Induktorok és mágneses mezők. 2. rész. Elektromágneses indukció és induktivitás

A cikk első része: Induktorok és mágneses mezők

Az elektromos és a mágneses mező kapcsolat

Az elektromos és mágneses jelenségeket hosszú ideje vizsgálták, de senkinek sem történt valami, hogy ezeket a vizsgálatokat valamilyen módon összekapcsolják egymással. És csak 1820-ban fedezték fel, hogy egy áramvezető hat az iránytű tűjén. Ez a felfedezés a Christian Christian Oersted dán fizikushoz tartozott. Ezt követően a GHS rendszer mágneses térerősségének mértékegységét elnevezték: orosz E (Oersted) megjelöléssel, angol Oe megjelöléssel. A mágneses mező ilyen intenzitással rendelkezik vákuumban 1 Gauss indukció során.

Ez a felfedezés azt sugallta, hogy a mágneses teret villamos áramból lehet elérni. Ugyanakkor gondolatok merültek fel az inverz transzformációról, nevezetesen arról, hogyan lehetne villamos áramot szerezni a mágneses mezőből. Valójában a természetben sok folyamat megfordítható: a jégből víz származik, amelyet ismét vízbe lehet olvasztani.

Oersted felfedezése után a most nyilvánvaló fizikai törvény tanulmányozása huszonkét évig tartott. Michael Faraday angol tudós az elektromos áram elnyerésével foglalkozott mágneses mezőből. Készítettek különféle formájú és méretű vezetékeket és mágneseket, és keresték meg a lehetőségeket kölcsönös elrendezésre. És csak látszólag véletlenszerűen a tudós fedezte fel, hogy ahhoz, hogy az elektromágneses áramot a vezető végén megkapjuk, szükség van egy másik kifejezésre - a mágnes mozgására, azaz a mágneses mezőnek változtathatónak kell lennie.

Most ez nem lep meg senkit. Így működik az összes villamos generátor - mindaddig, amíg valami elforgat, villamos energiát termel, izzó világít. Megállt, megállt, és a fény kialudt.

Elektromágneses indukció

Így az EMF a vezető végén csak akkor fordul elő, ha egy meghatározott módon mozgatják a mágneses mezőben. Vagy pontosabban: a mágneses mezőnek szükségszerűen meg kell változnia, változtathatónak kell lennie. Ezt a jelenséget orosz elektromágneses útmutatásban elektromágneses indukciónak nevezzük: ebben az esetben azt mondják, hogy az elektromágneses frekvencia indukálódik a vezetőben. Ha terhelés van csatlakoztatva egy ilyen EMF-forráshoz, áram áramlik az áramkörben.

Az indukált EMF nagysága több tényezőtől függ: a vezető hosszától, a B mágneses mező indukciójától és nagymértékben a vezetőnek a mágneses mezőben történő mozgásának sebességétől. Minél gyorsabban forog a generátor forgórésze, annál nagyobb a feszültsége a kimeneten.

Megjegyzés: az elektromágneses indukciót (az EMF előfordulásának jelenléte a vezető végén váltakozó mágneses mezőben) nem szabad összekeverni a mágneses indukcióval - egy vektor fizikai mennyiségével, amely a tényleges mágneses teret jellemzi.

Három módszer az EMF elérésére

indukció

Ezt a módszert figyelembe vették. a cikk első részében. Elegendő a vezetőt az állandó mágnes mágneses mezőjében mozgatni, vagy fordítva, ha a mágneset a vezető közelében (szinte mindig forgatással) mozgatni. Mindkét lehetőség biztosan lehetővé teszi váltakozó mágneses mező elérését. Ebben az esetben az EMF előállításának módszerét indukciónak nevezzük. Az indukciót használják az EMF előállításához különböző generátorokban. Az 1831-es Faraday kísérleteiben a mágnes fokozatosan mozogott a huzaltekercs belsejében.

Kölcsönös indukció

Ez a név azt sugallja, hogy két karmester vesz részt ebben a jelenségben. Az egyikben változó áram folyik, amely váltakozó mágneses teret hoz létre körülötte. Ha van egy másik vezető a közelben, akkor annak végeinél van egy változó EMF.

