимная индуктивность () .В качестве примера рассмотрим две плотно намотанные катушки (рис. 11.1.1). Катушки 1 и 2 имеют витки и и по ним текут токи и , соответственно. Поток через один виток катушки 2, создаваемый магнитным полем тока в катушке 1, равен , тогда как поток через один виток катушки 1 из-за магнитного поля   равен .

    (рис. 11.1.1)  

    Рисунок 11.1.1  Некоторые силовые линии магнитного поля, создаваемые током в катушке 1, проходят через катушку 2.

    Взаимная индуктивность катушки 2 по отношению к катушке 1 равна отношению потока через витки катушки 2, создаваемого магнитным полем тока в катушке 1, к этому току, то есть

    (11.1.1)  

    Аналогично, взаимная индуктивность катушки 1 относительно катушки 2 равна

    (11.1.2)  

    Как и емкость, взаимная индуктивность является геометрической величиной. Это зависит от формы и взаимного расположения двух катушек и не зависит от токов в катушках.Единица СИ для взаимной индуктивности называется генри ( ) в честь Джозефа Генри (1799–1878), американского ученого, открывшего ЭДС независимо от Фарадея. Таким образом, мы имеем . Из уравнения 11.1.1 и уравнения 11.1.2 мы можем показать, что , поэтому мы обычно опускаем индексы, связанные с взаимной индуктивностью, и пишем

    (11.1.3)  

    ЭДС, развиваемая в каждой катушке, определяется путем объединения закона Фарадея и определения взаимной индуктивности.Так как  это полный поток через катушку 2 из-за , мы получаем

    (11.1.4)  

    , где мы использовали тот факт, что  является постоянной, не зависящей от времени, поскольку геометрия не зависит от времени. Точно так же у нас есть

    (11.1.5)  

    В уравнении 11.1.5 мы можем видеть значение более раннего описания взаимной индуктивности () как геометрической величины. Значение аккуратно инкапсулирует физические свойства элементов схемы и позволяет нам отделить физическую схему схемы от динамических величин, таких как ЭДС и ток.Уравнение 11.1.5 определяет взаимную индуктивность с точки зрения свойств в цепи, тогда как предыдущее определение взаимной индуктивности в уравнении 11.1.1 определяется с точки зрения испытываемого магнитного потока, независимо от элементов цепи. Вы должны быть осторожны при использовании Уравнения 11.1.4 и Уравнения 11.1.5, потому что и не обязательно представляют суммарную ЭДС в соответствующих катушках. В каждой катушке также может быть наведена ЭДС из-за ее собственной индуктивности (самоиндуктивность будет обсуждаться более подробно в следующем разделе).

    Большая взаимная индуктивность может быть желательной, а может и нежелательной. Мы хотим, чтобы трансформатор имел большую взаимную индуктивность. Но такой прибор, как электрическая сушилка для белья, может индуцировать опасную ЭДС на своем металлическом корпусе, если взаимная индуктивность между его катушками и корпусом велика. Одним из способов уменьшить взаимную индуктивность является встречная обмотка катушек, чтобы нейтрализовать создаваемое магнитное поле (уравнение 11.1.3).

    (рис. 11.1.2)  

    Рисунок 11.1.2  Нагревательные спирали электрической сушилки для белья могут быть встречно намотаны, так что их магнитные поля компенсируют друг друга, что значительно снижает взаимную индуктивность с корпусом сушилки.

    Цифровая обработка сигналов  является еще одним примером, в котором взаимная индуктивность уменьшается за счет встречной обмотки катушек. ЭДС быстрого включения / выключения, представляющая и в цифровой цепи, создает сложное магнитное поле, зависящее от времени. ЭДС может генерироваться в соседних проводниках. Если этот проводник также несет цифровой сигнал, ЭДС индукции может быть достаточно большой для переключения и с последствиями от неудобных до катастрофических.

    ПРИМЕР 11.1.1


    Взаимная индуктивность

    Рисунок 11.1.3 показана катушка из витков и радиуса, окружающая длинный соленоид длиной , радиусом и витками. а) Чему равна взаимная индуктивность двух катушек? (б) Если , , ,  и ток в соленоиде изменяется со скоростью , какова ЭДС, индуцируемая в окружающей катушке?

    (рис. 11.1.3)  

    Рисунок 11.1.3  Соленоид, окруженный катушкой.
    Стратегия

    Снаружи соленоида магнитное поле отсутствует, а поле внутри имеет величину  и направлено параллельно оси соленоида.Мы можем использовать это магнитное поле, чтобы найти магнитный поток через окружающую катушку, а затем использовать этот поток для расчета взаимной индуктивности для части (а), используя уравнение 11.1.3. Мы решаем часть (b), вычисляя взаимную индуктивность из заданных величин и используя уравнение 11.1.4 для расчета ЭДС индукции.

    Решение

    а. Магнитный поток через окружающую катушку составляет

       

            Теперь из уравнения 11.1.3 взаимная индуктивность равна

       

    б.Используя предыдущее выражение и данные значения, взаимная индуктивность равна

    .

       

    Таким образом, из уравнения 11.1.4 ЭДС, индуцированная в окружающей катушке, равна

       

    Значение

    Обратите внимание, что в части (а) не зависит от радиуса окружающей катушки, потому что магнитное поле соленоида ограничено его внутренней частью. В принципе, мы также можем рассчитать, найдя магнитный поток через соленоид, создаваемый током в окружающей катушке.Этот подход намного сложнее, потому что он очень сложен. Однако, поскольку , мы знаем результат этого вычисления.

    ПРОВЕРЬТЕ ВАШЕ ПОНИМАНИЕ 11.1


    Через соленоид части (b) примера 11.1.1 протекает ток. Какова максимальная ЭДС, индуцируемая в окружающей катушке?

    Цитаты Кандела

    Контент под лицензией CC, конкретное указание авторства

    • Загрузите бесплатно по адресу http://cnx.org/contents/[email protected] Получено с : http://cnx.org/contents/[email protected] Лицензия : CC BY: Attribution

    Общая физика II

    Q1, Почему? ЭДС индукции, возникающая в катушке индуктивности, называемой «счетчиком». или «обратная» ЭДС?

    По Закону Ленца , мы ожидаем ЭДС индукции to противодействовать изменению — «противостоять» изменению.

    Q4, Как можно намотать длинный кусок проволоки на катушке, чтобы провод имел пренебрежимо малую самоиндукцию?

    Если проволока сдвоена, то половина ее закручена в одну сторону, а другая половина закручивается в другую, то магнитное поле, создаваемое одной половиной провода, просто нейтрализует магнитное поле. поле, созданное другой половиной.

    Q5, Длинный тонкий провод намотан как соленоид с собственной индуктивностью L.Если он подключен через клеммы батарея, как максимальный ток зависит от L?

    Максимальный ток — это установившийся ток и это , а не , на которые влияет самоиндукция.

    Q6, Для схемы серии RL, показанной здесь, может ли противо-ЭДС быть больше, чем ЭДС батареи?

    Нет, противо-ЭДС никогда не может быть больше, чем э.д.с. батареи

    Q7, Допустим переключатель на схеме выше был закрыт в течение длительного времени и внезапно открывается.Есть ли ток мгновенно упадет до нуля? Почему появляется искра на переключать контакты в момент размыкания переключателя?

    Чем быстрее размыкается переключатель, т.е. чем быстрее мы пытаемся остановить ток — тем больше будет скорость при котором магнитное поле схлопывается. По мере увеличения скорости , напряжение увеличивается («противоэдс»), и это может быть здорово достаточно, чтобы вызвать дугу.

    Q9, Обсудите сходство между запас энергии в электрическом поле заряженного конденсатора и энергия хранится в магнитном поле катушки с током.

    Они очень похожи. Ранее мы говорили о энергия, хранящаяся в конденсаторе, в мельчайших деталях. Мы нашли общее энергия — потенциальная энергия U — должна быть

    U = (1/2) C В 2

    В этой главе мы нашли энергию, хранящуюся в катушка — потенциальная энергия U — должна быть

    U = (1/2) L I 2

    Q14, В LC-цепи, показанной на рис. 32.12 заряд на конденсаторе иногда равен нулю, хотя там есть ток в цепи. Как это возможно?

    Когда заряд конденсатора равен нулю, в конденсаторе не запасается энергия. В это время максимально энергия, запасенная в катушке индуктивности, что означает максимальный ток.

    Q16, Как узнать, подключена ли цепь RLC? передемпфирован или недодемпфирован?

    Если это недостаточно демпфированный , он проходит несколько колебаний.

    Если это с избыточным демпфированием, это , а не колебаться — он просто совершает одно длинное частичное колебание.

