Induktori un magnētiskie lauki. 2. daļa. Elektromagnētiskā indukcija un induktivitāte

Raksta pirmā daļa: Induktori un magnētiskie lauki

Elektrisko un magnētisko lauku attiecības

Elektriskās un magnētiskās parādības tika pētītas ilgu laiku, taču nekad nevienam neradās, lai šos pētījumus kaut kā saistītu viens ar otru. Un tikai 1820. gadā tika atklāts, ka pašreizējais vadītājs iedarbojas uz kompasa adatu. Šis atklājums piederēja dāņu fiziķim Hansam Kristianam Oerstedam. Pēc tam viņa vārdā tika nosaukta magnētiskā lauka stipruma mērvienība GHS sistēmā: krievu apzīmējums E (Oersted), angļu apzīmējums Oe. Magnētiskajam laukam ir tāda intensitāte vakuumā 1 Gausa indukcijas laikā.

Šis atklājums liecināja, ka magnētisko lauku var iegūt no elektriskās strāvas. Bet tajā pašā laikā radās domas par apgriezto pārveidi, proti, par to, kā iegūt elektrisko strāvu no magnētiskā lauka. Patiešām, daudzi procesi dabā ir atgriezeniski: no ūdens iegūst ledu, ko atkal var izkausēt ūdenī.

Pēc Oerstedas atklāšanas šī tagad acīmredzamā fizikas likuma izpēte aizņēma pat divdesmit divus gadus. Angļu zinātnieks Maikls Faradejs nodarbojās ar elektrības iegūšanu no magnētiskā lauka. Tika izgatavoti dažādu formu un izmēru vadītāji un magnēti, kā arī tika meklētas iespējas to savstarpējam izvietojumam. Un tikai acīmredzot nejauši zinātnieks atklāja, ka, lai iegūtu EML diriģenta galos, ir nepieciešams vēl viens termins - magnēta kustība, t.i. magnētiskajam laukam jābūt mainīgam.

Tagad tas nevienu nepārsteidz. Šādi darbojas visi elektriskie ģeneratori - kamēr vien tas ar kaut ko tiek pagriezts, tiek ģenerēta elektrība, spīd spuldze. Apstājās, apstājās pagriezties, un gaisma izdzisa.

Elektromagnētiskā indukcija

Tādējādi EML diriģenta galos rodas tikai tad, ja to noteiktā veidā pārvieto magnētiskajā laukā. Vai precīzāk - magnētiskajam laukam obligāti jāmainās, jābūt mainīgam. Krievu elektromagnētiskajā vadībā šo parādību sauc par elektromagnētisko indukciju: šajā gadījumā viņi saka, ka vadītājā tiek ierosināta EML. Ja šādam EML avotam ir pievienota slodze, ķēdē plūst strāva.

Induktīvās EML lielums ir atkarīgs no vairākiem faktoriem: diriģenta garuma, magnētiskā lauka B indukcijas un lielā mērā no diriģenta kustības ātruma magnētiskajā laukā. Jo ātrāk tiek pagriezts ģeneratora rotors, jo lielāks ir spriegums pie tā izejas.

Piezīme: elektromagnētisko indukciju (EML parādīšanos vadītāja galos mainīgā magnētiskajā laukā) nevajadzētu sajaukt ar magnētisko indukciju - vektora fizisko lielumu, kas raksturo faktisko magnētisko lauku.

Trīs veidi, kā iegūt EML

Indukcija

Šī metode ir apsvērta. raksta pirmajā daļā. Pietiek, lai pārvietotu vadītāju pastāvīgā magnēta magnētiskajā laukā vai otrādi, lai pārvietotu (gandrīz vienmēr ar pagriešanu) magnētu pie diriģenta. Abas iespējas noteikti ļaus iegūt mainīgu magnētisko lauku. Šajā gadījumā EML iegūšanas metodi sauc par indukciju. Tā ir indukcija, ko izmanto, lai iegūtu EML dažādos ģeneratoros. 1831. gada Faraday eksperimentos magnēts pakāpeniski pārvietojās stieples spoles iekšpusē.

Savstarpēja indukcija

Šis nosaukums liek domāt, ka divi diriģenti piedalās šajā parādībā. Vienā no tām plūst mainīga strāva, kas ap to rada mainīgu magnētisko lauku. Ja tuvumā ir cits diriģents, tad tā galos ir mainīgs EML.

