Явление самоиндукции – вред и польза. Эдс самоиндукции

Электрический ток, проходящий по проводнику, создает вокруг него магнитное поле. Магнитный поток Ф через контур из этого проводника пропорционален модулю индукции В магнитного поля внутри контура, а индукция магнитного поля в свою очередь пропорциональна силе тока в проводнике. Следовательно, магнитный поток через контур прямо пропорционален силе тока в контуре:

Коэффициент пропорциональности между силой тока I в контуре и магнитным потоком Ф, создаваемым этим током, называется индуктивностью. Индуктивность зависит от размеров и формы проводника, от магнитных свойств среды, в которой находится проводник.

Единица индуктивности.

За единицу индуктивности в Международной системе принимается генри Эта единица определяется на основании формулы (55.1):

Индуктивность контура равна если при силе постоянного тока 1 А магнитный поток через контур равен

Самоиндукция.

При изменении силы тока в катушке происходит изменение магнитного потока, создаваемого этим током. Изменение магнитного потока, пронизывающего катушку, должно вызывать появление ЭДС индукции в катушке. Явление возникновения ЭДС индукции в

электрической цепи в результате изменения силы тока в этой цепи называется самоиндукцией.

В соответствии с правилом Ленца ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока при включении и убыванию силы тока при выключении цепи.

Явление самоиндукции можно наблюдать, собрав электрическую цепь из катушки с большой индуктивностью, резистора, двух одинаковых ламп накаливания и источника тока (рис. 197). Резистор должен иметь такое же электрическое сопротивление, как и провод катушки. Опыт показывает, что при замыкании цепи электрическая лггмпа, включенная последовательно с катушкой, загорается несколько позже, чем лампа, включенная последовательно с резистором. Нарастанию тока в цепи катушки при замыкании препятствует ЭДС самоиндукции, возникающая при возрастании магнитного потока в катушке. При отключении источника тока вспыхивают обе лампы. В этом случае ток в цепи поддерживается ЭДС самоиндукции, возникающей при убывании магнитного потока в катушке.

ЭДС самоиндукции возникающая в катушке с индуктивностью по закону электромагнитной индукции равна

ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна индуктивности катушки и скорости изменения силы тока в катушке.

Используя выражение (55.3), можно дать второе определение единицы индуктивности: элемент электрической цепи обладает индуктивностью в если при равномерном изменении силы тока в цепи на 1 А за 1 с в нем возникает ЭДС самоиндукции 1 В.

Энергия магнитного поля.

При отключении катушки индуктивности от источника тока лампа накаливания, включенная параллельно катушке, дает кратковременную вспышку. Ток в цепи возникает под действием ЭДС самоиндукции. Источником энергии, выделяющейся при этом в электрической цепи, является магнитное поле катушки.

Энергию магнитного поля катушки индуктивности можно вычислить следующим способом. Для упрощения расчета рассмотрим такой случай, когда после отключения катушки от источника ток в цепи убывает со временем по линейному закону. В этом случае ЭДС самоиндукции имеет постоянное значение, равное

При замыкании выключателя в цепи, представленной на рисунке 1, возникнет электрический ток, направление которого показано одинарными стрелками. С появлением тока возникает магнитное поле, индукционные линии которого пересекают проводник и индуктируют в нем электродвижущую силу (ЭДС). Как было указано в статье "Явление электромагнитной индукции ", эта ЭДС называется ЭДС самоиндукции. Так как всякая индуктированная ЭДС по правилу Ленца направлена против причины, ее вызвавшей, а этой причиной будет ЭДС батареи элементов, то ЭДС самоиндукции катушки будет направлена против ЭДС батареи. Направление ЭДС самоиндукции на рисунке 1 показано двойными стрелками.

Таким образом, ток устанавливается в цепи не сразу. Только когда магнитный поток установится, пересечение проводника магнитными линиями прекратится и ЭДС самоиндукции исчезнет. Тогда в цепи будет протекать постоянный ток.

На рисунке 2 дано графическое изображение постоянного тока. По горизонтальной оси отложено время, по вертикальной оси - ток. Из рисунка видно, что если в первый момент времени ток равен 6 А, то в третий, седьмой и так далее моменты времени он также и будет равен 6 А.

На рисунке 3 показано, как устанавливается ток в цепи после включения. ЭДС самоиндукции, направленная в момент включения против ЭДС батареи элементов, ослабляет ток в цепи, и поэтому в момент включения ток равен нулю. Далее в первый момент времени ток равен 2 А, во второй момент времени - 4 А, в третий - 5 А, и только спустя некоторое время в цепи устанавливается ток 6 А.