Az EMF előállításának ezt a módját kölcsönös indukciónak nevezzük.A transzformátorok a kölcsönös indukció elvén működnek, csak vezetőik tekercsek formájában készülnek, és a ferromágneses anyagokból készült magokat használják a mágneses indukció fokozására.

Ha az első vezető árama leáll (nyitott áramkör), vagy akár nagyon erős lesz, de állandó (nincs változás), akkor a második vezető végén nem érhető el EMF. Ez az oka annak, hogy a transzformátorok csak váltakozó árammal működnek: ha galvanikus akkumulátort csatlakoztatnak az elsődleges tekercshez, akkor a szekunder tekercs kimenetén biztosan nincs feszültség.

A szekunder tekercsben az EMF csak akkor alakul ki, amikor a mágneses mező megváltozik. Sőt, minél erősebb a változás sebessége, nevezetesen a sebesség, és nem az abszolút érték, annál nagyobb az indukált EMF.

Saját indukció

Ha eltávolítja a második vezetőt, akkor az első vezeték mágneses tere nemcsak a környező teret, hanem magát a vezetőt is áthatolja. Így a vezeték által indukált EMF-nek a tere hatása alatt, amelyet önindukció EMF-nek hívnak.

Az önindukció 1833-as jelenségeit Lenz orosz tudós vizsgálta. E kísérletek alapján érdekes mintát találtak: az önindukció EMF mindig ellensúlyozza, kompenzálja a külső váltakozó mágneses teret, amely ezt az EMF-et okozza. Ezt a függőséget Lenz-szabálynak hívják (nem szabad összetéveszteni a Joule-Lenz-törvénynel).

A formula mínuszjele csak az önindukció EMF-jének az okai általi ellensúlyozásáról szól. Ha a tekercset egyenáramú áramforráshoz csatlakoztatják, akkor az áram meglehetősen lassan növekszik. Ez nagyon észrevehető, amikor a transzformátor primer tekercsét ohmmérővel „tárcsázzuk”: a nyíl sebessége a nulla skála-megosztás irányában észrevehetően alacsonyabb, mint az ellenállások ellenőrzésekor.

Amikor a tekercs leválasztásra kerül az áramforrástól, az önindukciós EMF a reléérintkezők szikráját okozza. Abban az esetben, ha a tekercset egy tranzisztor, például egy relétekercs vezérli, egy diódát helyezünk rá párhuzamosan az áramforráshoz képest ellentétes irányba. Ez annak érdekében történik, hogy megvédjük a félvezető elemeket az EMF önindukció hatásaitól, amely tízszer vagy akár százszor is lehet nagyobb, mint az energiaforrás feszültsége.

A kísérletek elvégzéséhez Lenz érdekes eszközt készített. Két alumínium gyűrű van rögzítve az alumínium billenőkar végén. Az egyik gyűrű szilárd, a másik levágott. A rocker szabadon forog a tűn.

Amikor egy állandó mágnest bevezettek egy folyamatos gyűrűbe, az „kiszabadult” a mágnestől, és amikor a mágnest eltávolították, azt kereste. Ugyanezek a vágott gyűrűvel végzett műveletek nem okoztak semmilyen mozgást. Ennek oka az a tény, hogy egy folyamatos gyűrűben váltakozó mágneses mező hatására olyan áram lép fel, amely mágneses mezőt hoz létre. De a nyitott gyűrűben nincs áram, tehát nincs mágneses mező sem.

Ennek a kísérletnek a fontos része, hogy ha egy mágnes be van helyezve a gyűrűbe és helyben marad, akkor az alumínium gyűrűnek a mágnes jelenlétére való reakcióját nem figyeli meg. Ez ismét megerősíti, hogy az EMF indukció csak a mágneses mező megváltozása esetén fordul elő, és az EMF nagysága a változás sebességétől függ. Ebben az esetben egyszerűen a mágnes mozgásának sebességéből.

Ugyanez mondható el a kölcsönös indukcióról és az önindukcióról, csak a mágneses mező erősségének megváltozása, pontosabban annak változási sebessége az áramváltozás sebességétől függ. Ennek a jelenségnek a bemutatására példát adhatunk.

