Induktoriai ir magnetiniai laukai. 2 dalis. Elektromagnetinė indukcija ir induktyvumas

Pirma straipsnio dalis: Induktoriai ir magnetiniai laukai

Elektrinių ir magnetinių laukų santykis

Elektriniai ir magnetiniai reiškiniai buvo tiriami ilgą laiką, tačiau niekada nebuvo kam nors kažkaip susieti šiuos tyrimus vienas su kitu. Ir tik 1820 m. Buvo nustatyta, kad srovės laidininkas veikia kompaso adatą. Šis atradimas priklausė danų fizikui Hansui Christianui Oerstedui. Vėliau jo vardu buvo pavadintas GHS sistemos magnetinio lauko stiprio matavimo vienetas: rusiška nuoroda E (Oersted), angliška nuoroda Oe. Magnetinis laukas tokio intensyvumo vakuume indukuojant 1 Gausą.

Šis atradimas leido manyti, kad magnetinis laukas gali būti gaunamas iš elektros srovės. Tačiau tuo pat metu kilo minčių apie atvirkštinę transformaciją, būtent, kaip iš magnetinio lauko gauti elektros srovę. Iš tiesų, daugelis gamtoje vykstančių procesų yra grįžtami: iš vandens gaunamas ledas, kuris vėl gali būti ištirpęs vandenyje.

Atradus Oerstedą, šio dabar akivaizdaus fizikos dėsnio tyrimas užtruko net dvidešimt dvejus metus. Anglų mokslininkas Michaelas Faradėjus užsiėmė elektros energijos gavimu iš magnetinio lauko. Buvo pagaminti įvairių formų ir dydžių laidininkai ir magnetai, ieškoma galimybių juos tarpusavyje išdėstyti. Ir tik, matyt, atsitiktinai, mokslininkas atrado, kad norint gauti EMF laidininko galuose, reikia dar vieno termino - magneto judėjimo, t. magnetinis laukas turi būti kintamas.

Dabar tai nieko nestebina. Taip veikia visi elektros generatoriai - tol, kol kažkas sukasi, generuojama elektra, šviečia lemputė. Sustojo, nustojo suktis, ir šviesa užgeso.

Elektromagnetinė indukcija

Taigi, EML laidininko galuose atsiranda tik tuo atveju, jei jis tam tikru būdu judinamas magnetiniame lauke. Arba, tiksliau tariant, magnetinis laukas būtinai turi keistis, būti kintamas. Šis reiškinys rusų elektromagnetiniame nurodyme vadinamas elektromagnetine indukcija: tokiu atveju jie sako, kad laidininkas sukelia EML. Jei prie tokio EML šaltinio prijungta apkrova, grandinėje tekės srovė.

Sukeltos EML dydis priklauso nuo kelių veiksnių: laidininko ilgio, B magnetinio lauko indukcijos ir didžiąja dalimi nuo laidininko judėjimo greičio magnetiniame lauke. Kuo greičiau generatoriaus rotorius sukasi, tuo didesnė įtampa jo išvestyje.

Pastaba: elektromagnetinė indukcija (EML atsiradimas laidininko galuose kintamame magnetiniame lauke) neturėtų būti painiojama su magnetine indukcija - vektoriaus fizikiniu dydžiu, apibūdinančiu tikrąjį magnetinį lauką.

Trys būdai, kaip gauti EML

Indukcija

Šis metodas buvo apsvarstytas. pirmoje straipsnio dalyje. Pakanka perkelti laidininką nuolatinio magneto magnetiniame lauke arba atvirkščiai, jei norite perkelti (beveik visada sukdami) magnetą šalia laidininko. Abi parinktys neabejotinai leis jums gauti kintamą magnetinį lauką. Šiuo atveju EML gavimo būdas vadinamas indukcija. Tai indukcija, naudojama norint gauti EML įvairiuose generatoriuose. 1831 m. Faraday eksperimentuose magnetas palaipsniui judėjo vielos ritės viduje.

Tarpusavio indukcija

Šis pavadinimas rodo, kad du laidininkai dalyvauja šiame reiškinyje. Viename iš jų teka kintanti srovė, kuri aplink ją sukuria kintamą magnetinį lauką. Jei netoliese yra kitas laidininkas, tada jo galuose yra kintamas EML.

