Induktori i magnetska polja. Dio 2. Elektromagnetska indukcija i induktivnost

Prvi dio članka: Induktori i magnetska polja

Odnos električnog i magnetskog polja

Električne i magnetske pojave dugo su se proučavale, ali nikome nije palo na pamet da te studije nekako povežu jedni s drugima. I tek 1820. godine otkriveno je da na iglama kompasa djeluje strujni vodič. Ovo otkriće pripadalo je danskom fizičaru Hansu Christianu Oerstedu. Nakon toga, jedinica za mjerenje jakosti magnetskog polja u GHS sustavu dobila je ime po njemu: ruska oznaka E (Oersted), engleska oznaka Oe. Magnetsko polje ima takav intenzitet u vakuumu tijekom indukcije 1 Gauss.

Ovo otkriće sugerira da se iz električne struje može dobiti magnetsko polje. No istodobno su se pojavile misli o obrnutoj transformaciji, naime o tome kako dobiti magnetsku struju iz magnetskog polja. Zaista su mnogi procesi u prirodi reverzibilni: iz vode se dobiva led koji se opet može otopiti u vodi.

Nakon otkrića Oersteda, proučavanje ovog sada očitog zakona fizike trajalo je čak dvadeset i dvije godine. Engleski znanstvenik Michael Faraday bavio se dobivanjem električne energije iz magnetskog polja. Izrađeni su provodnici i magneti različitih oblika i veličina, a tražene su mogućnosti za njihovo međusobno slaganje. I samo, naizgled, slučajno, znanstvenik je otkrio da je za dobivanje EMF-a na krajevima vodiča potreban još jedan pojam - kretanje magneta, tj. magnetsko polje mora biti varijabilno.

Sada to nikoga ne iznenađuje. Ovako rade svi električni generatori - dok se on rotira s nečim, proizvodi se električna energija, žarulja svijetli. Zaustavio se, prestao se okretati i svjetlo se ugasilo.

Elektromagnetska indukcija

Dakle, EMF na krajevima vodiča nastaje samo ako se na određeni način pomiče u magnetskom polju. Ili, preciznije, magnetsko polje se mora nužno mijenjati, biti promjenjivo. Taj se fenomen u ruskom naziva elektromagnetska indukcija: u ovom slučaju kažu da se EMF inducira u vodiču. Ako je na takav izvor EMF-a priključeno opterećenje, u krugu će teći struja.

Jačina induciranog EMF ovisi o nekoliko čimbenika: duljini vodiča, indukciji magnetskog polja B i u velikoj mjeri o brzini kretanja vodiča u magnetskom polju. Što se brže rotira generator, to je veći napon na njegovom izlazu.

Napomena: elektromagnetsku indukciju (fenomen pojave EMF-a na krajevima vodiča u izmjeničnom magnetskom polju) ne treba miješati s magnetskom indukcijom - vektorskom fizikalnom veličinom koja karakterizira stvarno magnetsko polje.

Tri načina da se dobije EMF

indukcija

Ova metoda je razmatrana. u prvom dijelu članka, Dovoljno je pomicanje vodiča u magnetskom polju stalnog magneta ili obrnuto pomicanje (gotovo uvijek rotacijom) magneta u blizini vodiča. Obje opcije će vam definitivno omogućiti dobivanje izmjeničnog magnetskog polja. U ovom se slučaju metoda dobivanja EMF-a naziva indukcija. To je indukcija koja se koristi za dobivanje EMF-a u raznim generatorima. U pokusima Faradayja 1831. godine magnet se postupno kretao unutar žičane zavojnice.

Međusobna indukcija

Ovaj naziv sugerira da u toj pojavi sudjeluju dva dirigenta. U jednom od njih teče promjenjiva struja, koja stvara izmjenično magnetsko polje oko nje. Ako je u blizini još jedan vodič, tada se na njegovim krajevima nalazi promjenjivi EMF.

