Inductoare și câmpuri magnetice. Partea 2. Inducția și inductanța electromagnetică

Prima parte a articolului: Inductoare și câmpuri magnetice

Relația câmpurilor electrice și magnetice

Fenomenele electrice și magnetice au fost studiate de mult timp, dar niciodată nu i s-a părut nimănui să relaționeze cumva aceste studii între ele. Și abia în 1820 s-a descoperit că un conductor de curent acționează asupra acului busolei. Această descoperire a aparținut fizicianului danez Hans Christian Oersted. Ulterior, unitatea de măsură a puterii câmpului magnetic în sistemul GHS a fost numită după el: denumirea rusă E (Oersted), denumirea engleză Oe. Câmpul magnetic are o astfel de intensitate într-un vid în timpul inducției de 1 Gauss.

Această descoperire a sugerat că un câmp magnetic ar putea fi obținut dintr-un curent electric. Dar, în același timp, au apărut gânduri despre transformarea inversă, și anume, cum să obțineți un curent electric de la un câmp magnetic. Într-adevăr, multe procese din natură sunt reversibile: gheața este obținută din apă, care poate fi din nou topită în apă.

După descoperirea lui Oersted, studiul acestei legi acum evidente a fizicii a durat până la douăzeci și doi de ani. Omul de știință englez Michael Faraday s-a angajat în obținerea de electricitate dintr-un câmp magnetic. Au fost realizate conductoare și magneți de diferite forme și dimensiuni și au fost căutate opțiuni pentru aranjarea lor reciprocă. Și numai, se pare, din întâmplare, omul de știință a descoperit că pentru a obține EMF la capetele conductorului este nevoie de încă un termen - mișcarea magnetului, adică. câmpul magnetic trebuie să fie variabil.

Acum acest lucru nu surprinde pe nimeni. Așa funcționează toate generatoarele electrice - în timp ce este rotit cu ceva, este generată energie electrică, un bec luminează. S-a oprit, a încetat să se întoarcă și lumina s-a stins.

Inducție electromagnetică

Astfel, EMF la capetele conductorului are loc numai dacă este deplasat într-un anumit mod într-un câmp magnetic. Sau, mai precis, câmpul magnetic trebuie să se schimbe neapărat, să fie variabil. Acest fenomen se numește inducție electromagnetică, în ghidare electromagnetică rusă: în acest caz se spune că EMF este indus în conductor. Dacă o sarcină este conectată la o astfel de sursă EMF, un circuit va curge în circuit.

Mărimea EMF indusă depinde de mai mulți factori: lungimea conductorului, inducerea câmpului magnetic B și, în mare măsură, de viteza de mișcare a conductorului în câmpul magnetic. Cu cât rotorul generatorului este mai rapid, cu atât este mai mare tensiunea la ieșirea sa.

Notă: inducția electromagnetică (apariția EMF la capetele unui conductor într-un câmp magnetic alternativ) nu trebuie confundată cu inducția magnetică - o cantitate fizică vectorială care caracterizează câmpul magnetic real.

Trei modalități de a obține FEM

inducție

Această metodă a fost luată în considerare. în prima parte a articolului. Este suficient să mutați conductorul în câmpul magnetic al magnetului permanent sau invers să mutați (aproape întotdeauna prin rotație) magnetul de lângă conductor. Ambele opțiuni vă vor permite cu siguranță să obțineți un câmp magnetic alternativ. În acest caz, metoda de obținere a EMF se numește inducție. Inducția este utilizată pentru obținerea EMF în diferite generatoare. În experimentele lui Faraday din 1831, magnetul s-a mutat progresiv în interiorul bobinei de sârmă.

Inducție reciprocă

Acest nume sugerează că doi conductori participă la acest fenomen. În una dintre ele curge un curent în schimbare, care creează un câmp magnetic alternativ în jurul său. Dacă există un alt conductor în apropiere, atunci la capetele sale există o variabilă EMF.