Рисунок 3. График нарастания тока в цепи с учетом ЭДС самоиндукции	Рисунок 4. ЭДС самоиндукции в момент размыкания цепи направлена одинаково с ЭДС источника напряжения

При размыкании цепи (рисунок 4) исчезающий ток, направление которого показано одинарной стрелкой, будет уменьшать свое магнитное поле. Это поле, уменьшаясь от некоторой величины до нуля, будет вновь пересекать проводник и индуктировать в нем ЭДС самоиндукции.

При выключении электрической цепи с индуктивностью ЭДС самоиндукции будет направлена в ту же сторону, что и ЭДС источника напряжения. Направление ЭДС самоиндукции показано на рисунке 4 двойной стрелкой. В результате действия ЭДС самоиндукции ток в цепи исчезает не сразу.

Таким образом, ЭДС самоиндукции всегда направлена против причины, ее вызвавшей. Отмечая это ее свойство, говорят что ЭДС самоиндукции имеет реактивный характер.

Графически изменение тока в нашей цепи с учетом ЭДС самоиндукции при замыкании ее и при последующем размыкании в восьмой момент времени показано на рисунке 5.

Рисунок 5. График нарастания и исчезновения тока в цепи с учетом ЭДС самоиндукции	Рисунок 6. Индукционные токи при размыкании цепи

При размыкании цепей, содержащих большое количество витков и массивные стальные сердечники или, как говорят, обладающих большой индуктивностью, ЭДС самоиндукции может быть во много раз больше ЭДС источника напряжения. Тогда в момент размыкания воздушный промежуток между ножом и неподвижным зажимом рубильника будет пробит и появившаяся электрическая дуга будет плавить медные части рубильника, а при отсутствии кожуха на рубильнике может ожечь руки человека (рисунок 6).

В самой цепи ЭДС самоиндукции может пробить изоляцию витков катушек, электромагнитов и так далее. Во избежание этого в некоторых выключающих приспособлениях устраивают защиту от ЭДС самоиндукции в виде специального контакта, который замыкает накоротко обмотку электромагнита при выключении.

Следует учитывать, что ЭДС самоиндукции проявляет себя не только в моменты включения и выключения цепи, но также и при всяких изменениях тока.

Величина ЭДС самоиндукции зависит от скорости изменения тока в цепи. Так, например, если для одной и той же цепи в одном случае в течение 1 секунды ток в цепи изменился с 50 до 40 А (то есть на 10 А), а в другом случае с 50 до 20 А (то есть на 30 А), то во втором случае в цепи будет индуктироваться втрое большая ЭДС самоиндукции.

Величина ЭДС самоиндукции зависит от индуктивности самой цепи. Цепями с большой индуктивностью являются обмотки генераторов, электродвигателей, трансформаторов и индукционных катушек, обладающих стальными сердечниками. Меньшей индуктивностью обладают прямолинейные проводники. Короткие прямолинейные проводники, лампы накаливания и электронагревательные приборы (печи, плитки) индуктивностью практически не обладают и появления ЭДС самоиндукции в них почти не наблюдается.

Магнитный поток, пронизывающий контур и индуктирующий в нем ЭДС самоиндукции, пропорционален току, протекающему по контуру:

Ф = L × I ,

где L - коэффициент пропорциональности. Он называется индуктивностью. Определим размерность индуктивности:

Ом × сек иначе называется генри (Гн).

1 генри = 10 3 ; миллигенри (мГн) = 10 6 микрогенри (мкГн).

Индуктивность, кроме генри, измеряют в сантиметрах:

1 генри = 10 9 см.

Так, например, 1 км линии телеграфа обладает индуктивностью 0,002 Гн. Индуктивность обмоток больших электромагнитов достигает нескольких сотен генри.

Если ток в контуре изменился на Δi , то магнитный поток изменится на величину Δ Ф:

Δ Ф = L × Δ i .

Величина ЭДС самоиндукции, которая появится в контуре, будет равна (формула ЭДС самоиндукции):

При равномерном изменении тока по времени выражение будет постоянным и его можно заменить выражением . Тогда абсолютная величина ЭДС самоиндукции, возникающая в контуре, может быть найдена так:

На основании последней формулы можно дать определение единицы индуктивности - генри:

Проводник обладает индуктивностью 1 Гн, если при равномерном изменении тока на 1 А в 1 секунду в нем индуктируется ЭДС самоиндукции 1 В.

Как мы убедились выше, ЭДС самоиндукции возникает в цепи постоянного тока только в моменты его включения, выключения и при всяком его изменении. Если же величина тока в цепи неизменна, то магнитный поток проводника постоянен и ЭДС самоиндукции возникнуть не может (так как . В моменты изменения тока в цепи ЭДС самоиндукции мешает изменениям тока, то есть оказывает ему своеобразное сопротивление.

