3.12. Явления при замыкании и размыкании тока. Энергия магнитного поля
Явления при замыкании и размыкании тока обусловлены индуктивностью цепи или самоиндукцией. Пусть, например, в цепь с аккумулятором включена катушка. Если каким-либо образом изменять ток в цепи, то собственный магнитный поток через катушку будет изменяться, и в цепи, помимо ЭДС аккумулятора, начнет действовать электродвижущая сила самоиндукции, которая по правилу Ленца будет препятствовать изменению питающего катушку тока. При этом удобно считать, что в дополнение к питающему току аккумулятора пойдет ток, вызванный ЭДС самоиндукции. Этот ток называется экстратоком или индукционным током. По правилу Ленца индукционный ток должен препятствовать причине (изменению начального тока в катушке), его вызвавшей. Следовательно, при увеличении тока в цепи индукционный ток потечет навстречу, а при уменьшении – в том же направлении, что и первичный ток.
Разберем
явления, возникающие при замыкании и
размыкании цепи.
При замыкании цепи ток
возрастает с нуля. Навстречу начинает
течь индукционный ток (экстраток
замыкания), который препятствует этому
возрастанию. Поэтому ток в цепи достигает
своего постоянного значения не сразу,
а лишь через некоторое время, зависящее
от величины индуктивности. Наоборот,
при размыкании цепи ток исчезает не
сразу, так как некоторое время течет
экстраток размыкания, направленный так
же, как и первичный ток. Отметим, что при
резком размыкании цепи при определенных
условиях величины ЭДС самоиндукции и
экстратока размыкания могут быть велики,
и превышать ЭДС источника величину
тока, текущего до размыкания цепи.
Поэтому на предприятиях для того, чтобы
не повредить электрооборудованиеие,
напряжение отключают не сразу, а понижают
до нуля постепенно.
При замыкании ключаК в первый момент помимо ЭДС
в цепи действует также ЭДС самоиндукции
s.
По закону Ома сила тока
.Учитывая формулу (3.26, а), получаем дифференциальное уравнение относительно функции :
.
Общее решение этого уравнения имеет вид
.
Величина константы С определяется из начального условия, показывающего, что в момент замыкания (при ) ток равен нулю. В итоге получим, что, и сила тока:
, (3.27)
где постоянная, имеющая размерность времени и называемая временем установления тока. Из формулы (3.27) видно, что полный ток состоит из двух слагаемых. Слагаемое представляет собой экстраток замыкания. По прошествии достаточно большого времени экстраток замыкания становится очень малым, т.е. приостается лишь второе слагаемое, представляющее собой величину постоянного установившегося тока.
Исследуем процесс размыкания цепи, представленной на рис. 3.21. Общий ток в цепи распределяется между катушкой с сопротивлением и индуктивностью ии сопротивлением. Сопротивление источника тока будем считать очень малым. При замкнутом ключе ток, текущий через катушку. При размыкании ключа ток в замкнутом контуре катушки и сопротивления падает до нуля не сразу, поскольку в контуре начинает действовать поддерживающая ток ЭДС самоиндукции. Согласно закону Ома величина тока в контуре. Применяя формулу (3.26,а), получим:
. (3.28)
Отсюда следует дифференциальное уравнение
,
которое
решается с учетом начального условия
(при
сила тока).
, (3.29)
где . Решение (3.29) представляет собой экстраток размыкания. При. Величинапредставляет собой время, за которое сила тока в контуре убывает в е раз.
Дифференцируя выражение (3.28), найдем значение ЭДС самоиндукции:
.
Видно,
что при условии
в начальный момент времени после
размыкания цепи величина ЭДС самоиндукции
во много раз может превзойти значение.
Это можно показать на опыте, заменив
сопротивлениелампочкой и соответствующим образом
подобрать параметры цепи. Например,
еслиВ, можно взять лампочку, рассчитанную
на 10 В.
При замкнутом ключе лампочка
будет гореть тускло. При размыкании
ключа она на мгновение ярко вспыхивает.
А если ЭДС индукции во много раз превысит
значение ЭДС батареи, лампочка может
даже перегореть.
Рассмотрим теперь явление размыкания цепи (рис. 3.21) с точки зрения закона сохранения энергии. Будем предполагать, что вместо резистора в цепь включена лампочка. Откуда же берется энергия, затраченная на вспышку лампочки? Источник тока уже отключен и не отдает энергию в контур. Следовательно, запасом энергии обладает катушка с током. Эту энергию она получила от аккумулятора, когда ключ был замкнут. В процессе самоиндукции при исчезновении тока в катушке её энергия и переходит в энергию вспышки.