Această metodă de obținere a EMF se numește inducție reciprocă.Pe principiul inducției reciproce, toate transformatoarele funcționează, numai conductoarele lor sunt realizate sub formă de bobine, iar miezurile din materiale feromagnetice sunt utilizate pentru a îmbunătăți inducția magnetică.

Dacă curentul din primul conductor se oprește (circuit deschis) sau chiar devine foarte puternic, dar constant (nu există modificări), atunci la capetele celui de-al doilea conductor nu se poate obține EMF. De aceea, transformatoarele funcționează numai cu curent alternativ: dacă o baterie galvanică este conectată la înfășurarea primară, cu siguranță nu va exista tensiune la ieșirea înfășurării secundare.

EMF în înfășurarea secundară este indusă numai atunci când câmpul magnetic se schimbă. Mai mult decât atât, cu cât rata de schimbare este mai puternică, și anume viteza, și nu valoarea absolută, cu atât EMF este mai mare.

Inducerea de sine

Dacă scoateți cel de-al doilea conductor, atunci câmpul magnetic din primul conductor va pătrunde nu numai spațiul înconjurător, ci și conductorul în sine. Astfel, sub influența câmpului său în EMF indusă de conductor, care se numește EMF de auto-inducție.

Fenomenele de autoinducție din 1833 au fost studiate de omul de știință rus Lenz. Pe baza acestor experimente, a fost găsit un model interesant: EMF-ul de auto-inducție contracarează întotdeauna, compensează câmpul magnetic alternativ extern care provoacă acest EMF. Această dependență se numește regula Lenz (nu trebuie confundată cu legea Joule-Lenz).

Semnul minus din formulă vorbește doar despre combaterea EMF a autoinducției prin cauzele sale. Dacă bobina este conectată la o sursă de curent continuu, curentul va crește destul de lent. Acest lucru este foarte vizibil atunci când înfășurarea primară a transformatorului este „formată” cu un contor ohmmetru: viteza săgeții în direcția divizării scării zero este vizibil mai mică decât la verificarea rezistențelor.

Când bobina este deconectată de la sursa curentă, EMF de auto-inducție provoacă scânteierea contactelor releului. În cazul în care bobina este controlată de un tranzistor, de exemplu, o bobină de releu, o diodă este plasată paralel cu ea în direcția opusă în raport cu sursa de alimentare. Acest lucru se realizează pentru a proteja elementele semiconductor de influența auto-inducției EMF, care poate de zeci sau chiar de sute de ori mai mare decât tensiunea sursei de alimentare.

Pentru efectuarea experimentelor, Lenz a construit un dispozitiv interesant. Două inele de aluminiu sunt fixate la capetele brațului de aluminiu. Un inel este solid, iar celălalt a fost tăiat. Balansorul se rotește liber pe ac.

Când un magnet permanent a fost introdus într-un inel solid, acesta a „scăpat” din magnet, iar când magnetul a fost îndepărtat, l-a căutat. Aceleași acțiuni cu inelul tăiat nu au provocat mișcări. Acest lucru se datorează faptului că într-un inel continuu sub influența unui câmp magnetic alternativ, apare un curent care creează un câmp magnetic. Dar în inelul deschis nu există curent, prin urmare, nici nu există câmp magnetic.

Un detaliu important al acestui experiment este acela că, dacă un magnet este introdus în inel și rămâne staționar, atunci nu se observă nicio reacție a inelului de aluminiu la prezența magnetului. Acest lucru confirmă încă o dată că EMF-ul de inducție are loc numai în cazul unei modificări a câmpului magnetic, iar magnitudinea EMF depinde de viteza de modificare. În acest caz, pur și simplu din viteza de mișcare a magnetului.

Același lucru se poate spune despre inducția reciprocă și autoinducția, doar o modificare a forței câmpului magnetic, mai precis, rata schimbării sale depinde de viteza de schimbare a curentului. Pentru a ilustra acest fenomen, putem da un exemplu.