Šis EML gavimo būdas vadinamas tarpusavio indukcija.Visi transformatoriai veikia abipusės indukcijos principu, tik jų laidininkai yra gaminami ričių pavidalu, o šerdys, pagamintos iš feromagnetinių medžiagų, naudojamos sustiprinti magnetinę indukciją.

Jei pirmojo laidininko srovė sustoja (atvira grandinė) arba netgi tampa labai stipri, bet pastovi (pokyčių nėra), tada antrojo laidininko galuose negalima gauti EML. Štai kodėl transformatoriai veikia tik kintama srove: jei prie pirminės apvijos prijungta galvaninė baterija, antrinėje apvijoje išėjimo įtampa tikrai nebus.

EML antrinėje apvijoje indukuojamas tik pasikeitus magnetiniam laukui. Be to, kuo stipresnis pokyčio greitis, būtent greitis, o ne absoliuti vertė, tuo didesnis yra sukeltas EML.

Savęs indukcija

Jei pašalinsite antrąjį laidininką, tada pirmojo laidininko magnetinis laukas prasiskverbs ne tik supančią erdvę, bet ir patį laidininką. Taigi, esant jo lauko įtampai laidininke, sukeltas EML, kuris vadinamas savaiminio indukcijos EMF.

Savistabos reiškinius 1833 m. Tyrė rusų mokslininkas Lenzas. Remiantis šiais eksperimentais buvo rastas įdomus modelis: savaiminės indukcijos EMF visada neutralizuoja, kompensuoja išorinį kintamąjį magnetinį lauką, kuris sukelia šį EML. Ši priklausomybė vadinama Lenzo taisykle (nereikia painioti su Džoulio-Lenco įstatymu).

Minuso ženklas formulėje tiesiog kalba apie savų indukcijos EML neutralizavimą jo priežastimis. Jei ritė yra prijungta prie nuolatinės srovės šaltinio, srovė padidės gana lėtai. Tai labai pastebima, kai pirminė transformatoriaus apvija yra „surenkama“ su rodyklės ommetru: rodyklės greitis nulinės skalės padalijimo kryptimi yra pastebimai mažesnis nei tikrinant rezistorius.

Kai ritė atjungiama nuo srovės šaltinio, savaiminė indukcija EMF sukelia relės kontaktų kibirkštį. Tuo atveju, kai ritę valdo tranzistorius, pavyzdžiui, relinė ritė, diodas dedamas lygiagrečiai su ja priešinga kryptimi energijos šaltinio atžvilgiu. Tai daroma siekiant apsaugoti puslaidininkinius elementus nuo EMF savaiminės indukcijos, kuri gali dešimtis ar net šimtus kartų viršyti energijos šaltinio įtampą, įtakos.

Eksperimentams atlikti Lenzas sukonstravo įdomų prietaisą. Du aliuminio žiedai pritvirtinti aliuminio svirties galuose. Vienas žiedas yra tvirtas, o kitas buvo supjaustytas. Rokeris laisvai sukasi ant adatos.

Kai nuolatinis magnetas buvo įvestas į tvirtą žiedą, jis „išsiveržė“ iš magneto, o pašalinus magnetą, jis jo ieškojo. Tie patys veiksmai su nupjautu žiedu nesukėlė jokių judesių. Taip yra dėl to, kad ištisiniame žiede, veikiant kintamam magnetiniam laukui, atsiranda srovė, sukurianti magnetinį lauką. Bet atvirame žiede nėra srovės, todėl nėra ir magnetinio lauko.

Svarbi šio eksperimento detalė yra tai, kad jei magnetas įstatomas į žiedą ir lieka nejudantis, tada aliuminio žiedo reakcija į magnetas nestebima. Tai dar kartą patvirtina, kad indukcinis EML įvyksta tik pasikeitus magnetiniam laukui, o EML dydis priklauso nuo pokyčio greičio. Tokiu atveju paprasčiausiai iš magneto judėjimo greičio.

Tą patį galima pasakyti apie abipusę indukciją ir savaiminę indukciją, tik keičiasi magnetinio lauko stipris, tiksliau, jo kitimo greitis priklauso nuo srovės kitimo greičio. Norėdami iliustruoti šį reiškinį, galime pateikti pavyzdį.