Ova metoda dobivanja EMF naziva se međusobnom indukcijom.Na principu međusobne indukcije djeluju svi transformatori, samo su njihovi provodnici izvedeni u obliku zavojnica, a jezgre izrađene od feromagnetskih materijala koriste se za pojačavanje magnetske indukcije.

Ako se struja u prvom vodiču zaustavi (otvoreni krug) ili čak postane vrlo jaka, ali konstantna (nema promjena), na krajevima drugog vodiča ne može se dobiti EMF. Zato transformatori rade samo na izmjeničnu struju: ako je galvanska baterija spojena na primarno navijanje, na izlazu sekundarnog namota definitivno neće biti napona.

EMF u sekundarnom namotu inducira se samo kad se magnetsko polje promijeni. Štoviše, što je veća brzina promjene, naime brzina, a ne apsolutna vrijednost, veći je inducirani EMF.

Samoindukcija

Ako uklonite drugi vodič, tada će magnetsko polje u prvom vodiču prožimati ne samo okolni prostor, već i sam vodič. Dakle, pod utjecajem njegovog polja u elektricitetu induciranog vodičem, koji se naziva EMF samoindukcije.

Fenome samoindukcije 1833. proučavao je ruski znanstvenik Lenz. Na temelju ovih eksperimenata nađen je zanimljiv obrazac: EMF samoindukcije uvijek djeluje suprotno, nadoknađuje vanjsko izmjenično magnetsko polje koje uzrokuje ovaj EMF. Ta se ovisnost naziva Lenzovom vladavinom (da se ne brka s Joule-Lenzovim zakonom).

Znak minus u formuli upravo govori o suprotstavljanju EMF-u samoindukcije svojim uzrocima. Ako je zavojnica spojena na izvor istosmjerne struje, struja će se povećavati prilično sporo. To je vrlo uočljivo kada je primarno navijanje transformatora "birano" klipnim ohmmetrom: brzina strelice u smjeru nulte skale primjetno je manja nego kod ispitivanja otpornika.

Kad se zavojnica odvoji od izvora struje, samoinduktivni EMF uzrokuje iskrenje kontakata releja. U slučaju kada zavojnicom upravlja tranzistor, na primjer, relejska zavojnica, dioda se postavlja paralelno s njom u suprotnom smjeru u odnosu na izvor napajanja. To se radi kako bi se poluvodički elementi zaštitili od utjecaja EMF samoindukcije, koja može biti u desetinama ili čak stotinama puta većim od napona izvora napajanja.

Za provođenje eksperimenata, Lenz je konstruirao zanimljiv uređaj. Dva aluminijska prstena učvršćena su na krajevima aluminijske poluge. Jedan je prsten čvrst, a drugi je izrezan. Kamena se slobodno rotira na igli.

Kad je stalni magnet uveden u čvrsti prsten, on je "pobjegao" iz magneta, a kad je magnet uklonjen, tražio ga je. Isti postupci s rezanim prstenom nisu uzrokovali nikakve pokrete. To je zbog činjenice da u neprekidnom prstenu pod utjecajem izmjeničnog magnetskog polja nastaje struja koja stvara magnetsko polje. Ali u otvorenom prstenu nema struje, dakle, nema ni magnetsko polje.

Važna pojedinost ovog eksperimenta je da ako se magnet umetne u prsten i ostane nepomičan, tada se ne opaža reakcija aluminijskog prstena na prisutnost magneta. Ovo još jednom potvrđuje da se indukcijski EMF pojavljuje samo u slučaju promjene magnetskog polja, a jačina EMF ovisi o brzini promjene. U ovom slučaju, jednostavno od brzine kretanja magneta.

Isto se može reći i za međusobnu indukciju i samoindukciju, samo promjena snage magnetskog polja, točnije, njegova brzina promjene ovisi o brzini promjene struje. Kako bismo ilustrirali ovaj fenomen, možemo dati primjer.

