Явление самоиндукции играет важную роль в работе многих электротехнических устройств. Понимание принципов самоиндукции позволяет глубже разобраться в физике процессов, происходящих в электрических цепях. В этой статье мы подробно рассмотрим сущность самоиндукции, связанные с ней величины, такие как индуктивность и энергия магнитного поля, а также применение этого уникального свойства катушек в различных областях электротехники.
Сущность явления самоиндукции
Самоиндукция представляет собой частный случай электромагнитной индукции, когда изменение магнитного потока происходит за счет изменения тока в самом проводнике. Другими словами, ЭДС индукции возникает в замкнутом контуре при изменении силы тока в этом же контуре.
Это происходит из-за того, что электрический ток в проводнике порождает вокруг себя магнитное поле. Когда сила тока меняется, соответственно меняется и это магнитное поле, его магнитный поток. А согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, при изменении магнитного потока в замкнутом контуре возникает электродвижущая сила индукции.
Величина ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения тока в контуре:
Eси = -L*ΔI/Δt
где L - индуктивность катушки, ΔI/Δt - скорость изменения тока.
Знак минус в формуле означает, что согласно правилу Ленца направление ЭДС самоиндукции всегда такое, чтобы противодействовать изменению тока в цепи.
Таким образом, явление самоиндукции аналогично инерции в механике - объект сопротивляется изменению своего движения. Катушка как бы не хочет сразу менять значение тока в себе под действием внешних сил.
Понятие индуктивности
Индуктивность L - это коэффициент пропорциональности между магнитным потоком Ф, создаваемым током в контуре, и значением этого тока I:
Ф = L*I
В СИ индуктивность измеряется в генри (Гн). Индуктивность контура равна 1 Гн, если при силе тока 1 А магнитный поток в контуре составляет 1 Вб.
На величину индуктивности L влияют:
- геометрические размеры контура (длина, площадь, число витков)
- форма расположения проводника
- магнитные свойства среды внутри контура
Чтобы увеличить индуктивность, проводник заворачивают в катушку, увеличивая число витков N. Индуктивность катушки (соленоида) рассчитывается по формуле:
L = μ*N2*S/l
где μ - магнитная проницаемость среды, S - площадь сечения катушки, l - длина.
Если рядом с катушкой индуктивностью L1 расположить другую катушку L2, то изменение тока в одной катушке будет наводить ЭДС в другой. Это явление называется взаимной индукцией, а коэффициенты пропорциональности между токами и потоками в соседних катушках называются взаимной индуктивностью M.
Энергия магнитного поля катушки индуктивности
При протекании тока I по катушке индуктивности L, источник тока тратит часть энергии на создание магнитного поля вокруг катушки. Эта энергия магнитного поля выражается формулой:
Wм = (L*I2)/2
Она прямо пропорциональна квадрату силы тока. Чем больше индуктивность катушки, тем больше энергии магнитного поля она может накопить при заданном токе.
При увеличении тока в катушке энергия ее магнитного поля возрастает. А когда ток в катушке уменьшается, энергия магнитного поля выделяется в виде тока самоиндукции.
Проявление самоиндукции при замыкании цепи
Рассмотрим, что происходит в катушке при замыкании электрической цепи, содержащей источник тока, катушку и резистор.
В момент замыкания ключа K ток в катушке индуктивности L начинает нарастать. Однако рост тока сначала замедлен из-за возникновения ЭДС самоиндукции, которая направлена навстречу току от источника.
Поэтому ток в катушке увеличивается не мгновенно до максимума Imax = E/R, а постепенно. Скорость нарастания тока тем меньше, чем больше индуктивность катушки.
Время, за которое ток в катушке достигает своего максимального значения, приблизительно равно постоянной времени:
τ = L/R
Таким образом, благодаря самоиндукции рост тока в катушке происходит плавно, без скачков. Это очень полезно во многих радиотехнических устройствах.
