Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!
Явище електромагнітної індукції дуже часто спостерігається в електротехніці. Взаємний вплив електричних та магнітних полів іноді призводить до цікавих результатів. Самоіндукція - окремий випадок електромагнітної індукції.
Загальновідомо, що причиною зародження електричного струму є змінне магнітне поле. Саме цей принцип реалізовано у конструкціях сучасних генераторів. Природа самоіндукції також пов'язана з електромагнетизмом, але це явище проявляється вона по-іншому.
Визначення
Розглянемо схему котушки, за обмотками якої протікає електричний струм (рис. 1). Так як навколо провідника, який знаходиться під струмом, завжди існує пов'язане з ним магнітне поле, силові лінії цього поля пронизують площини витків. В результаті такої взаємодії соленоїди утворюють власне магнітне поле, магнітні лінії якого замикаються за його межами.
Мал. 1. Магнітне поле котушки
Приватним випадком котушки є замкнутий контур (один виток). У ньому, як і в котушці, утворюється власне магнітне поле (див. рис. 2). Якщо постійний струм, то в контурі ніяких змін не відбувається.
Але при зміні параметрів, наприклад, в результаті розмикання ланцюга, змінюється магнітний потік, створюваний електричним полем, що є причиною виникнення ЕРС індукції. Аналогічна зміна відбудеться і у разі замикання ланцюга.
Зміна параметрів магнітного поля викликає появу вихрового електричного поля, що призводить до збудження індуктивної електрорушійної сили. Виникнення ЕРС індукції, внаслідок зміни струмів у замкнутому контурі, називається самоіндукцією.
Магнітний потік, обмежений поверхнею контуру, змінюється прямо пропорційно до зміни струму, що циркулює в ньому.
Мал. 2. Явище самоіндукції
Напрям вектора ЕРС самоіндукції не збігається з напрямом струму в період його зростання (при замиканні ланцюга), але він сонаправлен з ним у період спадання (роз'єднання ланцюга). Така дія проявляється в уповільненні появи струму в соленоїді при замиканні ланцюга, або в його затримці на якийсь час після розриву ланцюга.
Описане явище можна спостерігати на досвіді з лампочками, одна з яких підключена послідовно з індуктивністю (див. рис. 3).
Мал. 3. Схема досвіду з лампочками
Як видно на малюнку зліва, струм від джерела живлення, що проходить через лампочку 2, при замиканні контактів зустріне опір вихрових струмів, оскільки вони протилежно спрямовані. Тому запалення цієї лампочки відбудеться із затримкою.
На час включення лампочки 1 вихрові струми вплинуть, але сила струму в її ланцюгу зменшиться після запалення лампи 2. При відключенні ланцюга від джерела живлення відбудеться зворотний процес: лампочка в ланцюгу індуктивності деякий час повільно згасатиме, а друга лампа поту відразу після роз'єднання контактів.
Графік на малюнку 4 красномовно пояснює ефект затримки.
Мал. 4. Ілюстрація затримки зміни струму в ланцюзі індуктивності
Зверніть увагу на нелінійність зміни сили струму за часом.
Аналогічні процеси відбуваються в ланцюзі, що складається з однієї котушки. На малюнку 5 зображено таку схему та графік зміни сили струму.
Мал. 5. Виникнення самоіндукції
Залишається додати, що швидкість зміни величини ЕРС залежить від кількості витків соленоїда. Чим більше витків, тим більше вплив вихрових струмів на параметри ланцюга.
У разі зі змінним струмом амплітуда ЕРС самоіндукції пропорційна амплітуді синусоїди харчування, її частоті та індуктивності котушки.
Синусоїдальний струм, проходячи через котушку індуктивності, зсувається по фазі на величину π/2. Саме це зрушення є причиною відставання власного струму котушки від струму, що виробляється джерелом живлення.
Формули
Власний магнітний потік контуру (Ф) пов'язаний прямо пропорційною залежністю з індуктивністю (L) цього контуру та величиною струму в ньому (i). Ця залежність виражається формулою: Ф=L×i. Коефіцієнт пропорційності L прийнято називати коефіцієнтом самоіндукції або просто індуктивністю контуру.
При цьому індуктивність контуру залежить від його геометрії, площі площини обмеженої витком і магнітної проникності навколишнього середовища. Але це коефіцієнт залежить від сили струму в контурі. Якщо ж форма, лінійні розміри і магнітна проникність не змінюються, то визначення величини індуктивної ЕРС застосовується формула:
де Eсамоінд. - ЕРС самоіндукції, Δi - зміна сили струму за час Δt.