Что
собой представляет энергия катушки с
током? В начальный момент времени по
катушке идет ток
,
который создает магнитное поле.
Исчезновение тока в катушке означает
исчезновение магнитного поля. Значит,
по сути, энергия катушки с током – это
энергия её магнитного поля.
Рассчитаем энергию магнитного поля катушки с током. Преобразуем формулу (3.28): . Помножим обе части последнего уравнения на:
. (3.30)
По закону Джоуля-Ленца левая часть (3.30) представляет собой количество теплоты , выделившееся в резистореза время. Значит уравнение (3.30) можно переписать в виде:
. (3.30,а)
Проинтегрируем обе части уравнения (3.30,а), учитывая, что начальный ток равен , а конечный ток равен нулю:
.
Поскольку
на сопротивлении
тепло выделяется за счет энергии
магнитного поля катушки, правая часть
полученного уравнения должна представлять
собой энергию катушки.
Таким образом,
энергия магнитного поля катушки с током:
(3.31)
Формула (3.31) остается справедливой и для энергии магнитного поля произвольного контура с индуктивностью и током.
В дальнейшем будет выведено выражение для плотности энергии электромагнитного поля катушки с током (пример 3.17, стр.136).
37. Ток при замыкании и размыкании цепи
По правилу Ленца дополнительные токи, возникающие вследствие самоиндукции, всегда направлены так, чтобы противодействовать изменениям тока в цепи. Это приводит к тому, что установление тока при замыкании цепи и убывание тока при размыкании цепи происходит не мгновенно, а постепенно.
Размыкание цепи.
В момент времени отключим источник тока, замкнув одновременно цепь накоротко. Как только сила тока в цепи начнёт убывать, возникает э. д. с. самоиндукции, противодействующая этому убыванию. Сила тока в цепи будет удовлетворять уравнению
Или
Разделив переменные получим
Отсюда
При следовательно
– постоянная
времени цепи.
Чем больше индуктивность
цепи и меньше её сопротивления, тем
больше постоянная времени и тем медленнее
спадает ток в цепи.
Замыкание цепи.
После подключения источника э. д. с., до тех пор, пока сила тока не достигнет установившегося значения, в цепи кроме э. д. с. будет действовать э. д. с. самоиндукции.
Если в контуре 1 течет ток силы , он создаёт через контур 2 пропорциональный току, текущему в первом контуре, полный магнитный поток. При изменениях тока в первом контуре во втором контуре индуцируется э. д. с. (предполагаем, что ферромагнетиков вблизи контуров нет)
Контуры 1 и2 называются СВЯЗАННЫМИ, а явление возникновения э. д. с. в одном из контуров при изменениях силы тока в другом называется ВЗАИМНОЙ ИНДУКЦИЕЙ.
Коэффициенты
пропорциональности и называются ВЗАИМНОЙ
ИНДУКТИВНОСТЬЮ контуров.
В отсутствии ферромагнетиков эти
коэффициенты всегда равны друг другу.
Их величина зависит от формы, размеров
и взаимного расположения контуров, а
также от магнитной проницаемости
окружающей контуры среды.
Энергия магнитного поля.
Рассмотрим цепь, состоящую из источника э. д. с., резистора, ключа и соленоида. (учебник Савельева стр. 195 рис 67.1). При замкнутом ключе установится ток, который обусловит магнитное поле, сцепленное с витками соленоида. Если разомкнуть ключ, то через резистор (сопротивление) будет некоторое время течь постепенно убывающий ток, поддерживаемый возникающей в соленоиде э. д. с. самоиндукции. Работа, совершаемая этим током за время
Если индуктивность соленоида не зависит от тока , то
Работа, совершаемая в цепи за всё время, в течение которого происходит исчезновение магнитного поля . Совершение этой работы сопровождается исчезновением магнитного поля, которое первоначально существовало в окружающем соленоид пространстве. Поскольку никаких других изменений в окружающих электрическую цепь телах не происходит, остаётся заключить, что магнитное поле является носителем энергии, за счёт которой и совершается работа. Таким образом, мы приходим к выводу, что проводник с индуктивностью L, по которому течет ток, обладает энергией
Иначе,
работа, которую необходимо совершить
против э.