    Q17 , Какое значение имеет критическое демпфирование в цепи RLC?

    Критическое демпфирование описывает наименьшее сопротивление R , которое может иметь цепь и не колеблется . Ток вымрет до нуля быстрее чем при большем R.Для большего R — для большего демпфирования — ток вымирает медленнее. Для меньшего R — для меньшего демпфирования — ток колеблется.

    32,2, Пружина имеет радиус 4,00 см. и индуктивностью 125 мкГн при удлинении до длины 2,00 м. Найдите приблизительное значение общего числа витков пружины?

    «Пружина» — это всего лишь соленоид, так что это очень похоже на пример 32.1 на странице 941. Там мы нашли

    Д = или N 2 А/л

    N 2 = L l/ o А

    А = г 2 = (0,04 м) 2 = 0,005 026 м 2

    N 2 = L l/ o А = (125 х 10 — 6 )(2,0)/[(4 х 10 — 7 )(0,005)]

    Н 2 = 39 583

    Н = 199

    32.12, Катушка индуктивности соленоида 30,0 см длиной и площадью поперечного сечения 4,00 см 2 . Когда ток через соленоид уменьшается со скоростью 0,625 А/с, индуцированный ЭДС составляет 200 мкВ. Найдите количество витков на единицу длины соленоид.

    На странице 940 у нас есть Уравнение 32.3,

    L = [200 x 10 — 6 В]/[0,625 А/с]

    Д = 0,000 32 Г = 0.32 мГн

    Д = 3,2 x 10 — 4 В

    На следующей странице, стр. 941, у нас есть уравнение 32.5, которое дает индуктивность соленоида,

    Д = или 2 А л

    n 2 = L / ( o А л)

    A = 4,0 см 2 [м/100 см] 2 = 4 x 10 — 4 м 2

    Будьте осторожны с преобразованием единиц измерения.Это просто — но будь осторожен в любом случае! Хотя это «легче» или «более удобно» говорить о площади в квадратных сантиметрах и длине в сантиметрах, к тому моменту, когда мы делаем расчет, нам нужна площадь в квадратных метрах и длина в метрах. Даже не думай о футах, ярдах, фарлонгах, или миль. Это , как НАСА разбило один из марсианских кораблей. зонды !

    n 2 = (3.2 х 10 — 4 )/[(4 х 10 — 7 )(4 х 10 — 4 )(0,30)]

    n 2 = 2,12 x 10 6

    n = 1460

    32.19, Рассчитать сопротивление в Цепь RL, в которой L = 2,5 Гн и ток увеличивается до 90% от его конечное значение через 3,0 с.

    Мы знаем об экспоненциальном поведении ток, из уравнения 32.7 на стр. 942,

    где постоянная времени

    Р = (2.5/1.3)

    Р = 1,92

    32.22, Катушка индуктивности, имеющая индуктивность напряжением 15,0 Гн и сопротивлением 30,0 Ом подключено к сети напряжением 100 В. батарея. Какова скорость увеличения текущего

    (а) при t = 0 и

    (б) при t = 1,50 с?

    = (15/30) с = 0,5 с

    Мы уже использовали уравнение 32.7 со страницы 942,

    Для этой схемы мы знаем конечный ток,

    I f = V/R = 100 В/30 = 3.33А

    Это описывает текущий , но мы хотим скорость изменения тока,

    dI/dt] (t = 0,0 с) = 16,7 А/с

    dI/dt] (t = 3,0 с) = 3,73 А/с

     

    32.32, Рассчитайте энергию, с магнитным полем 200-виткового соленоида, в котором протекает ток 1.75 А создает поток 3,70 х 10 — 4 Вб на каждом витке.

    U = (1/2) L I 2

    L = N B / I

    Д = (200)(3,70 х 10 — 4 )/1,75

    Д = 4,23 x 10 — 2 В

    U = (1/2) L I 2 = (0,5)(4,23 x 10 — 2 )(1,75) 2

    U = 6,5 x 10 — 2 Дж

    U = 0,065 Дж

    32.53, Конденсатор емкостью 1,00 мкФ заряжается от источника питания 40,0 В. Тогда полностью заряженный конденсатор разряжается через катушку индуктивности 10,0 мГн. Найдите максимальную силу тока в результирующие колебания.

    Q макс. = C V = (1 x 10 — 6 F)(40 В)

    Q макс. = 40 x 10 — 6 С

    Из уравнения 32.23 или 32.25 мы найти, что

    I макс. = Q макс.

    и из уравнения 32.22, мы знаем резонансную частоту

    = 1/SQRT[(0,010 H)(1 x 10 — 6 F)]

    = 1 x 10 4 Гц

    I макс. = Q макс. = (1 x 10 4 )(40 х 10 — 6 ) А

    I макс. = 0,4 А

     

    32. 65 Рассмотрим LC-цепь, в которой L = 500 мГн и C = 0.100 мкФ.

    (а) Какова резонансная частота ( o )?

    или = 1/SQRT[(0,500 H)(0,1 x 10 — 6 F)]

    или = 4,47 x 10 3 Гц

    или = 4470 Гц = 4,47 кГц

    (b) Если сопротивление 1,00 кОм вводится в эту цепь, какова частота (демпфированного) колебания?

    Из уравнения 32.32, на странице 953, у нас есть частота этого нового демпфированного генератора

    д = SQRT[ 1/LC — (R/2L) 2 ]

    д = SQRT[ 1/(0,500 H)(0,1 x 10 — 6 F) — (1000/2(0,500 Н)) 2 ]

    д = SQRT[ 1/(0,500)(0,1 x 10 — 6 ) — (1000/2(0,500)) 2 ]

    д = КОРЕНЬ[ 2.0 x 10 7 — 1,0 x 10 6 ]

    д = SQRT [1,9 x 10 7 ]

    д = 4,36 x 10 3 Гц

    д = 4360 Гц = 4,36 кГц

    (c) Какова процентная разница между две частоты?

    = или д

    = 4.47 кГц — 4,36 кГц = 0,11 кГц

    %diff = / или = 0,11/4,47 = 2,5%

    Какое выражение определяет ЭДС самоиндукции. Явление самоиндукции

    Самоиндукция — индукция ЭДС в проводнике при изменении электрического тока в этом проводнике.

    При подаче напряжения на катушку электромагнита ток увеличивается не сразу. Он увеличивается постепенно. Увеличение тока тормозится возникшим напряжением, противоположным приложенному.Это напряжение представляет собой электродвижущую силу (ЭДС) самоиндукции. Величина ЭДС постепенно уменьшается, а ток в электромагните увеличивается до номинального значения.

    Взаимодействие электрического и магнитного полей — причина самоиндукции

    Электрические и магнитные поля взаимосвязаны: электрический ток или изменяющееся электрическое поле создают магнитное поле.

    В свою очередь изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле.

    Рассмотрите процессы в проводящей цепи при изменении в ней электрического тока (например, включении или выключении ее).

    • ЭДС индуцируется в проводнике, помещенном в переменное магнитное поле.
    • При изменении величины электрического тока в проводнике возникает изменяющееся магнитное поле.
    • Изменяющееся магнитное поле, создаваемое током в проводнике, индуцирует ЭДС самоиндукции в том же проводнике.

    Не все электрические цепи обладают эффектом самоиндукции. Лампа накаливания мгновенно вспыхивает при подаче тока, и мгновенно гаснет при выключении, а в электромагните, на который подается и выключается постоянное напряжение, процессы растянуты во времени.Лампочка и электромагнит имеют разную инерцию.

    В механике масса является мерой инерции: чтобы привести в движение массивный предмет, нужно некоторое время приложить усилие.

    В электротехнике мерой инерции является величина, называемая индуктивностью. Обозначается символом L . Единицей измерения индуктивности является Генри (Гн), а также производные единицы: миллиГенри (мГн), микроГенри (мкГн) и так далее. Чем выше индуктивность цепи, тем продолжительнее и мощнее имеют место переходные процессы.У лампы накаливания очень низкая индуктивность, а у электромагнита большая индуктивность.

    В радио- и электротехнике применяют дроссели — детали, имеющие нормированные значения индуктивности.

    На рисунке представлена ​​схема эксперимента, демонстрирующего явление самоиндукции.

    Катушка, намотанная на ферритовый сердечник, имеет значительную индуктивность. Источником питания служит батарея номиналом полтора вольта. Пока тумблер включен, свет тусклый, потому что на него не хватает напряжения аккумулятора.После открытия тумблера свет ярко мигает, а затем гаснет.

    Почему мигает лампочка после отключения напряжения питания? Через него разряжается ЭДС самоиндукции, наведенная в катушке в момент отключения напряжения.