Leiskite didelėms srovėms praeiti per du pakankamai didelius identiškus ritinius: per pirmąją ritę 10A ir per antrąją - net 1000, kai srovės tiesiškai didėja abiejose ritėse. Tarkime, kad per vieną sekundę pirmojoje ritėje srovė pasikeitė nuo 10 iki 15A, o per antrą - nuo 1000 iki 1001A, dėl ko abiejose ritėse atsirado savaiminio indukcijos EMF.

Nepaisant tokios didžiulės srovės vertės antrojoje ritėje, savaiminis indukcijos EMF bus didesnis pirmojoje, nes ten dabartinis pokyčio greitis yra 5A / s, o antroje - tik 1A / s. Iš tiesų, sav indukcijos EML priklauso nuo srovės padidėjimo greičio (skaityti magnetinį lauką), o ne nuo jo absoliučios vertės.

Induktyvumas

Ritinės magnetinės savybės su srove priklauso nuo apsisukimų skaičiaus, geometrinių matmenų. Ženkliai padidinant magnetinį lauką, galima įvesti į ritę feromagnetinę šerdį. Ritinės magnetinės savybės gali būti pakankamai tiksliai įvertintos pagal indukcijos, abipusės indukcijos ar savaiminio indukcijos EML dydį. Visi šie reiškiniai buvo nagrinėjami aukščiau.

Ritės charakteristika, kuri apie tai kalba, vadinama induktyvumo koeficientu (savęs indukcija) arba tiesiog induktyvumu. Formulėse induktyvumas žymimas raide L, o schemose ta pati raidė žymi induktyvumo ritę.

Induktyvumo vienetas yra Henris (GN). Induktyvumas 1H turi ritę, kurioje, kai srovė keičiasi 1A per sekundę, susidaro 1 V EML. Ši vertė yra gana didelė: pakankamai galingų transformatorių tinklo apvijos turi vieno ar daugiau GN induktyvumą.

Todėl gana dažnai jie naudoja mažesnės eilės vertes, būtent, mililius ir mikroliris (mH ir μH). Tokios ritės naudojamos elektroninėse grandinėse. Vienas iš ritinių taikymo būdų yra virpesių grandinės radijo įrenginiuose.

Taip pat ritės yra naudojamos kaip droseliai, kurių pagrindinis tikslas yra praleisti nuolatinę srovę be nuostolių, kartu silpninant kintamąją srovę (filtrai) maitinimo šaltiniuose) Paprastai kuo didesnis darbinis dažnis, tuo mažiau induktyvumo ritių reikia.

Induktyvumas

Jei paimsite pakankamai galingą tinklo transformatorių ir matuok su multimetru pirminės apvijos pasipriešinimas, paaiškėja, kad jis yra tik keli omai ir netgi artimas nuliui. Pasirodo, srovė per tokią apviją bus labai didelė ir netgi linkusi į begalybę. Trumpasis jungimas atrodo neišvengiamas! Taigi kodėl jo nėra?

Viena iš pagrindinių induktorių savybių yra indukcinis pasipriešinimas, kuris priklauso nuo induktyvumo ir nuo ritės prijungtos kintamos srovės dažnio.

Nesunku pastebėti, kad padidėjus dažniui ir induktyvumui, indukcinis pasipriešinimas padidėja, o nuolatinėje srovėje jis paprastai tampa lygus nuliui. Todėl, matuojant ritių varžą multimetru, matuojamas tik aktyvusis laido atsparumas.

Induktorių konstrukcija yra labai įvairi ir priklauso nuo ritių veikimo dažnių. Pavyzdžiui, darbui radijo bangų decimetrų diapazone gana dažnai naudojamos ritės, pagamintos atspausdintos laidų pagalba. Masinėje gamyboje šis metodas yra labai patogus.

Ritės induktyvumas priklauso nuo jo geometrinių matmenų, šerdies, sluoksnių skaičiaus ir formos. Šiuo metu pagaminama pakankamai standartinių induktorių, panašių į įprastus galinius varžus. Tokių ritių žymėjimas atliekamas spalvotais žiedais. Taip pat yra ant paviršiaus montuojamos ritės, naudojamos kaip droseliai. Tokių ritių induktyvumas yra keli miligenai.