Neka velike struje prolaze kroz dvije dovoljno velike identične zavojnice: kroz prvu zavojnicu 10A, a kroz drugu čak 1000, pri čemu se struje linearno povećavaju u obje zavojnice. Pretpostavimo da se u jednoj sekundi struja u prvoj zavojnici promijenila s 10 na 15A, a u drugoj iz 1000 u 1001A, što je uzrokovalo pojavu samoinduktivnog EMF-a u obje zavojnice.

No, unatoč tako ogromnoj vrijednosti struje u drugom zavojnici, EMF samoindukcije će biti veći u prvom jer je tamo brzina promjene struje 5A / s, a u drugom samo 1A / s. Doista, EMF samoindukcije ovisi o brzini porasta struje (očitajte magnetsko polje), a ne o njezinoj apsolutnoj vrijednosti.

induktanca

Magnetska svojstva svitka sa strujom ovise o broju okreta, geometrijskim dimenzijama. Značajno povećanje magnetskog polja može se postići uvođenjem feromagnetske jezgre u zavojnicu. O magnetskim svojstvima zavojnice može se procijeniti s dovoljnom točnošću prema veličini EMF-a indukcije, međusobne indukcije ili samo-indukcije. Sve ove pojave razmatrane su gore.

Karakteristika svitka, koja o tome govori, naziva se koeficijentom induktivnosti (samoindukcija) ili jednostavno induktivnošću. U formulama je induktivnost označena slovom L, a na dijagramima isto slovo označava zavojnice induktivnosti.

Jedinica induktivnosti je Henry (GN). Indukcija 1H ima zavojnicu u kojoj se, kada se struja promijeni za 1A u sekundi, stvara EMF od 1V. Ova je vrijednost prilično velika: mrežni namoti dovoljno moćnih transformatora imaju induktivitet jednog ili više GN-a.

Stoga se vrlo često koriste vrijednosti manjeg reda, naime milli i mikro-henry (mH i μH). Takvi se zavojnice koriste u elektroničkim krugovima. Jedna od primjena zavojnica su oscilatorni krugovi u radijskim uređajima.

Također se zavojnice koriste kao prigušnice, čija je glavna svrha preskakanje istosmjerne struje bez gubitaka, a slabljenje izmjenične struje (filtri u napajanjima). Općenito, što je veća radna frekvencija, potrebno je manje induktivne zavojnice.

induktivni reaktancija

Ako uzmete dovoljno moćan mrežni transformator i izmjerite multimeterom otpor primarnog namota, ispada da je samo nekoliko ohma, pa čak i blizu nule. Ispada da će struja kroz takvo navijanje biti vrlo velika, pa čak imati tendenciju do beskonačnosti. Čini se da je kratki spoj neizbježan! Pa zašto nije?

Jedno od glavnih svojstava induktora je induktivni otpor, koji ovisi o induktivnosti i frekvenciji izmjenične struje koja je spojena na svitak.

Lako je vidjeti da se s porastom frekvencije i induktivnosti povećava induktivni otpor, a u istoj struji općenito postaje jednak nuli. Stoga se pri mjerenju otpora zavojnica multimeterom mjeri samo aktivni otpor žice.

Dizajn induktora je vrlo raznolik i ovisi o frekvencijama na kojima zavojnica djeluje. Na primjer, za rad u decimetarskom rasponu radio valova, često se koriste zavojnice načinjene ispisanim ožičenjem. U masovnoj proizvodnji ova je metoda vrlo prikladna.

Induktivnost zavojnice ovisi o njenim geometrijskim dimenzijama, jezgri, broju slojeva i obliku. Trenutno se proizvodi dovoljan broj standardnih induktora, slično uobičajenim otpornicima sa vodičima. Označavanje takvih zavojnica provodi se obojenim prstenovima. Postoje i zavojnice za površinsko ugradnju koje se koriste kao prigušnice. Induktivnost takvih zavojnica je nekoliko miligena.