Hagyja, hogy a nagy áramok két, elég nagy, azonos tekercsen áthaladjanak: az első 10A tekercsen és a másodikon akár 1000-nél, az áramok mindkét tekercsnél lineárisan növekedve. Tegyük fel, hogy egy másodpercben az első tekercsben az áram 10-ről 15 A-ra, a második pedig 1000-re 1001 A-ra változott, ami mindkét tekercsben önindukciós EMF megjelenését váltotta ki.

De a második tekercs áramának ilyen hatalmas értéke ellenére az önindukciós EMF az elsőben nagyobb lesz, mivel ott az áram változási sebessége 5A / s, a másodikban csak 1A / s. Végül is az önindukció EMF-je az áram növekedésének sebességétől függ (olvassuk le a mágneses teret), és nem az abszolút értékétől.

induktivitás

A tekercs mágneses tulajdonságai az árammal függnek a fordulások számától, a geometriai méretektől. A mágneses mező jelentős növekedését érhetjük el, ha egy ferromágneses magot bevezetünk a tekercsbe. A tekercs mágneses tulajdonságai megfelelő pontossággal megítélhetők az indukció, a kölcsönös indukció vagy az önindukció EMF nagysága alapján. Mindezeket a jelenségeket fent figyelembe vettük.

A tekercs tulajdonságát, amely erről beszél, az induktivitási együtthatónak (önindukció) vagy egyszerűen az induktivitásnak nevezzük. A képletekben az induktivitást L betű jelöli, az ábrákon ugyanaz a betű az induktivitás tekercseket jelöli.

Az induktivitás mértékegység Henry (GN). Az 1H induktivitásnak olyan tekercs van, amelyben, amikor az áram másodpercenként 1A-val változik, 1 V EMF jön létre. Ez az érték elég nagy: a kellően erős transzformátorok hálózati tekercseinek egy vagy több GN induktivitása van.

Ezért elég gyakran kisebb értékű értékeket használnak, nevezetesen a milliót és a mikro-henryt (mH és μH). Az ilyen tekercseket elektronikus áramkörökben használják. A tekercsek egyik alkalmazása rádióberendezések oszcillációs áramkörei.

A tekercseket fojtóként is használják, amelynek fő célja az egyenáram veszteség nélküli átugrása, miközben a váltakozó áramot gyengíti (szűrők) a tápegységekben). Általában minél nagyobb az üzemi frekvencia, annál kevesebb induktanciatekercsre van szükség.

induktív reaktancia

Ha elég erőteljes hálózati transzformátort vesz és mérje meg multiméterrel Az elsődleges tekercs ellenállása esetén kiderül, hogy csak néhány ohm, sőt nulla közelében van. Kiderül, hogy az ilyen tekercsen átáramló áram nagyon nagy lesz, sőt a végtelenségig is hajlamos. A rövidzár elkerülhetetlennek tűnik! Akkor miért nem?

Az induktorok egyik fő tulajdonsága az induktív ellenállás, amely az induktivitástól és a tekercshez kapcsolt váltakozó áram frekvenciájától függ.

Könnyű belátni, hogy a frekvencia és az induktivitás növekedésével az induktív ellenállás növekszik, és egyenáramban általában nullával egyenlő. Ezért a tekercsek ellenállásának multiméterrel történő mérésekor csak a huzal aktív ellenállását mérik.

A induktorok felépítése nagyon változatos, és attól függ, hogy milyen frekvenciákon működnek a tekercs. Például a rádióhullámok deciméter-tartományában végzett munkához elég gyakran használnak nyomtatott huzalozással készített tekercseket. A tömeggyártásban ez a módszer nagyon kényelmes.

A tekercs induktivitása a geometriai méreteitől, a magtól, a rétegek számától és alakjától függ. Jelenleg elegendő számú standard induktor készül, hasonlóan a vezetékekkel ellátott hagyományos ellenállásokhoz. Az ilyen tekercsek jelölését színes gyűrűkkel végezzük. Vannak olyan felületre szerelhető tekercsek is, amelyeket fojtóként használnak. Az ilyen tekercsek induktivitása több milligén.