Часто на практике встречаются случаи, когда нужно изготовить катушку, не обладающую индуктивностью (добавочные сопротивления к электроизмерительным приборам, сопротивления штепсельных реостатов и тому подобные). В этом случае применяют бифилярную обмотку катушки (рисунок 7)

Самоиндукцией называется наведение ЭДС в проводнике при изменении электрического тока в этом проводнике.

Когда подается напряжение на катушку электромагнита, ток возрастает не сразу. Он увеличивается постепенно. Нарастание тока тормозится возникшим напряжением, противоположным приложенному. Это напряжение – электродвижущая сила (ЭДС) самоиндукции. Значение ЭДС постепенно уменьшается, и ток в электромагните возрастает до номинального значения.

Взаимодействие электрического и магнитного полей – причина самоиндукции

Электрическое и магнитное поля взаимосвязаны: электрический ток или меняющееся электрическое поле создает магнитное поле.

В свою очередь, меняющееся магнитное поле создает электрическое поле.

Рассмотрим процессы в проводящем контуре, когда в нем меняется электрический ток (например, его включают или выключают).

• В проводнике, помещенном в меняющееся магнитное поле, наводится ЭДС.

• Если в проводнике меняется величина электрического тока – возникает меняющееся магнитное поле.

• Меняющееся магнитное поле, созданное током в проводнике, наводит ЭДС самоиндукции в этом же проводнике.

Не во всех электрических цепях возникает эффект самоиндукции. Лампочка накаливания мгновенно вспыхивает при подаче тока, и мгновенно гаснет при его отключении, а в электромагните, на который подается и выключается постоянное напряжение, процессы растянуты во времени. У лампочки и электромагнита разная инерционность.

В механике мерой инерционности является масса: чтобы привести в движение массивный предмет, нужно прикладывать усилие в течение некоторого времени.

В электротехнике мерой инерционности является величина, названная индуктивностью. Она обозначается символом L . Единица измерения индуктивности – Генри (Гн), а также производные единицы: миллиГенри (мГн), микроГенри (мкГн) и так далее. Чем больше индуктивность цепи, тем дольше и мощнее протекают переходные процессы. Лампочка накаливания имеет очень малую индуктивность, а у электромагнита индуктивность большая.

В радиотехнике и электротехнике используются дроссели – детали, имеющие нормированные значения индуктивности.

На рисунке приведена схема опыта, демонстрирующего явление самоиндукции.

Катушка, намотанная на ферритовый сердечник, имеет значительную индуктивность. Источник питания – батарейка с номиналом полтора вольта. Пока тумблер находится во включенном состоянии, лампочка горит тускло, поскольку напряжения батарейки для нее недостаточно. После размыкания тумблера лампочка вспыхивает ярко и потом гаснет.

Почему лампочка вспыхивает после отключения напряжения питания? Через нее разряжается ЭДС самоиндукции, наведенная в катушке в момент выключения напряжения.

Но почему свет не просто продолжает гореть, а вспыхивает ярче, чем при включенном тумблере? ЭДС самоиндукции превышает номинальное напряжение батарейки. Рассмотрим, от чего зависит такой эффект.

От чего зависит ЭДС самоиндукции?

ЭДС самоиндукции, возникающая в электрической цепи, зависит от ее индуктивности и от скорости изменения тока в цепи.

Скорость изменения тока имеет важное значение. Если он мгновенно выключается, то есть скорость изменения очень большая, то и ЭДС самоиндукции велико. Наведенное напряжение разряжается через параллельные ветви цепи (в опыте с лампочкой – через лампочку).

Самоиндукция и переходные процессы в электрических цепях

Индуктивность электрической плитки или лампочки накаливания очень мала, и ток в этих электроприборах, при включении и выключении, возникает или исчезает практически мгновенно. Индуктивность электродвигателя велика, и он «выходит на режим» в течение нескольких минут.

Если выключить ток в большом электромагните с большим значением индукции, допустив высокую скорость уменьшения тока, то между контактами выключателя вспыхивает искра, а в случае большого тока может загореться вольтова дуга. Это опасное явление, поэтому в цепях с большой индуктивностью ток снижают постепенно, используя реостат (элемент с переменным электрическим сопротивлением).

Безопасное отключение электроэнергии – серьезна проблема. На все выключатели действуют «ударные нагрузки», возникающие из-за ЭДС самоиндукции при отключении тока, и выключатели «искрят». Для каждого типа выключателей указывается максимальное значение тока, которое можно коммутировать. Если ток превышает допустимое значение, в выключателе может вспыхнуть электрическая дуга.