Применение самоиндукции в колебательных контурах
Катушка индуктивности, соединенная с конденсатором, образует колебательный контур. Благодаря самоиндукции и емкости конденсатора в таком контуре возникают незатухающие электрические колебания, используемые в радиопередатчиках и приемниках для передачи и приема радиоволн.
В последовательном LC-контуре происходит резонанс напряжений, когда при определенной частоте амплитуда напряжения на катушке и конденсаторе резко возрастает.
Такие контуры применяют для выделения нужной частоты в радиоприемниках. Их добротность, характеризующая избирательность, напрямую зависит от индуктивности катушки.
Применение самоиндукции в генераторах
В электрических генераторах самоиндукция используется для преобразования механической энергии вращения в электрическую энергию переменного тока.
Принцип действия основан на вращении контура (обмотки) в магнитном поле. Из-за пересечения силовых линий магнитного поля в обмотке наводится переменная ЭДС самоиндукции.
Частота вырабатываемого переменного тока прямо пропорциональна скорости вращения обмотки. Регулируя скорость, можно менять частоту и амплитуду выходного напряжения генератора.
Применение самоиндукции в электродвигателях
В электродвигателях происходит обратный процесс - под действием вращающегося магнитного поля статора в обмотке ротора наводится переменная ЭДС самоиндукции, которая заставляет ротор вращаться.
В асинхронных двигателях используется короткозамкнутый ротор, в синхронных - ротор с постоянными магнитами или обмоткой возбуждения. Регулируя частоту и амплитуду тока статора, можно управлять скоростью вращения ротора.
Электродвигатели с самоиндукцией широко используются в промышленности, бытовой технике, транспорте.
Применение самоиндукции в электрических звонках
В старых механических электрических звонках использовалась катушка индуктивности с якорем внутри. При подаче тока якорь притягивался, замыкая контакты, и тогда начинал звенеть колокольчик.
При выключении тока якорь под действием пружины отходил в исходное положение, но благодаря самоиндукции его движение замедлялось, и он не ударялся о катушку, а плавно возвращался назад, обеспечивая приятный перезвон.
Применение самоиндукции в электромагнитных реле
В электромагнитных реле используется соленоид с подвижным ферромагнитным якорем внутри. При прохождении тока якорь притягивается к катушке и замыкает контакты.
При выключении тока благодаря самоиндукции якорь отходит плавно, не "прилипает" к сердечнику катушки, что обеспечивает четкую работу реле.
Применение самоиндукции в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания
В двигателях внутреннего сгорания для воспламенения топливной смеси используются свечи зажигания. В нужный момент катушка зажигания создает импульс высокого напряжения за счет самоиндукции.
Первичная обмотка катушки замыкается током от батареи. Магнитное поле быстро пронизывает витки вторичной обмотки, индуцируя в ней высокую ЭДС самоиндукции, которая пробивает искровой промежуток свечи.
Применение самоиндукции в датчиках
Существуют индуктивные датчики, использующие катушку индуктивности для бесконтактного измерения линейных и угловых перемещений, скорости вращения и других величин.
Принцип основан на изменении индуктивности катушки при перемещении ферромагнитного сердечника внутри нее. Это изменение преобразуется в изменение выходного сигнала датчика.
Применение самоиндукции в индукционном нагреве
При индукционном нагреве металлов используется явление наведения вихревых токов в проводнике, помещенном в переменное магнитное поле. Эти токи нагревают проводник.
Источником переменного магнитного поля служит индуктор - катушка индуктивности, по которой пропускают переменный ток. За счет самоиндукции в индукторе создается мощное магнитное поле.
Применение самоиндукции в вычислительной технике
В современных компьютерах и других цифровых устройствах широко используются катушки индуктивности в качестве элементов электрических цепей, фильтров, датчиков.
Благодаря самоиндукции они помогают формировать импульсные сигналы, сглаживать пульсации, подавлять помехи, преобразовывать сигналы датчиков в цифровую форму.