    Но почему свет не просто горит, а мигает ярче, чем при включенном тумблере? ЭДС самоиндукции превышает номинальное напряжение батареи. Рассмотрим, от чего зависит этот эффект.

    От чего зависит ЭДС самоиндукции?

    ЭДС самоиндукции, возникающая в электрической цепи, зависит от ее индуктивности и от скорости изменения тока в цепи.

    Скорость изменения тока важна. Если он выключается мгновенно, то есть скорость изменения очень велика, то и ЭДС самоиндукции велика. Наведенное напряжение разряжается через параллельные ветви цепи (в опыте с лампочкой — через лампочку).

    Самоиндукция и переходные процессы в электрических цепях

    Индуктивность электроплиты или лампочки накаливания очень мала, и ток в этих электроприборах при включении и выключении появляется или исчезает практически мгновенно. Индуктивность электродвигателя высокая, и он «выходит на режим» за несколько минут.

    Если отключить ток в большом электромагните с большой величиной индукции, допускающей высокую скорость снижения тока, то между контактами выключателя вспыхивает искра, а в случае большого тока может загореться вольтовая дуга .Это опасное явление, поэтому в цепях с большой индуктивностью ток постепенно уменьшают с помощью реостата (элемента с переменным электрическим сопротивлением).

    Безопасные перебои в подаче электроэнергии представляют собой серьезную проблему. На все выключатели действуют «ударные нагрузки», возникающие от ЭДС самоиндукции при выключении тока, и выключатели «искрят». Для каждого типа переключателя указано максимальное значение тока, которое можно переключать. Если ток превышает допустимое значение, в выключателе может возникнуть электрическая дуга.

    На вредных производствах, в угольных шахтах, нефтехранилищах недопустимо простое искрение выключателей. Здесь используются взрывозащищенные выключатели, надежно защищенные герметичным пластиковым корпусом. Цена таких выключателей в десять раз выше, чем у обычных — это необходимая плата за безопасность.

    >> Самоиндукция. Индуктивность

    § 15 САМОИНДУКЦИЯ. ИНДУКТИВНОСТЬ

    Самоиндукция . Если через катушку протекает переменный ток, то магнитный поток, пронизывающий катушку, изменяется.Поэтому в том же проводнике, по которому течет переменный ток, возникает ЭДС индукции. Это явление называется самоиндукцией .

    При самоиндукции проводящий контур выполняет двойную роль: переменный ток в проводнике вызывает появление магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром. А так как магнитный поток со временем меняется, появляется ЭДС индукции. Согласно правилу Ленца, в момент нарастания тока напряженность вихревого электрического поля направлена ​​против тока.Следовательно, в этот момент вихревое поле препятствует росту тока. Наоборот, в момент уменьшения тока вихревое поле поддерживает его.

    Явление самоиндукции можно наблюдать в простых экспериментах. На рис. 2.13 показана схема параллельного соединения двух одинаковых ламп. Один из них подключен к источнику через резистор R, а другой последовательно с катушкой L, снабженной железным сердечником.

    При замыкании ключа первая лампа мигает практически сразу, а вторая — с заметной задержкой.ЭДС самоиндукции в цепи этой лампы велика, и сила тока не сразу достигает своего максимального значения (рис. 2.14).

    Возникновение ЭДС самоиндукции при размыкании можно наблюдать в эксперименте с цепью, схематически изображенной на рис. 2.15. При открывании ключа в катушке L возникает ЭДС самоиндукции, поддерживающая первоначальный ток. В результате в момент открытия через гальванометр протекает ток (цветная стрелка), направленный против начального тока до открытия (черная стрелка).Ток при разомкнутой цепи может превышать ток, проходящий через гальванометр при замкнутом выключателе. Это означает, что ЭДС самоиндукции больше, чем ЭДС батареи ячеек.

    Содержание урока план урока опорная рамка презентация урока ускоряющие методы интерактивные технологии практика задания и упражнения самопроверка мастер-классы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания вопросы для обсуждения риторические вопросы от учащихся Иллюстрации аудио, видеоклипы и мультимедиа фото, картинки, схемы, таблицы, схемы юмор, приколы, прибаутки, комиксы-притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи чипы для любознательных шпаргалки учебники основной и дополнительный словарь терминов другие Улучшение учебников и уроков Исправление ошибок в учебнике Обновление фрагмента в учебнике Элементы нововведений в уроке Замена устаревших знаний на новые Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации дискуссионной программы интегрированные уроки

    Изобретение относится к электротехнике, в частности к конструкциям генераторов индукционного тока, и может быть использовано в электромагнитных установках и электрических машинах, например в двигателях, генераторах, трансформаторах, в частности, в качестве повышающего трансформатора.Технический результат заключается в повышении ЭДС на выходе за счет использования импульсных напряжений на вторичной обмотке и реализации конструкции вторичной обмотки, которая позволяла бы непосредственно снимать возникающее импульсное напряжение с генератора, а при этом суммарная мощность первичной и вторичной обмоток. 6 п.п. ф-лы, 2 черт.

    Чертежи к патенту РФ 2524387

    Изобретение относится к электротехнике, в частности к конструкциям генераторов импульсного индукционного тока.

    Целью данного изобретения является использование генератора импульсов ЭДС самоиндукции для обеспечения импульсного питания различных электромагнитных установок и электрических машин, что позволяет значительно расширить арсенал импульсных источников энергии. Из уровня техники известен «Асинхронный синхронный генератор», Заявка RU 9811934 7, опубл. 10.09.2000, МПК Н02К 21/14, с использованием токов обмотки статора, на якоре которой токи пульсируют, и индуктора (ротора), выполненного защищенным от магнитного поля токов обмотки якоря статора.Позволяет расширить режимы работы генератора. Однако генератор содержит вращающиеся части, а значит, имеет все недостатки таких генераторов, т.е. не решены проблемы, связанные с переключением мощности. В предлагаемой конструкции невозможно получить требуемое высокое напряжение.

    Известен «Генератор электрической энергии», заявка RU 9402533 5, опубл. 10.06.1996, МПК Н02К 19/16, содержащие составные кольцевые обмотки с сердечником, индукционную катушку и обмотку возбуждения.Он позволяет повысить производительность генератора электрической энергии, уменьшить индуктивное сопротивление обмотки статора, уменьшить затраты механической работы при преобразовании механической энергии в электрическую и повысить КПД. Однако генератор в силу конструктивных особенностей не позволяет использовать ЭДС самоиндукции. В генераторе есть вращающиеся части, а значит, он имеет все недостатки таких генераторов, т.е. не решены проблемы, связанные с переключением мощности.

    Известна полезная модель «Комбинированная электромагнитная обмотка», патент RU 96443, опубл. 27.07.2010, МПК H01F 5/00, в котором имеется две и более жилы с выводами, причем жилы разделены диэлектриком. Позволяет расширить режимы работы. Однако в качестве первичной обмотки используются оба проводника, вторичная обмотка высокого напряжения отсутствует, что не позволяет использовать обмотку в высоковольтных трансформаторах, а также не предусматривает отвод и использование ЭДС индукции от вторичной обмотки. обмотка.

    Наиболее близкой заявкой на изобретение является «Индуктивно-статический способ получения электрической энергии и устройство для его осуществления», RU 2004124018, опубл. 27.01.2006, МПК H01F 1/00, согласно которому имеются первичная и вторичная обмотки, образующие катушку индуктивности с переходом свободной магнитной энергии в индуктивно зависимое состояние, и индуцируется ЭДС индукции и получается уплотнение магнитного потока, пропорциональное к увеличению электрической мощности. Позволяет использовать вторичную обмотку с меньшей индуктивностью на величину уплотнения магнитных потоков, чем достигается пропорциональное уплотнение и увеличение электрической мощности генератора.Метод использует индукционный и одновременно статический методы генерации. Однако не предложена конструкция вторичной обмотки генератора, позволяющая напрямую снимать с генератора возникающие импульсные напряжения и ЭДС тока самоиндукции.

    Также наиболее близким решением является классическая электрическая схема для проведения опытов по демонстрации электромагнитной индукции при разомкнутой цепи. Эта схема (устройство) функционально является генератором импульсов ЭДС самоиндукции.В связи с изложенным за прототип принимаем установку, изображенную на чертеже — рис. 424 стр. 231, учебник: Курс физики, часть вторая, изд. «Наука», Москва 1970 Авторы: Л.С. Жданов, В.А. Маранжан.

    Однако в классической схеме сердечник из электротехнической стали конструктивно не способен выполнять в устройстве одновременно две функции: электропроводящей обмотки и классического, как на рис. 424 прототипа, магнитопровода, т.е. сердечник (М) индукционной катушки.Прототип не позволяет напрямую снимать и использовать ЭДС самоиндукции, возникающую в сердечнике классической индукционной катушки.