Šo EML iegūšanas metodi sauc par savstarpēju indukciju.Visi transformatori darbojas pēc savstarpējās indukcijas principa, tikai to vadītāji ir izgatavoti spoļu formā, un magnētiskās indukcijas uzlabošanai tiek izmantoti serdi, kas izgatavoti no feromagnētiskiem materiāliem.

Ja strāva pirmajā vadītājā apstājas (atvērta ķēde) vai pat kļūst ļoti spēcīga, bet nemainīga (izmaiņu nav), tad otrā vadītāja galos nevar iegūt EML. Tāpēc transformatori darbojas tikai ar maiņstrāvu: ja primārajam tinumam ir pievienots galvaniskais akumulators, tad sekundārā tinuma izejā noteikti nebūs sprieguma.

EML sekundārajā tinumā tiek ierosināts tikai tad, kad mainās magnētiskais lauks. Turklāt, jo spēcīgāks ir pārmaiņu ātrums, proti, ātrums, nevis absolūtā vērtība, jo lielāks ir ierosinātais EML.

Pašindukcija

Ja jūs noņemat otro vadītāju, tad pirmā diriģenta magnētiskais lauks caurstrāvos ne tikai apkārtējo telpu, bet arī pašu vadītāju. Tādējādi sava lauka ietekmē diriģents inducē EML, ko sauc par pašindukcijas EML.

Pašindukcijas parādības 1833. gadā pētīja krievu zinātnieks Lencs. Balstoties uz šiem eksperimentiem, tika atrasts interesants modelis: pašindukcijas EML vienmēr ir pretstatā, kompensē ārējo mainīgo magnētisko lauku, kas izraisa šo EML. Šo atkarību sauc par Lenca likumu (nejaukt ar Džoula-Lenca likumu).

Mīnusa zīme formulā runā tikai par pašindukcijas EML neitralizēšanu ar tā cēloņiem. Ja spole ir savienota ar līdzstrāvas avotu, strāva palielināsies diezgan lēni. Tas ir ļoti pamanāms, kad transformatora primārais tinums tiek “iezvanīts” ar skalas ommetru: bultiņas ātrums nulles skalas dalījuma virzienā ir ievērojami mazāks nekā testējot rezistorus.

Kad spole tiek atvienota no strāvas avota, pašindukcijas EMF rada releja kontaktu dzirksteli. Gadījumā, ja spoli kontrolē tranzistors, piemēram, releja spole, diode tiek novietota paralēli tai pretējā virzienā attiecībā pret enerģijas avotu. Tas tiek darīts, lai pasargātu pusvadītāju elementus no EML pašindukcijas ietekmes, kas var desmitiem vai pat simtiem reižu pārsniegt barošanas avota spriegumu.

Eksperimentu veikšanai Lencs konstruēja interesantu ierīci. Divi alumīnija gredzeni ir piestiprināti alumīnija šūpuļa galos. Viens gredzens ir ciets, bet otrs tika sagriezts. Šūpuļzirgs brīvi griežas uz adatas.

Kad pastāvīgais magnēts tika ievietots cietā gredzenā, tas “izbēga” no magnēta, un, kad magnēts tika noņemts, tas to meklēja. Tās pašas darbības ar griezto gredzenu neizraisīja nekādas kustības. Tas ir saistīts ar faktu, ka nepārtrauktā gredzenā mainīga magnētiskā lauka ietekmē rodas strāva, kas rada magnētisko lauku. Bet atklātā gredzenā nav strāvas, tāpēc nav arī magnētiskā lauka.

Svarīga šī eksperimenta detaļa ir tāda, ka, ja magnēts tiek ievietots gredzenā un paliek nekustīgs, alumīnija gredzena reakcija uz magnēta klātbūtni netiek novērota. Tas vēlreiz apstiprina, ka indukcijas EML notiek tikai tad, ja mainās magnētiskais lauks, un EML lielums ir atkarīgs no izmaiņu ātruma. Šajā gadījumā vienkārši no magnēta kustības ātruma.

To pašu var teikt par savstarpējo indukciju un pašindukciju, tikai izmaiņas magnētiskā lauka stiprumā, precīzāk, tās maiņas ātrums ir atkarīgs no strāvas maiņas ātruma. Lai parādītu šo parādību, mēs varam sniegt piemēru.