Lasă curenții mari să treacă prin două bobine identice suficient de mari: prin prima bobină 10A și prin a doua până la 1000, curenții crescând liniar în ambele bobine. Să presupunem că într-o secundă curentul din prima bobină s-a schimbat de la 10 la 15A, iar în a doua de la 1000 la 1001A, ceea ce a cauzat apariția EMF de auto-inducție în ambele bobine.

Dar, în ciuda unei astfel de valori uriașe a curentului din a doua bobină, EMF de auto-inducție va fi mai mare în prima, deoarece acolo viteza de schimbare curentă este de 5A / s, iar în cea de-a doua este de numai 1A / s. Într-adevăr, EMF-ul de auto-inducție depinde de rata de creștere a curentului (citiți câmpul magnetic), și nu de valoarea sa absolută.

inductanță

Proprietățile magnetice ale bobinei cu curent depind de numărul de rotații, dimensiuni geometrice. O creștere semnificativă a câmpului magnetic poate fi obținută prin introducerea unui nucleu ferromagnetic în bobină. Proprietățile magnetice ale bobinei pot fi apreciate cu o precizie suficientă de mărimea EMF de inducție, inducție reciprocă sau auto-inducție. Toate aceste fenomene au fost considerate mai sus.

Caracteristica bobinei, care vorbește despre acest lucru, se numește coeficient de inductanță (auto-inducție) sau pur și simplu inductanță. În formule, inductanța este notată cu litera L, iar în diagrame aceeași literă indică bobinele de inductanță.

Unitatea inductanței este Henry (GN). Inductanța 1H are o bobină în care, atunci când curentul se schimbă cu 1A pe secundă, se generează un EMF de 1V. Această valoare este destul de mare: înfășurările de rețea ale transformatoarelor suficient de puternice au o inductanță a unuia sau mai multor GN.

Prin urmare, destul de des folosesc valori de o ordine mai mică și anume, mili și micro-henry (mH și μH). Astfel de bobine sunt utilizate în circuitele electronice. Una dintre aplicațiile bobinelor sunt circuitele oscilatoare la dispozitivele radio.

De asemenea, bobinele sunt folosite ca șocuri, scopul principal fiind de a sări curentul direct fără pierderi în timp ce slăbește curentul alternativ (filtre în surse de alimentare). În general, cu cât este mai mare frecvența de funcționare, cu atât mai puține bobine de inductanță sunt necesare.

reactanță inductivă

Dacă luați un transformator de rețea suficient de puternic și măsura cu un multimetru rezistența înfășurării primare, se dovedește că este doar câțiva ohmi și chiar aproape de zero. Se dovedește că curentul printr-o astfel de înfășurare va fi foarte mare, și chiar tinde spre infinit. Un scurtcircuit pare a fi inevitabil! Deci de ce nu?

Una dintre principalele proprietăți ale inductorilor este rezistența inductivă, care depinde de inductanță și de frecvența curentului alternativ care este conectat la bobină.

Este ușor de observat că, odată cu creșterea frecvenței și inductanței, rezistența inductivă crește, iar în curent direct, în general, este egală cu zero. Prin urmare, atunci când se măsoară rezistența bobinelor cu un multimetru, se măsoară doar rezistența activă a firului.

Proiectarea inductorilor este foarte diversă și depinde de frecvențele la care funcționează bobina. De exemplu, pentru lucrul în gama decimetrică a undelor radio, destul de des sunt utilizate spiralele realizate prin cablaj imprimat. În producția de masă, această metodă este foarte convenabilă.

Inductanța unei bobine depinde de dimensiunile sale geometrice, miezul, numărul de straturi și formă. În prezent, sunt produse un număr suficient de inductori standard, similare cu rezistențele convenționale cu cabluri. Marcarea unor astfel de bobine se realizează cu inele colorate. Există, de asemenea, bobine de montare pe suprafață utilizate ca șocuri. Inductanța unor astfel de bobine este de mai mulți mileni.