    Задачей предлагаемого изобретения является использование импульсных напряжений и выполнение конструкции вторичной обмотки генератора, которая позволяла бы непосредственно снимать возникающие импульсные напряжения с генератора.

    Технический результат, который обеспечивает предлагаемое техническое решение, заключается в значительном расширении арсенала средств импульсной генерации и преобразования электроэнергии.Заявленный технический результат обеспечивается тем, что генератор импульсов ЭДС самоиндукции выполнен в виде первичной и вторичной обмоток однофазного повышающего трансформатора в типовом техническом исполнении (с учетом того, что вторичная обмотка является одновременно функциональным электрическим проводником и магнитопроводом, представленную конструкцию предлагается рассматривать как простейшую индукционную катушку с сердечником, конструктивно выполненным в виде спиральной катушки с возможностью снятия ЭДС самоиндукции от него) и снабжены двумя или более проводниками, которые разделены диэлектриком и каждый проводник имеет выводы.Генератор отличается тем, что первичная обмотка (проводник) низкого напряжения выполнена спирально-ленточной и имеет не менее 2-х витков, намотанных плотно или с небольшим зазором, виток к витку, намотка ленты выполнена шириной от 120 до 200 мм. мм и толщиной от 1 до 2 мм; вторичная обмотка (проводник) ВН также выполнена спирально-ленточной, обмоточная лента — из электротехнической стали, покрытой электроизоляцией, и имеет не менее 100 витков, намотанных наглухо или с небольшим зазором, виток к витку, лента изготавливается шириной от 120 до 200 мм и не более 0.толщиной 1 мм. Первичная обмотка электрически соединена с низковольтной батареей через автоматический выключатель, образуя замкнутую электрическую цепь, где вторичная обмотка представляет собой как электропроводящую обмотку, так и магнитопровод. При этом витки первичной обмотки располагаются вне витков вторичной обмотки таким образом, что обе обмотки образуют повышающий трансформатор, в котором вторичная обмотка является индукционной катушкой высоковольтного трансформатора, обеспечивающего электрическую проводимости благодаря ленте из электротехнической стали, изолированной наружным слоем изоляции и одновременно выполняющей функцию сердечника для первичной обмотки, ЭДС снимается с помощью проводников, электрически соединенных с концами ленты вторичной обмотке, и получают за счет периодического срабатывания ключа-прерывателя, и за счет частоты срабатывания ключа-прерывателя, расчетных импульсных напряжений и токов, возникающих во вторичной обмотке, по формуле

    где — где L — индуктивность цепи или коэффициент пропорциональности между скоростью изменения тока в цепи и результирующей ЭДС самоиндукции, 900 05

    — скорость изменения тока в электрической цепи

    В особых случаях первичная обмотка может быть выполнена из медного или алюминиевого проводника, может иметь 3 витка и более, количество витков ограничивается трансформатором коэффициент: отношение числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки, определяющее коэффициент трансформации, т.е.е. на сколько напряжение во вторичной обмотке больше, чем в первичной. Например, низковольтная батарея может быть рассчитана на 12-24 вольта и является источником постоянного тока. В частности, периодическая работа ключевого прерывателя осуществляется при промышленной частоте переменного тока 50 Гц. При этом частоты могут быть любыми технически возможными для реализации, но лучше 50 Гц, так как их проще преобразовать или потреблять с помощью существующих стандартных преобразователей или электроприборов.Расчетная ЭДС самоиндукции во вторичной обмотке обеспечивается, в частности, геометрией контура и магнитными свойствами сердечника для первичной обмотки. Так он может быть выполнен с контурной формой, которая выполнена круглой диаметром 150 мм и более, что зависит от коэффициента трансформации, который будет определять диаметр вторичной обмотки в зависимости от применяемой толщины электротехнической стали, или круглая спиралевидная форма. Поскольку вторичная обмотка является обмоткой высокого напряжения и выполнена из электротехнической стали, это означает, что ее магнитные свойства определяются самим материалом (т.д., магнитные свойства самой электротехнической стали).

    Изобретение поясняется в самом общем виде чертежами. Конкретная конструкция не ограничивается вариантами осуществления, показанными на чертежах.

    На рисунке 1 представлена ​​схема расположения первичной и вторичной обмоток и аккумуляторной батареи с выключателем.

    На рис. 2 показано сечение А-А через соединенные вторичную и первичную обмотки.

    Данное техническое решение поясняется чертежом, который не охватывает все возможные варианты исполнения представленной схемы подключения.

    Устройство генератора импульсов ЭДС самоиндукции показано на рис. 1 и рис. 2 (в разрезе), а конструктивно это устройство выполнено в виде однофазного повышающего трансформатора (а также конструктивно простейшая индукционная катушка), состоящая из первичной (1) спирально-ленточной обмотки (медный или алюминиевый проводник), 2-3 витка толщиной 1-2 мм, шириной 120 мм, соединенной с низковольтной батареей (2) 12- 24 В — источник постоянного тока через автоматический выключатель (3), образующий замкнутую электрическую цепь…

    Вторичная спиральная ленточная обмотка высокого напряжения (4) из электротехнической стали, покрытая электроизоляцией, имеет число витков 100 и более, толщина ленты 0,1 мм, ширина 120 мм.

    Вторичная обмотка (4) из электротехнической стали выполняет в конструкции одновременно две функции: электропроводящей обмотки и магнитопровода.

    В качестве электрического проводника вторичная обмотка (4) представляет собой высоковольтную индукционную катушку повышающего трансформатора.

    В качестве магнитопровода вторичная обмотка (4) является сердечником для первичной обмотки (2) классической индукционной катушки.

    Первичная (1) и вторичная (4) обмотки однофазного повышающего трансформатора снабжены двумя или более проводниками (5), жилы вторичной обмотки имеют клемму (6) — т.е. ЭДС снимается посредством проводников (5, 6), электрически соединенных с концами ленты вторичной обмотки, и получается за счет периодического срабатывания прерывающего ключа (3).При этом токи, возникающие во вторичной обмотке, рассчитываются по формуле

    , где L — индуктивность цепи или коэффициент пропорциональности между скоростью изменения тока в цепи первичной обмотки (1) и результирующей ЭДС самоиндукции во вторичной обмотке (2),

    — скорость изменения тока в электрической цепи первичной обмотки (1) из-за ключа-выключателя (3).

    Периодическая работа ключевого прерывателя (3) осуществляется при промышленной частоте переменного тока 50 Гц.Расчетная ЭДС самоиндукции во вторичной обмотке (4) обеспечивается геометрией контура вторичной обмотки (4) и магнитными свойствами сердечника (4) для первичной обмотки (1).

    Форма контура, полученного первичной (1) и вторичной (4) обмотками, в представленном исполнении выполнена круглой диаметром 150 мм и более.

    Устройство работает следующим образом.

    При замыкании ключом (3) электрической цепи первичной обмотки (1) возникает магнитное поле, энергия которого запасается в магнитном поле вторичной обмотки (4).

    Размыкание ключа (3) цепи первичной обмотки (1) образует убывающий ток, который по правилу Ленца стремится поддерживать ЭДС наведенной индукции вторичной обмотки (4).

    В результате энергия, запасенная в магнитном поле вторичной обмотки (4), преобразуется в дополнительную энергию тока самоиндукции первичной обмотки (1), питающую электрическую цепь вторичной обмотки (4 ).

    В зависимости от количества магнитной энергии, запасенной в цепи вторичной обмотки (4), мощность тока самоиндукции может быть различной и определяется по известной формуле:

    Таким образом, данным изобретением достигается Технический результат в том, что конструкция, материал и двойное функциональное назначение вторичной обмотки устройства позволяют снимать и эффективно использовать возникающие ЭДС самоиндукции.

    Промышленная применимость заявляемого технического решения подтверждается общими законами физики. Так, эффект самоиндукции описан в учебнике (Жданов Л.С., Маранджян В.А., Курс физики для средних специальных учебных заведений, ч. 2 Электричество, изд. Третье, шаблонное, Редколлегия физико-математической литературы, М., 1970. , стр. 231,232,233). Самоиндукция возникает при размыкании цепи; она прямо пропорциональна скорости изменения тока в электрической цепи.В традиционных цепях явление самоиндукции всегда сопровождается появлением искры, возникающей в месте разрыва цепи. Поскольку в предлагаемой конструкции отсутствует разрыв электрической цепи во вторичной обмотке (4) за счет ее конструкции, то в зависимости от количества запасенной в этой цепи магнитной энергии ток отключения не возникает, а переходит в вырабатываемую мощность . Таким образом, в конструкции вторичной обмотки (4) при размыкании цепи постоянного тока в первичной обмотке (1) энергия, запасенная в магнитном поле этой цепи, преобразуется в энергию тока самоиндукции в цепь вторичной обмотки (4).