д. с. самоиндукции в процессе
нарастания тока от 0 до
и которая идёт на создание магнитного
поля, обладающего энергией.
электрических цепей — Почему ток не течет при разомкнутом проводе?
спросил
Изменено 8 лет, 7 месяцев назад
Просмотрено 12 тысяч раз
$\begingroup$Я понимаю, что на этот вопрос может быть трудно ответить, но в настоящее время мы изучаем ток в нашей школе. Одна вещь, которая меня поразила, это почему, черт возьми, он не течет, когда провод закрыт?
Когда вы подключаете положительную клемму батареи (но не подключаете отрицательную клемму) к проводнику, свободно связанные/свободные электроны в проводнике должны притягиваться к положительной клемме батареи. Это должно вызвать цепную реакцию до тех пор, пока каждый атом в проводнике не отдаст максимум, на который он способен, и дальнейший поток невозможен из-за того, что атомы теперь сильно притягивают свои оставшиеся электроны.
Почему этого не происходит? Должен быть мгновенный ток, и провод должен стать положительно заряженным. Почему нет? Почему он течет только тогда, когда цепь замкнута?
- электрические цепи
- электрические
- батареи
Для создания заряда требуется очень мало электронов. Да, когда вы подключаете провод к положительной клемме батареи, некоторые электроны перетекают из провода в батарею, чтобы зарядить провод. Их немного и это происходит быстро, так что счетчик этого не покажет.
$\endgroup$ $\begingroup$ Это очень просто, чтобы передать ток, ему нужен путь к
следовать в отличие от напряжения (потенциала), которое вы можете
есть с разомкнутой цепью. Подумайте об этом так: электронам нужно прыгать с
атом к атому, это будет происходить до тех пор, пока не достигнет
конец провода или проводника. В конце провода
что заканчивается, электрон останавливается и накапливается до
максимально возможное напряжение.
Вот как вы можете
измеряйте напряжение при разомкнутой цепи, но не ток, так как электрон должен остановиться в конце
провода. Они не могут прыгать на открытый воздух, если только
скачок очень маленький или напряжение очень высокое, как в
гроза. Думайте о течении, как о воде в трубе. Если труба
закрытый он останавливается
В батарее или ячейке концентрация электронов на отрицательном полюсе высока, и когда провода соединены, электроны перетекают от отрицательного к положительному. Как вы спросили, почему свободные электроны не притягиваются к положительному выводу, это потому, что если электроны притягиваются к положительному выводу, в проводнике теперь останутся ионы, и он не может быть стабильным. Он должен быть в полной молекуле. 9+$ не сможет добраться до положительной клеммы из-за электрического поля клеммы. Теперь на этот раз $PbO_2$ bar+ проводник становится плюсовой клеммой.
$\endgroup$Зарегистрируйтесь или войдите в систему
Зарегистрируйтесь с помощью Google Зарегистрироваться через Facebook Зарегистрируйтесь, используя адрес электронной почты и парольОпубликовать как гость
Электронная почтаТребуется, но никогда не отображается
Опубликовать как гость
Электронная почтаТребуется, но не отображается
Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания и подтверждаете, что прочитали и поняли нашу политику конфиденциальности и кодекс поведения.
Как электрический ток течет по проводнику?
Как электрический ток течет по проводнику?
Основой электричества является атом. Все, включая нас самих, состоит из атома. Все материалы, которые мы использовали, сделаны из атомов. Материалы просто разные, потому что конструкция атома немного отличается.
Атомы состоят из свободных частиц, находящихся в центре ядра, и свободных частиц, находящихся вне ядра. В центре атома находится ядро, в ядре присутствуют нейтроны, которые не имеют заряда.
угол в стандартном положении
Пожалуйста, включите JavaScript
угол в стандартном положении И есть протон, который заряжен положительно. Нейтроны и протоны тяжелее электронов, эти останутся в ядре. Окружающие ядро различные слои орбитальной оболочки — это все свободные электроны. Электроны текут вдоль прохода мухи почти так же, как орбиты или планеты ожидают скорости потока электронов света.
Электроны отрицательно заряжены и притягиваются к положительному заряду протонов, электронов вокруг ядра на орбитальных оболочках и в оболочках присутствует определенное количество электронов.