Ļaujiet lielām straumēm iziet cauri divām pietiekami lielām identiskām spolēm: caur pirmo spoli 10A un caur otro līdz pat 1000, straumēm lineāri palielinoties abās spirālēs. Pieņemsim, ka vienā sekundē strāva pirmajā spolē mainījās no 10 līdz 15A, bet otrajā - no 1000 līdz 1001A, kas izraisīja pašindukcijas EML parādīšanos abās spirālēs.

Bet, neskatoties uz tik milzīgo strāvas vērtību otrajā spolē, pašindukcijas EML būs lielāks pirmajā, jo tur pašreizējais maiņas ātrums ir 5A / s, bet otrajā tas ir tikai 1A / s. Patiešām, pašindukcijas EML ir atkarīgs no strāvas palielināšanās ātruma (nolasīt magnētisko lauku), nevis no tā absolūtās vērtības.

Indukcija

Spoles magnētiskās īpašības ar strāvu ir atkarīgas no pagriezienu skaita, ģeometriskajiem izmēriem. Ievērojamu magnētiskā lauka palielināšanos var panākt, ieviešot spoles feromagnētisko serdi. Spoles magnētiskās īpašības var pietiekami precīzi noteikt pēc indukcijas, savstarpējas indukcijas vai pašindukcijas EML lieluma. Visas šīs parādības tika apskatītas iepriekš.

Spoles raksturlielumu, kas par to runā, sauc par induktivitātes koeficientu (pašindukciju) vai vienkārši par induktivitāti. Formulās induktivitāte tiek apzīmēta ar burtu L, un diagrammās tas pats burts apzīmē induktivitātes spoles.

Indukcijas vienība ir Henrijs (GN). Induktivitātei 1H ir spole, kurā, strāvai mainoties par 1A sekundē, tiek radīts 1 V EML. Šī vērtība ir diezgan liela: pietiekami jaudīgu transformatoru tīkla tinumiem ir viena vai vairāku GN induktivitāte.

Tāpēc diezgan bieži viņi izmanto mazākas kārtas vērtības, proti, mililu un mikroliriju (mH un μH). Šādas spoles tiek izmantotas elektroniskajās shēmās. Viens no spoļu pielietojumiem ir svārstīgās shēmas radio ierīcēs.

Arī spirāles tiek izmantotas kā aizrīties, kuru galvenais mērķis ir izlaist līdzstrāvu bez zaudējumiem, vienlaikus vājinot maiņstrāvu (filtri barošanas avotos) Parasti, jo augstāka ir darba frekvence, jo mazāk induktivitātes spoles ir vajadzīgas.

Indukcija

Ja ņemat pietiekami jaudīgu tīkla transformatoru un mēra ar multimetru primārā tinuma pretestība, izrādās, ka tas ir tikai daži omi un pat tuvu nullei. Izrādās, ka strāva caur šādu tinumu būs ļoti liela un pat mēdz būt līdz bezgalībai. Īssavienojums, šķiet, ir neizbēgams! Tad kāpēc viņš nav?

Viena no galvenajām induktoru īpašībām ir induktīvā pretestība, kas ir atkarīga no induktivitātes un no tinumam pievienotās maiņstrāvas frekvences.

Ir viegli redzēt, ka, palielinoties frekvencei un induktivitātei, palielinās induktīvā pretestība, un līdzstrāvā tā parasti kļūst vienāda ar nulli. Tāpēc, mērot spoļu pretestību ar multimetru, mēra tikai stieples aktīvo pretestību.

Induktoru dizains ir ļoti daudzveidīgs un atkarīgs no frekvencēm, kurās spole darbojas. Piemēram, darbam radioviļņu decimetru diapazonā diezgan bieži tiek izmantotas spoles, kas izgatavotas ar drukātu vadu palīdzību. Masveida ražošanā šī metode ir ļoti ērta.

Spoles induktivitāte ir atkarīga no tā ģeometriskajiem izmēriem, serdes, slāņu skaita un formas. Pašlaik tiek ražots pietiekams skaits standarta induktoru, līdzīgi kā parastajiem spaiļu rezistoriem. Šādu spoļu marķēšana tiek veikta ar krāsainiem gredzeniem. Ir arī virsmas stiprināšanas spoles, ko izmanto kā aizrīties. Šādu spoļu induktivitāte ir vairākas miligenes.