Індуктивність
Вище ми відзначили, що індуктивність контуру залежить від його геометрії та розмірів, а також від магнітної проникності середовища. Якщо йдеться про котушку, то ці твердження справедливі і для неї. На індуктивність котушки впливає її діаметр та кількість витків. Індуктивність істотно підвищується, якщо до котушки додати феромагнітний сердечник.
Магнітні поля окремих витків котушки складаються. Якщо витків досить багато, то струм, що протікає через котушку, утворює навколо неї сильне магнітне поле, що реагує зміни електричного поля. Індуктивність є величиною, яка характеризує те, наскільки сильно провідник, з якого складаються витки, протидіє електричному струму.
Чим більша індуктивність котушки і чим вища швидкість переривання її ланцюга, тим більший сплеск ЕРС відбудеться в ланцюзі. При цьому полярність вихрових струмів на висновках котушки протилежна напрямку струму джерела живлення.
Індуктивність (тобто коефіцієнт пропорційності) є важливою характеристикою котушок, дроселів та інших контурних елементів. Цей параметр можна порівняти з ємністю конденсаторів. Тим більше, що дія котушки індуктивності та конденсатора в електричних ланцюгах дуже схожі. RL і RC ланцюжки часто використовують для згладжування сплесків напруг у різних фільтрах.
Одиницею виміру індуктивності в міжнародній системі СІ є генрі. Величина розмірів 1 Гн - це така індуктивність, при якій ЕРС становить 1 В, при швидкості зміни струму на 1 А за секунду.
Індуктивність визначає кількість енергії, що виділяється в результаті дії власного магнітного поля при самоіндукції. Цю енергію легко розрахувати за формулою: Wм=LI2/2.
Власна енергія котушки чисельно дорівнює роботі, яку необхідно виконати джерелом живлення при подоланні ЕРС самоіндукції.
Важливо знати, що внаслідок різкого розриву ланцюга з великою індуктивністю, енергія вивільняється у вигляді іскри або навіть з утворенням дугового розряду.
Приклади використання на практиці
Явище самоіндукції знайшло широке практичне застосування. Автолюбителі чудово знають, що таке котушка запалювання. Без неї карбюраторний двигун не запуститься.
Працює цей важливий вузол наступним чином:
- На котушку з великою індуктивністю подається бортова напруга 12 В.
- Електричний ланцюг різко обривається спеціальним переривником.
- Накопичена енергія самоіндукції надходить високовольтним проводам на свічку і утворює на її електродах потужну іскру.
- Іскровий розряд запалює паливну суміш, рухаючи поршень.
У сучасних автомобілях розрив ланцюга виконує електроніка, але суть від цього не змінюється - для утворення іскри, як і раніше, використовується енергія самоіндукції.
Ми вже згадували про мережеві фільтри, в яких використовується явище самоіндукції. RL ланцюжок реагує на будь-які зміни параметрів. При його зростанні вона затримує в часі пікові стрибки та заповнює власними вихровими струмами провали. Таким чином, відбувається згладжування напруги в електричних ланцюгах.
У блоках живлення електронної апаратури таким же способом прибирають:
- шуми:
- пульсації;
- небажані частоти.
Самоіндукція дроселів використовується в люмінесцентних лампах для розпалювання електродів. Після спрацьовування стартера відбувається розрив контактів, у результаті в дроселі наводиться ЕРС самоіндукції. Енергія дроселя розпалює дугу на електродах, і люмінесцентна лампа починає світитися.
Наведені приклади демонструють корисне застосування самоіндукції. Однак, як це завжди буває, індуктивна ЕРС може завдавати шкоди.При роз'єднанні контактів вимикачів, навантаження яких є ланцюги з великою індуктивністю, можливі дугові розряди. Вони руйнують контакти, уповільнюють час захисту тощо. З метою зниження ризику від негативних впливів самоіндукції автоматичні вимикачі обладнають дугогасними камерами.
У таких випадках доводиться вживати заходів для нейтралізації енергії ЕРС самоіндукції. Ще більша потреба у розсіянні енергії самоіндукції виникає у напівпровідникових ключах, чутливих до пробоїв.
У промисловості та енергетиці самоіндукція є серйозною проблемою. При відключенні навантажених ліній ЕРС самоіндукції може досягати небезпечних життя величин. Це вимагає додаткових витрат на вжиття запобіжних заходів. Зокрема, необхідно встановлювати на лініях пристрою, що перешкоджають блискавичному розмиканню ланцюга.