На опасных производствах, в угольных шахтах, хранилищах нефтепродуктов простое искрение выключателей недопустимо. Здесь применяются взрывобезопасные выключатели, надежно защищенные герметичным пластмассовым корпусом. Цена таких выключателей в десятки раз выше, чем обычных – это необходимая плата за безопасность.

Физика 10-11 класс. САМОИНДУКЦИЯ

Каждый проводник, по которому протекает эл.ток, находится в собственном магнитном поле.

При изменении силы тока в проводнике меняется м.поле, т.е. изменяется магнитный поток, создаваемый этим током. Изменение магнитного потока ведет в возникновению вихревого эл.поля и в цепи появляется ЭДС индукции.

Это явление называется самоиндукцией.
Самоиндукция - явление возникновения ЭДС индукции в эл.цепи в результате изменения силы тока.
Возникающая при этом ЭДС называется ЭДС самоиндукции

Проявление явления самоиндукции

Замыкание цепи

При замыкании в эл.цепи нарастает ток, что вызывает в катушке увеличение магнитного потока, возникает вихревое эл.поле, направленное против тока, т.е. в катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая нарастанию тока в цепи (вихревое поле тормозит электроны).
В результате Л1 загорается позже, чем Л2.

Размыкание цепи

При размыкании эл.цепи ток убывает, возникает уменьшение м.потока в катушке, возникает вихревое эл.поле, направленное как ток (стремящееся сохранить прежнюю силу тока) , т.е. в катушке возникает ЭДС самоиндукции, поддерживающая ток в цепи.

9.4. Явление электромагнитной индукции

9.4.3. Среднее значение электродвижущей силы самоиндукции

При изменении потока, сцепленного с замкнутым проводящим контуром, через площадь, ограниченную данным контуром, в нем появляется вихревое электрическое поле и течет индукционный ток - явление электромагнитной самоиндукции.

Модуль средней ЭДС самоиндукции за определенный промежуток времени рассчитывают по формуле

〈 | ℰ i s | 〉 = | Δ Ф s | Δ t ,

где ΔФ s - изменение магнитного потока, сцепленного с контуром, за время Δt .

Если сила тока в контуре изменяется с течением времени I = I (t ), то

∆Ф s = L ∆I ,

где L - индуктивность контура; ΔI - изменение силы тока в контуре за время Δt ;

〈 | ℰ i s | 〉 = L | Δ I | Δ t ,

где ΔI /Δt - скорость изменения силы тока в контуре.

Если индуктивность контура изменяется с течением времени L = L (t ), то

• изменение потока, сцепленного с контуром, определяется формулой

∆Ф s = ∆LI ,

где ΔL - изменение индуктивности контура за время Δt ; I - сила тока в контуре;

• модуль средней ЭДС самоиндукции за определенный промежуток времени рассчитывается по формуле

〈 | ℰ i s | 〉 = I | Δ L | Δ t .

Пример 16. В замкнутом проводящем контуре с индуктивностью 20 мГн течет ток силой 1,4 А. Найти среднее значение ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре, при равномерном уменьшении в нем силы тока на 20 % за 80 мс.

Решение . Появление ЭДС самоиндукции в контуре вызвано изменением потока, сцепленного с контуром, при изменении в нем силы тока.

Поток, сцепленный с контуром, определяется формулами:

• при силе тока I 1

Ф s 1 = LI 1 ,

где L - индуктивность контура, L = 20 мГн; I 1 - первоначальная сила тока в контуре, I 1 = 1,4 А;

• при силе тока I 2

Ф s 2 = LI 2 ,

где I 2 - конечная сила тока в контуре.

Изменение потока, сцепленного с контуром, определяется разностью:

Δ Ф s = Ф s 2 − Ф s 1 = L I 2 − L I 1 = L (I 2 − I 1) ,

где I 2 = 0,8I 1 .

Среднее значение ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре, при изменении в нем силы тока:

〈 ℰ s i 〉 = | Δ Ф s Δ t | = | L (I 2 − I 1) Δ t | = | − 0,2 L I 1 Δ t | = 0,2 L I 1 Δ t ,

где ∆t - интервал времени, за который происходит уменьшение силы тока, ∆t = 80 мс.

Расчет дает значение:

〈 ℰ s i 〉 = 0,2 ⋅ 20 ⋅ 10 − 3 ⋅ 1,4 80 ⋅ 10 − 3 = 70 ⋅ 10 − 3 с = 70 мВ.

При изменении силы тока в контуре в нем возникает ЭДС самоиндукции, среднее значение которой равно 70 мВ.