    Поскольку электродвижущей силой (ЭДС) называют величину, равную работе внешних сил, то в нашем случае это изменяющееся магнитное поле первичной катушки (1), отнесенное к единице положительного заряда, это ЭДС действующая в цепи или на ее участке, в нашем случае это вторичная обмотка (4). Внешние силы можно охарактеризовать работой, которую они совершают над зарядами, движущимися по цепочке, а размерность ЭДС совпадает с размерностью потенциала и измеряется в тех же единицах.Поэтому векторную величину Е называют еще напряженностью поля внешних сил. Поле внешних сил в нашем случае возникает за счет переменного магнитного поля в первичной обмотке (1). Таким образом, ЭДС, действующая в замкнутой цепи, может быть определена как циркуляция вектора напряженности поля внешних сил, т.е. внешних сил, возникающих в первичной обмотке (1) вследствие прерывания электрического поля выключателем-выключателем (3 ). Это правило обеспечивает возникновение ЭДС индукции во вторичной обмотке (4).Это физическое явление описано в учебнике (И.В. Савельев, Курс физики, том 2, Электричество, стр. 84, 85, изд. Второе стереотипное, изд. Наука, главное издание физико-математической литературы, М., 1966. ).

    Помимо внешних сил, на заряд действуют силы электростатического поля, которые возникают непосредственно во вторичной обмотке (4).

    В приборе также используется явление электромагнитной индукции, описанное в (Р.А. Мустафаев, В.Г. Кривцов, учебник физики, в помощь абитуриентам, изд.М., Высшая школа, 1989).

    Таким образом, конструкция генератора, используемая в предлагаемом изобретении в качестве устройства, позволяет эффективно генерировать, отводить и использовать ЭДС самоиндукции. Таким образом, устройство может быть изготовлено в промышленных масштабах и реализовано в качестве перспективного эффективного генератора импульсов ЭДС самоиндукции, что позволяет расширить арсенал технических средств генерации импульсов и преобразования электроэнергии.

    ПРЕТЕНЗИЯ

    1. Генератор импульсов ЭДС самоиндукции, конструктивно выполненный в виде однофазного повышающего трансформатора, состоящего из первичной и вторичной обмоток и снабженного двумя или более проводниками, разделенными диэлектриком, и проводником имеет выводы, отличающиеся тем, что первичная обмотка низкого напряжения выполнена спирально-ленточной и имеет не менее двух витков, намотанных плотно или на небольшом расстоянии друг от друга, лента обмотки выполнена шириной 120-200 мм и толщиной 1-2 мм; вторичная обмотка ВН выполнена также из спиральной ленты, обмоточная лента из электротехнической стали, покрыта электроизоляцией, имеет не менее 100 витков, намотанных плотно или на небольшом расстоянии друг от друга, лента выполнена шириной 120-200 мм и толщиной не более 0,1 мм, первичная обмотка электрически соединена с аккумуляторной батареей низкого напряжения через ключевой выключатель с образованием замкнутой электрической цепи, а вторичная обмотка является одновременно электропроводной обмоткой и магнитопровод, при этом витки первичной обмотки расположены вне витков вторичной обмотки таким образом, что обе обмотки образуют вольтодобавочный трансформатор, в котором вторичная обмотка представляет собой индукционную катушку повышающего трансформатора, обеспечивающую электропроводность за счет ленты из электротехнической стали, изолированной наружным слоем изоляции, и одновременно служащей сердечником для первичной обмотки, ЭДС снимается с помощью проводников эл. подключены к концам ленты вторичной обмотки и получаются за счет периодического срабатывания ключа-прерывателя.

    2. Генератор импульсов ЭДС самоиндукции по п.1, отличающийся тем, что первичная обмотка выполнена из медного или алюминиевого проводника.

    3. Генератор импульсов ЭДС самоиндукции по п.1, отличающийся тем, что первичная обмотка имеет три витка.

    4. Самоиндукционный генератор импульсов ЭДС по п.1, отличающийся тем, что низковольтная аккумуляторная батарея рассчитана на напряжение 12-24 вольта и является источником постоянного тока.

    5.Самоиндукционный генератор импульсов ЭДС по п. 1, отличающийся тем, что периодическая работа выключателя осуществляется с переменным током промышленной частоты 50 Гц.

    6. Импульсный генератор ЭДС самоиндукции по п.1, отличающийся тем, что расчет ЭДС самоиндукции обеспечивается геометрией цепи и магнитными свойствами сердечника для первичной обмотки.

    7. Импульсный генератор ЭДС самоиндукции по п.1, отличающийся тем, что форма контура выполнена круглой диаметром 150 мм и более.

    При замыкании ключа в цепи, показанной на рисунке 1, появится электрический ток, направление которого показано одиночными стрелками. При появлении тока возникает магнитное поле, линии индукции которого пересекают проводник и индуцируют в нем электродвижущую силу (ЭДС). Как указано в статье «Явление электромагнитной индукции», эта ЭДС называется ЭДС самоиндукции. Так как любая ЭДС индукции по правилу Ленца направлена ​​против причины, ее вызвавшей, а этой причиной будет ЭДС батареи ячеек, то ЭДС самоиндукции катушки будет направлена ​​против ЭДС батареи.Направление ЭДС самоиндукции на рисунке 1 показано двойными стрелками.

    Таким образом, ток в цепи устанавливается не сразу. Только когда установится магнитный поток, прекратится пересечение проводника магнитными линиями и исчезнет ЭДС самоиндукции. Тогда в цепи потечет постоянный ток.

    На рис. 2 показано графическое представление постоянного тока. Горизонтальная ось — время, вертикальная ось — текущий. Из рисунка видно, что если в первый момент времени сила тока равна 6 А, то в третий, седьмой и так далее моменты времени она также будет равна 6 А.

    На рис. 3 показано, как устанавливается ток в цепи после включения. ЭДС самоиндукции, направленная в момент включения против ЭДС батареи ячеек, ослабляет ток в цепи, и поэтому в момент включения ток равен нулю. Далее в первый момент времени ток равен 2 А, во второй момент времени — 4 А, в третий — 5 А, и только через некоторое время в цепи устанавливается ток 6 А.

    Рис. 3.График нарастания тока в цепи с учетом ЭДС самоиндукции Рисунок 4. ЭДС самоиндукции в момент размыкания цепи направлена ​​так же, как и ЭДС источника напряжения

    Когда цепь разомкнута (рис. 4), исчезающий ток, направление которого показано одной стрелкой, уменьшит ее магнитное поле. Это поле, уменьшаясь от определенного значения до нуля, вновь пересечет проводник и наведет в нем ЭДС самоиндукции.

    При отключении электрической цепи с индуктивностью ЭДС самоиндукции будет направлена ​​в ту же сторону, что и ЭДС источника напряжения. Направление ЭДС самоиндукции показано на рисунке 4 двойной стрелкой. В результате действия ЭДС самоиндукции ток в цепи исчезает не сразу.

    Таким образом, ЭДС самоиндукции всегда направлена ​​против причины, ее вызвавшей. Отмечая это его свойство, говорят, что ЭДС самоиндукции носит реактивный характер.

    Графически изменение тока в нашей цепи с учетом ЭДС самоиндукции при ее замыкании и с последующим ее размыканием в восьмой момент времени показано на рис. 5.

    Рисунок 5. График нарастания и спада тока в цепи с учетом ЭДС самоиндукции Рисунок 6. Индукционные токи при размыкании цепи

    При размыкании цепей, содержащих большое количество витков и массивных стальных сердечников или, как говорят, имеющих большую индуктивность, ЭДС самоиндукции может быть во много раз больше ЭДС источника напряжения.Тогда в момент размыкания воздушный зазор между ножом и неподвижным зажимом рубильника будет нарушен и образовавшаяся электрическая дуга расплавит медные части рубильника, а при отсутствии кожуха на рубильнике переключатель, он может обжечь руки человека (рис. 6).

    В самой цепи ЭДС самоиндукции может пробить изоляцию витков катушек, электромагнитов и т.п. Чтобы избежать этого, в некоторых коммутационных устройствах устраивают защиту от ЭДС самоиндукции в виде специального контакта, замыкающего накоротко обмотку электромагнита при его выключении.

    Следует иметь в виду, что ЭДС самоиндукции проявляется не только в моменты включения и выключения цепи, но и при любых изменениях тока.