Атомы крепко удерживают свои электроны, некоторые материалы удерживают их сильнее, чем другие. Самая внешняя оболочка известна как оболочка орбиты. В этой оболочке некоторые материалы теряют связанные электроны, которые могут плавать в атомах. Атомы могут передавать электроны или охлаждать проводники с других атомов, у которых нет свободных электронов.
Изоляторы стеклянные и резиновые. Мы можем комбинировать эти материалы и безопасно использовать электричество, имея в центре проводники, которые позволяют электронам двигаться вокруг этого изолятора, ограничивая, где они могут безопасно течь.
Внутри медного кабеля свободные электроны вокруг ядра атома меди. Свободные электроны способны беспорядочно перемещать атомы в любом направлении.
Если мы подключим медный кабель к замкнутой цепи с источником питания, таким как напряжение батареи, это заставит электрон двигаться, и он будет перетекать в том же направлении и возвращаться обратно к другому выводу батареи.
В безопасной цепи это означает, что электроны будут течь вдоль двух клемм положительного и отрицательного источника питания. Таким образом, мы можем добавить такие вещи, как световые столбы, и этот электрон должен пройти через это и получить другой терминал, который мы можем использовать в качестве света. Цепь будет размыкаться или замыкаться, в замкнутой цепи будут течь электроны, в разомкнутой цепи электроны не смогут течь.
Напряжение – это сила, выталкивающая электроны в цепи, подобно давлению в водопроводной трубе. Чем больше давление, тем больше воды будет течь, чем меньше давление, тем меньше воды будет течь. То же напряжение, если больше напряжение, будет течь больше электронов, если меньше напряжение, меньше электронов.
Вольт – это джоуль/кулон
Джоуль – это мера работы энергии
Кулон – это группа протекающих электронов
Посмотрим джоуль/кулон работы
Батарея 9 В обеспечивает 9 джоулей энергии в виде работы или тепла на группу электронов с одной стороны батареи на другую. В этом случае ток электронов с одной стороны батареи через фонарный столб, который производит свет и электроны перетекает на другую сторону батареи. Следовательно, фонарный столб выделяет 9 джоулей тепла.
Что такое токТок — это низкий уровень электронов, когда цепь замкнута, это означает, что электроны могут течь, когда цепь разомкнута, электроны не текут.
Мы можем измерить поток электронов точно так же, как поток воды в трубе. Для измерения потока электронов мы можем использовать единицу измерения Ампер.
1 Ампер = 1 кулон/сек
1 кулон – группа электронов
Группа невероятно велика, приблизительно 6 миллиардов 242 миллиона электронов должны пройти за 1 секунду.
Вот почему электроны сгруппированы вместе, что делает ампер проще для инженеров.
Сопротивление — это ограничение потока электронов в цепи. Электроны, естественно, имеют некоторое сопротивление. Чем длиннее провод, тем больше сопротивление, чем меньше провод, тем меньше сопротивление.
Сопротивление потоку электронов различно для каждого материала, и температура материала также изменяет сопротивление потоку электронов.
В цепи используются специально разработанные компоненты, известные как резисторы, которые намеренно сопротивляются потоку электронов. Это сделано для защиты компонентов от слишком большого количества электронов, протекающих через них. Мы также можем использовать свет и тепло, такие как лампы накаливания.
Сопротивление возникает, когда электроны сталкиваются с атомами. Столкновение отличается от одного материала к другому. Медь имеет очень низкую частоту столкновений, другие материалы, такие как железо, имеют гораздо больше столкновений.
Когда происходит столкновение, атомы выделяют тепло и температуру, материал начинает светиться, а также тепло, которое является работой лампы накаливания.
Что такое индуктор
Когда провод захвачен в виде катушки, он генерирует магнитное поле при прохождении тока. Кабель, естественно, обладает большим магнитным полем сам по себе. При намотке на катушку магнитное поле становится сильным. Магнитное поле воздействует на электроны внутри провода.
Мы можем увеличить силу магнитного поля, обернув катушку вокруг железного сердечника, а также увеличив количество витков катушки и увеличив силу тока в цепи. Так работают электромагниты и на этой основе работает асинхронный двигатель.
Когда магнитное поле проходит через провод, оно индуцирует напряжение в их проводе. Индуцированная электромагнитная сила будет толкать электроны в определенном направлении.
Что такое трансформатор
В трансформаторе мы можем объединить один провод катушки, вырабатывающий электричество, а другая катушка находится рядом друг с другом, и это создаст трансформатор.