    Величина ЭДС самоиндукции зависит от скорости изменения тока в цепи. Так, например, если для одной и той же цепи в одном случае в течение 1 секунды сила тока в цепи изменилась с 50 до 40 А (т. е. на 10 А), а в другом случае с 50 до 20 А (т. е. , на 30 А), то во втором случае в цепи будет индуцироваться втрое большая ЭДС самоиндукции.

    Величина ЭДС самоиндукции зависит от индуктивности самой цепи. Цепями высокой индуктивности являются обмотки генераторов, электродвигателей, трансформаторов и индукционные катушки со стальными сердечниками. Прямые проводники имеют меньшую индуктивность. Короткие прямые проводники, лампы накаливания и электронагревательные приборы (печки, конфорки) практически не имеют индуктивности и в них почти не наблюдается появление ЭДС самоиндукции.

    Магнитный поток, пронизывающий цепь и индуцирующий в ней ЭДС самоиндукции, пропорционален току, протекающему по цепи:

    Ф = L × I ,

    где L — коэффициент пропорциональности.Индуктивность называется. Определим размерность индуктивности:

    Ом × сек иначе называется генри (Гн).

    1 генри = 10 3; миллигенри (мГн) = 10 6 микрогенри (мкГн).

    Индуктивность, кроме генри, измеряется в сантиметрах:

    1 генри = 10 9 см.

    Так, например, 1 км телеграфной линии имеет индуктивность 0,002 Гн. Индуктивность обмоток больших электромагнитов достигает нескольких сотен генри.

    Если ток в контуре изменился на Δ i , то магнитный поток изменится на величину Δ Ф:

    Δ Ф = L × Δ i .

    Величина ЭДС самоиндукции, возникающая в цепи, будет равна (формула для ЭДС самоиндукции):

    При равномерном изменении тока во времени выражение будет иметь вид константа и ее можно заменить выражением. Тогда абсолютную величину ЭДС самоиндукции, возникающей в цепи, можно найти следующим образом:

    На основании последней формулы можно определить единицу индуктивности — генри:

    Проводник имеет индуктивность 1 Гн, если при равномерном изменении тока на 1 А за 1 секунду в нем наводится ЭДС самоиндукции величиной 1 В.

    Как мы видели выше, ЭДС самоиндукции возникает в цепи постоянного тока только в моменты ее включения, выключения и при любом ее изменении. Если величина тока в цепи неизменна, то магнитный поток проводника постоянен и ЭДС самоиндукции возникнуть не может (т.к. в моменты изменения тока в цепи ЭДС самоиндукции интерферирует при изменении тока, то есть имеет некое сопротивление ему

    Часто на практике встречаются случаи, когда необходимо изготовить катушку, не имеющую индуктивности (дополнительные сопротивления к электроизмерительным приборам, сопротивления вставные реостаты и тому подобное).При этом используется бифилярная обмотка катушки (рисунок 7)

    Формула явления самоиндукции. Формула ЭДС индукции

    При изменении тока в цепи изменяется поток магнитной индукции через поверхность, ограниченную этой цепью, изменение потока магнитной индукции приводит к возбуждению ЭДС самоиндукции. Направление ЭДС оказывается таким, что при увеличении тока в цепи ЭДС препятствует увеличению тока, а при уменьшении тока — уменьшению.

    Величина ЭДС пропорциональна скорости изменения силы тока I и индуктивности контура L :

    .

    Из-за явления самоиндукции в электрической цепи с источником ЭДС, при замыкании цепи ток устанавливается не мгновенно, а через некоторое время. Аналогичные процессы происходят и при размыкании цепи, при этом величина ЭДС самоиндукции может значительно превышать ЭДС источника. Чаще всего в быту используется в катушках зажигания автомобилей.Типичное напряжение самоиндукции при напряжении батареи 12В составляет 7-25кВ.

    Фонд Викимедиа. 2010 .

    Смотреть что такое «ЭДС самоиндукции» в других словарях:

      ЭДС самоиндукции — — [Я.Н. Лугинский, М.С. Фези Жилинская, Ю.С. Кабиров. Англо-русский словарь по электротехнике и энергетике, Москва, 1999] Разделы по электротехнике, основные понятия EN ЭДС самоиндукции, фарадеевское напряжение, индуктивность, напряжение, самоиндукция… …

      Это явление возникновения ЭДС индукции в проводящей цепи при изменении тока, протекающего по цепи. При силе тока в цепи пропорционально изменяется и магнитный поток через поверхность, ограниченную этим контуром. Изменить… … Википедия

      — (от лат. inductio руководство, побуждение), величина, характеризующая магнетическое. Св. ва эл. цепи. Ток, протекающий в проводящей цепи, создает вокруг себя магнит.поле, а магнитный поток F, пронизывающий контур (связанный с ним), равен прямо… … Физическая энциклопедия

      реактивная мощность — Величина, равная произведению действующего значения напряжения на действующее значение тока и синуса сдвига фаз между напряжением и током двухполюсной сети для синусоидального электрического тока и электрического Напряжение. [ГОСТ Р 52002 2003]… … Справочник технического переводчика

      Раздел физики, охватывающий знания о статическом электричестве, электрических токах и магнитных явлениях.ЭЛЕКТРОСТАТИКА В электростатике — явления, связанные с покоящимися электрическими зарядами. Наличие сил, действующих между… … Энциклопедия Кольера

      Электрическая машина, не имеющая движущихся частей и преобразующая переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения. В простейшем случае он состоит из магнитопровода (сердечника) и двух расположенных на нем обмоток, первичной и… … Энциклопедический словарь

    Связь электрического и магнитного полей

    Электрические и магнитные явления изучаются давно, но никому не приходило в голову как-то связать эти исследования друг с другом.И только в 1820 году было обнаружено, что на стрелку компаса действует проводник с током. Это открытие принадлежало датскому физику Гансу Христиану Эрстеду. Впоследствии его именем была названа единица измерения натяжения. магнитное поле в системе СГС: русское обозначение E (Oersted), английское — Oe. Магнитное поле имеет такую ​​напряженность в вакууме при индукции 1 Гаусс.

    Это открытие предполагало, что магнитное поле может быть получено из электрического тока.Но в то же время возникли мысли об обратном преобразовании, а именно о том, как получить из магнитного поля электричество. Ведь многие процессы в природе обратимы: из воды получается лед, который можно переплавить обратно в воду.

    Потребовалось двадцать два года после открытия Эрстеда, чтобы изучить этот теперь очевидный закон физики. Английский ученый Майкл Фарадей занимался получением электричества из магнитного поля. были изготовлены различные формы и размеры проводников и магнитов, искались варианты их взаимного расположения.И только, видимо, случайно ученый обнаружил, что для получения ЭДС на концах проводника необходимо еще одно слагаемое — движение магнита, т.е. магнитное поле обязательно должно быть переменным.

    Теперь это уже никого не удивляет. Так работают все электрические генераторы — пока он чем-то вращается, электричество вырабатывается, лампочка светит. Они остановились, перестали вращаться, и свет погас.

    Электромагнитная индукция

    Таким образом, ЭДС на концах проводника возникает только при его перемещении определенным образом в магнитном поле.Или, точнее, магнитное поле обязательно должно меняться, быть переменным. Это явление называется электромагнитной индукцией, в русском электромагнитном наведении: в этом случае говорят, что в проводнике наводится ЭДС. Если к такому источнику ЭДС подключить нагрузку, то в цепи будет протекать ток.

    Величина ЭДС индукции зависит от нескольких факторов: длины проводника, индукции магнитного поля В и в значительной степени от скорости движения проводника в магнитном поле.Чем быстрее вращается ротор генератора, тем выше напряжение на его выходе.

    Комментарий: электромагнитную индукцию (явление возникновения ЭДС на концах проводника в переменном магнитном поле) не следует путать с магнитной индукцией — векторной физической величиной, характеризующей само магнитное поле.

    Индукция

    Этот метод был рассмотрен. Достаточно переместить проводник в магнитном поле постоянным магнитом или наоборот переместить (почти всегда вращением) магнит вблизи проводника.Оба варианта точно позволят получить переменное магнитное поле. В этом случае метод получения ЭДС называют индукционным. Именно индукция используется для получения ЭДС в различных генераторах. В экспериментах Фарадея в 1831 году магнит постепенно перемещался внутри катушки с проволокой.

    Взаимная индукция

    Это название говорит о том, что в этом явлении принимают участие два проводника. В одном из них протекает переменный ток, который создает вокруг себя переменное магнитное поле.Если рядом находится другой проводник, то на его концах возникает переменная ЭДС.

    Этот метод получения ЭДС называется взаимной индукцией. Именно по принципу взаимной индукции работают все трансформаторы, только их проводники выполнены в виде катушек, а для усиления магнитной индукции используются сердечники из ферромагнитных материалов.

    Если ток в первом проводнике прекратится (обрыв цепи), или станет даже очень сильным, но постоянным (нет изменений), то на концах второго проводника ЭДС получить нельзя.Именно поэтому трансформаторы работают только на переменном токе: если к первичной обмотке подключить гальваническую батарею, то на выходе вторичной обмотки напряжения точно не будет.

    ЭДС во вторичной обмотке индуцируется только при изменении магнитного поля. Причем, чем сильнее скорость изменения, именно скорость, а не абсолютная величина, тем больше будет ЭДС индукции.

    самоиндукция

    Если убрать второй проводник, то магнитное поле в первом проводнике будет проникать не только в окружающее пространство, но и в сам проводник.Таким образом, под действием его поля в проводнике индуцируется ЭДС, которую называют ЭДС самоиндукции.

    Явления самоиндукции в 1833 году изучал русский ученый Ленц. На основе этих экспериментов удалось выяснить интересную закономерность: ЭДС самоиндукции всегда противодействует, компенсирует внешнее переменное магнитное поле, вызывающее эту ЭДС. Это соотношение называется правилом Ленца (не путать с законом Джоуля-Ленца).

    Знак минус в формуле как раз и говорит о противодействии ЭМП самоиндукции к причинам, его породившим. Если катушку подключить к источнику постоянного тока, ток будет увеличиваться довольно медленно. Это очень заметно при «прозвонке» стрелочным омметром первичной обмотки трансформатора: скорость движения стрелки к нулевому делению шкалы заметно меньше, чем при проверке резисторов.

    Когда катушка отключена от источника тока, ЭДС самоиндукции вызывает искрение контактов реле.В случае, когда катушка управляется транзистором, например катушка реле, то параллельно ей ставится диод в противоположном направлении по отношению к источнику питания. Это делается для того, чтобы защитить полупроводниковые элементы от воздействия ЭДС самоиндукции, которая может превышать напряжение источника питания в десятки и даже сотни раз.

    Для проведения экспериментов Ленц сконструировал интересное устройство. На концах алюминиевого коромысла закреплены два алюминиевых кольца.Одно кольцо цельное, а другое вырезано. Балансир свободно вращался на игле.

    При введении в сплошное кольцо постоянного магнита оно «убегало» от магнита, а при удалении магнита искало его. Те же действия с перерезанным кольцом никаких движений не вызвали. Это связано с тем, что в сплошном кольце под действием переменного магнитного поля возникает ток, создающий магнитное поле. А в разомкнутом кольце нет тока, следовательно, нет и магнитного поля.

    Важная деталь этого эксперимента состоит в том, что если магнит ввести в кольцо и оставить неподвижным, то никакой реакции алюминиевого кольца на присутствие магнита не наблюдается. Это еще раз подтверждает, что ЭДС индукции возникает только в случае изменения магнитного поля, а величина ЭДС зависит от скорости изменения. В данном случае просто от скорости движения магнита.

    То же самое можно сказать о взаимной индукции и самоиндукции, только изменение напряженности магнитного поля, а точнее скорость его изменения зависит от скорости изменения тока.Можно привести пример, иллюстрирующий это явление.

    Пусть через две достаточно большие одинаковые катушки проходят большие токи: через первую катушку 10А, а через вторую аж 1000, и в обеих катушках токи линейно возрастают. Предположим, что за одну секунду ток в первой катушке изменился с 10 до 15А, а во второй с 1000 до 1001А, что вызвало появление ЭДС самоиндукции в обеих катушках.

    Но несмотря на такое большое значение тока во второй катушке, ЭДС самоиндукции будет больше в первой, так как там скорость изменения тока 5А/с, а во второй только 1А/с.Ведь ЭДС самоиндукции зависит от скорости нарастания тока (читай магнитного поля), а не от его абсолютной величины.

    Индуктивность

    Магнитные свойства катушки с током зависят от количества витков, геометрических размеров. Значительного усиления магнитного поля можно добиться введением в катушку ферромагнитного сердечника. О магнитных свойствах катушки можно с достаточной точностью судить по величине ЭДС индукции, взаимной индукции или самоиндукции.Все эти явления обсуждались выше.

    Характеристика катушки, говорящая об этом, называется индуктивностью (самоиндуктивностью) или просто индуктивностью. В формулах индуктивность обозначается буквой L, а на схемах этой же буквой обозначаются катушки индуктивности.

    Единицей индуктивности является генри (Гн). Катушка имеет индуктивность 1Гн, в которой при изменении тока на 1А в секунду возникает ЭДС 1В. Эта величина достаточно велика: сетевые обмотки достаточно мощных трансформаторов имеют индуктивность один или несколько Гн.

    Поэтому часто используются значения меньшего порядка, а именно милли- и микрогенри (мГн и мкГн). Эти катушки используются в электронных схемах. Одно из применений катушек — колебательные контуры в радиоустройствах.

    Катушки

    применяют также в качестве дросселей, основное назначение которых — пропускать постоянный ток без потерь при ослаблении переменного тока (фильтры). Как правило, чем выше рабочая частота, тем меньшая индуктивность требуется катушкам.

    Индуктивное сопротивление

    Если взять достаточно мощный сетевой трансформатор и сопротивление первичной обмотки, то окажется, что оно всего несколько Ом, а то и близко к нулю.Получается, что ток через такую ​​обмотку будет очень большим, да еще и стремится к бесконечности. Кажется, короткое замыкание просто неизбежно! Так почему же не он?

    Одним из основных свойств катушек индуктивности является индуктивное сопротивление, которое зависит от индуктивности и частоты переменного тока, подключенного к катушке.

    Легко видеть, что с увеличением частоты и индуктивности индуктивное сопротивление увеличивается, а при постоянном токе вообще становится равным нулю.Поэтому при измерении сопротивления катушек мультиметром измеряется только активное сопротивление провода.

    Конструкция индукторов очень разнообразна и зависит от частот, на которых работает катушка. Например, для работы в дециметровом диапазоне радиоволн часто используются катушки с печатным монтажом. В массовом производстве этот способ очень удобен.

    Индуктивность катушки зависит от ее геометрических размеров, сердечника, количества слоев и формы. В настоящее время выпускается достаточное количество стандартных дросселей, аналогичных обычным резисторам с выводами.Эти катушки отмечены цветными кольцами. Существуют также катушки для поверхностного монтажа, используемые в качестве дросселей. Индуктивность таких катушек составляет несколько миллигенри.

    Термин индукция в электротехнике означает возникновение тока в электрической замкнутой цепи, если она находится в изменяющемся состоянии. Он был открыт всего двести лет назад Майклом Фарадеем. Гораздо раньше это мог сделать Андре Ампер, проводивший аналогичные эксперименты. Вставил в катушку металлический стержень, а потом, на беду, пошел в другую комнату посмотреть на стрелку гальванометра — а вдруг она сдвинется.И стрелка исправно делала свое дело — отклонялась, но пока Ампер бродил по комнатам — возвращалась к нулю. Так явление самоиндукции ждало еще десять лет, пока катушка, прибор и исследователь одновременно не оказались в нужном месте.

    Суть этого эксперимента заключалась в том, что ЭДС индукции возникает только при изменении магнитного поля, проходящего через замкнутую цепь. Но вы можете изменить его как угодно — либо изменить значение самого магнитного поля, либо просто переместить источник поля относительно того же замкнутого контура.Возникающая при этом ЭДС получила название «ЭДС взаимной индукции». Но это было только начало открытий в области индукции. Еще более удивительным было явление самоиндукции, открытое им примерно в то же время. В его опытах было установлено, что катушка не только индуцирует ток в другой катушке, но и при изменении тока в этой катушке наводит в ней дополнительную ЭДС. Так ее назвали ЭДС самоиндукции. В большой интерес представляет направление течения.Оказалось, что в случае с ЭДС самоиндукции ее ток направлен против ее «родителя» — тока, обусловленного основной ЭДС.

    Можно ли наблюдать явление самоиндукции? Как говорится, нет ничего проще. Соберем первые два — последовательно соединенные дроссель и лампочка, а второй — только лампочку. Подключить их к аккумулятору через общий выключатель. При включении видно, что лампочка в цепи с катушкой загорается «неохотно», а вторая лампочка, быстрее «подняться», включается моментально.Что творится? В обеих схемах после включения начинает течь ток, и он изменяется от нуля до своего максимума, и именно изменения тока и ждет катушка индуктора, которая и генерирует ЭДС самоиндукции. Есть ЭДС и замкнутая цепь, а значит, есть и ее ток, но он направлен противоположно основному току цепи, который, в конце концов, достигнет максимального значения, определяемого параметрами цепи и перестанут расти, а так как нет изменения тока, то нет и ЭДС самоиндукции.Все просто. Аналогичная картина, но с точностью до наоборот, наблюдается при отключении тока. Верная своей дурной привычке противодействовать любому изменению тока, ЭДС самоиндукции сохраняет свое течение в цепи после отключения питания.

    Сразу возник вопрос — что такое явление самоиндукции? Было установлено, что на ЭДС самоиндукции влияет скорость изменения тока в проводнике, и можно записать:

    Отсюда видно, что ЭДС самоиндукции Е прямо пропорциональна скорости изменения тока dI/dt и коэффициента пропорциональности L, называемого индуктивностью.За свой вклад в изучение вопроса о том, в чем состоит явление самоиндукции, Джордж Генри был вознагражден тем, что единица индуктивности генри (Гн) носит его имя. Именно индуктивность цепи протекания тока определяет явление самоиндукции. Можно представить, что индуктивность является своего рода «накопителем» магнитной энергии. Если ток в цепи увеличивается, электрическая энергия преобразуется в магнитную, задерживает рост тока, а когда ток уменьшается, магнитная энергия катушки превращается в электрическую и поддерживает ток в цепи.

    Наверное, каждому приходилось видеть искру при выключении вилки из розетки — это самый распространенный вариант проявления ЭДС самоиндукции в реальной жизни. Но в быту открываются токи максимум 10-20 А, а время открытия около 20 мс. При индуктивности порядка 1 Гн ЭДС самоиндукции в этом случае будет равна 500 В. Казалось бы, вопрос, в чем состоит явление самоиндукции, не так уж и сложен.Но на самом деле ЭДС самоиндукции — это большая техническая проблема. Суть в том, что при разрыве цепи, когда контакты уже разошлись, самоиндукция поддерживает протекание тока, а это приводит к выгоранию контактов, т.к. в технике коммутируют цепи с токами в сотни и даже тысячи ампер. Здесь часто речь идет об ЭДС самоиндукции в десятки тысяч вольт, а это требует дополнительного решения технических вопросов, связанных с перенапряжениями в электрических цепях.

    Но не все так мрачно. Бывает, что это вредное ЭМП очень полезно, например, в системах зажигания ДВС. Такая система состоит из индуктора в виде автотрансформатора и прерывателя. Через первичную обмотку проходит ток, который отключается прерывателем. В результате обрыва цепи возникает ЭДС самоиндукции в сотни вольт (при этом аккумулятор дает только 12В). Далее это напряжение дополнительно трансформируется, и на свечи зажигания подается импульс более 10 кВ.

    Знаете ли вы, В чем ложность понятия «физический вакуум»?

    физический вакуум — понятие релятивистской квантовой физики, под ним понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, имеющее нулевые импульс, момент импульса и другие квантовые числа. Теоретики-релятивисты называют физическим вакуумом пространство, полностью лишенное материи, заполненное неизмеримым, а потому лишь воображаемым полем. Такое состояние, по мнению релятивистов, представляет собой не абсолютную пустоту, а пространство, заполненное некими фантомными (виртуальными) частицами.Релятивистская квантовая теория поля утверждает, что в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы, то есть кажущиеся (казалось бы кому?) частицы: так называемые нулевые колебания полей происходить. Виртуальные частицы физического вакуума, а значит, и сами по себе, по определению, не имеют системы отсчета, так как в противном случае был бы нарушен принцип относительности Эйнштейна, на котором основана теория относительности (т. е. абсолютное измерение стала бы возможной система с отсылкой от частиц физического вакуума, что, в свою очередь, однозначно опровергло бы принцип относительности, на котором построена СТО).Таким образом, физический вакуум и его частицы не являются элементами физического мира, а лишь элементами теории относительности, не существующими в реальном мире, а лишь в релятивистских формулах, нарушающих принцип причинности (появляются и исчезают ни за какое время). разума), принцип объективности (виртуальные частицы могут считаться, в зависимости от желания теоретика, либо существующими, либо не существующими), принцип актуальной измеримости (не наблюдаемые, не имеющие собственного ИСО).

    Когда тот или иной физик использует понятие «физический вакуум», он либо не понимает абсурдности этого термина, либо лукавит, будучи скрытым или явным приверженцем релятивистской идеологии.

    Легче всего понять абсурдность этого понятия, обратившись к истокам его возникновения. Она родилась у Поля Дирака в 1930-е годы, когда стало ясно, что отрицание эфира в чистом виде, как это делал великий математик, но посредственный физик, уже невозможно.Слишком много фактов противоречит этому.

    В защиту релятивизма Поль Дирак ввел афизическое и алогичное понятие отрицательной энергии, а затем существование в вакууме «моря» двух компенсирующих друг друга энергий — положительной и отрицательной, а также «моря» частиц, компенсирующих друг друга — виртуальные (то есть кажущиеся) электроны и позитроны в вакууме.

    Магнитное поле цепи, в которой изменяется сила тока, индуцирует ток не только в других цепях, но и в самой себе. Это явление называется самоиндукцией.

    Экспериментально установлено, что магнитный поток вектора магнитной индукции поля, создаваемого током, протекающим в цепи, пропорционален силе этого тока:

    , где L — индуктивность контура. Постоянная характеристика контура, зависящая от его формы и размеров, а также от магнитной проницаемости среды, в которой находится контур. [L] = Hn (Генри,

    1H = Wb/A).

    Если за время dt ток в цепи изменится на dI, то магнитный поток, связанный с этим током, изменится на dФ = LdI, в результате чего в этой цепи появится ЭДС самоиндукции:

    Знак минус показывает, что ЭДС самоиндукции (а, следовательно, и ток самоиндукции) всегда препятствует изменению силы тока, вызвавшего самоиндукцию.

    Наглядным примером явления самоиндукции являются лишние токи замыкания и размыкания, возникающие при включении и выключении электрических цепей со значительной индуктивностью.

    Энергия магнитного поля

    Магнитное поле обладает потенциальной энергией, которая в момент его образования (или изменения) восполняется за счет энергии тока в цепи, которая в данном случае и работает против ЭДС самоиндукции в результате изменения поля.

    Работа dA за бесконечно малый промежуток времени dt, в течение которого ЭДС самоиндукции и ток I можно считать постоянными, равна:

    . (5)

    Знак минус указывает на то, что элементарная работа совершается током против ЭДС самоиндукции.Для определения работы при изменении тока от 0 до I интегрируем правую часть, получаем:

    . (6)

    Эта работа численно равна увеличению потенциальной энергии ΔW p магнитного поля, связанного с этим контуром, т. е. A= -ΔW p.

    Выразим энергию магнитного поля через его характеристики на примере соленоида. Будем считать, что магнитное поле соленоида однородно и в основном расположено внутри него. Подставим в (5) значение индуктивности соленоида, выраженное через его параметры, и значение тока I, выраженное из формулы индукции магнитного поля соленоида:

    , (7)

    , где N — общее количество витков соленоида; ℓ — его длина; S — площадь поперечного сечения внутреннего канала соленоида.

    , (8)

    После подстановки имеем:

    Разделив обе части на V, получим объемную плотность энергии поля:

    (10)

    или, учитывая, что
    получим
    . (11)

    Переменный ток

    2.1 Переменный ток и его основные характеристики

    Переменный ток — это ток, который изменяется во времени как по величине, так и по направлению. Примером переменного тока является потребляемый промышленный ток.Этот ток синусоидальный, т.е. мгновенные значения его параметров изменяются во времени по закону синуса (или косинуса):

    i = I 0 sinωt, u = U 0 sin(ωt + φ 0). (12)

    П Переменный синусоидальный ток можно получить при вращении рамки (контура) с постоянной скоростью

    в однородном магнитном поле с индукцией В (рис.5). При этом магнитный поток, пронизывающий контур, изменяется по закону

    , где S — площадь контура, α = ωt — угол поворота рамки за время t.Изменение потока приводит к ЭДС индукции

    , (17)

    , направление которой определяется правилом Ленца.

    E Если цепь замкнута (рис. 5), то по ней протекает ток:

    . (18)

    График изменения электродвижущей силы и индукционного тока и показан на рис.6.

    Переменный ток характеризуется периодом Т, частотой ν = 1/Т, циклической частотой
    и фазой φ = (ωt + φ 0) Графически значения напряжения и силы переменного тока на участке цепи будет представлена ​​двумя синусоидами, как правило, сдвинутыми по фазе на φ.

    Для характеристики переменного тока вводятся понятия действующего (действующего) значения тока и напряжения.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.