Индуктори и магнетна поља. Део 2. Електромагнетна индукција и индуктивност

Први део чланка: Индуктори и магнетна поља

Однос електричног и магнетног поља

Електричне и магнетне појаве су се дуго проучавале, али никоме није пало на памет да те студије некако повежу једни с другима. И тек 1820. године откривено је да струјни проводник делује на иглу компаса. Ово откриће припадало је данском физичару Хансу Цхристиану Оерстеду. Након тога, јединица за мерење јачине магнетног поља у систему ГХС добила је име по њему: руска ознака Е (Оерстед), енглеска ознака Ое. Магнетно поље има такав интензитет у вакууму током индукције од 1 Гаусс.

Ово откриће сугерише да се из електричне струје може добити магнетно поље. Али истовремено су се појавиле мисли о обрнутој трансформацији, наиме како да се добије магнетна струја из магнетног поља. Заиста су многи процеси у природи реверзибилни: из воде се добија лед, који се поново може отопити у води.

Након открића Оерстеда, проучавање овог сада очигледног закона физике трајало је чак двадесет две године. Енглески научник Мицхаел Фарадаи бавио се добијањем електричне енергије из магнетног поља. Израђени су проводници и магнети различитих облика и величина, а тражене су и опције за њихово међусобно постављање. И само, очигледно, случајно, научник је открио да је за добијање ЕМФ-а на крајевима проводника потребан још један појам - кретање магнета, тј. магнетно поље мора да буде променљиво.

Сада ово никога не изненађује. Овако раде сви електрични генератори - све док се ротира са нечим, производи се електрична енергија, сијалица сија. Зауставио се, престао да се окреће, а светло се угасило.

Електромагнетна индукција

Тако се ЕМФ на крајевима проводника дешава само ако се на одређени начин помера у магнетном пољу. Или тачније, магнетно поље се мора нужно мењати, бити променљиво. Овај феномен се назива руска електромагнетна индукција: у овом случају кажу да се ЕМФ индукује у проводнику. Ако је на такав извор ЕМФ прикључено оптерећење, у кругу ће тећи струја.

Јачина индуковане ЕМФ зависи од више фактора: дужине проводника, индукције магнетног поља Б и у великој мери од брзине кретања проводника у магнетном пољу. Што брже закренете ротор генератора, то је већи напон на његовом излазу.

Напомена: електромагнетну индукцију (феномен појаве ЕМФ-а на крајевима проводника у наизменичном магнетном пољу) не треба мешати са магнетном индукцијом - векторском физичком величином која карактерише стварно магнетно поље.

Три начина да се добије ЕМФ

Индукција

Ова метода је размотрена. у првом делу чланка. Довољно је померати проводник у магнетном пољу сталног магнета или обрнуто (готово увек ротацијом) магнет померати у близини проводника. Обе опције ће вам дефинитивно омогућити да добијете наизменично магнетно поље. У овом случају, метода добијања ЕМФ-а назива се индукција. Индукција се користи за добијање ЕМФ-а у различитим генераторима. У експериментима Фарадаија 1831. године магнет се постепено кретао унутар жичане завојнице.

Узајамна индукција

Овај назив сугерише да у овој појави учествују два диригента. У једном од њих тече променљива струја, која ствара изменично магнетно поље око ње. Ако у близини постоји други проводник, тада се на његовим крајевима налази променљиви ЕМФ.

Ова метода добијања ЕМФ назива се међусобна индукција.На принципу међусобне индукције раде сви трансформатори, само су њихови проводници направљени у облику намотаја, а језгре направљене од феромагнетских материјала користе се за појачавање магнетне индукције.

Ако се струја у првом проводнику заустави (отворени круг) или чак постане веома јака, али константна (нема промена), на крајевима другог проводника не може се добити ЕМФ. Зато трансформатори раде само на наизменичну струју: ако је галванска батерија спојена на примарно навијање, тада на излазу секундарног намота дефинитивно неће бити напона.

ЕМФ у секундарном намоту индукује се само када се магнетно поље промени. Штавише, што је јача брзина промене, наиме брзина, а не апсолутна вредност, већи је индуковани ЕМФ.

Самоиндукција

Ако уклоните други проводник, тада ће магнетно поље у првом проводнику прожимати не само околни простор, већ и сам проводник. Дакле, под утицајем свог поља у ЕМФ индукованом проводником, који се назива ЕМФ самоиндукције.

Феноме самоиндукције 1833. године проучавао је руски научник Ленз. На основу ових експеримената нађен је занимљив образац: ЕМФ самоиндукције увек супротставља, надокнађује спољно наизменично магнетно поље које узрокује овај ЕМФ. Та се зависност назива Лензовим правилом (да се не меша са Јоуле-Ленз-овим законом).

Знак минус у формули управо говори о супротстављању ЕМФ-у самоиндукције својим узроцима. Ако је завојница повезана на извор истосмјерне струје, струја ће се повећавати прилично споро. То је врло уочљиво када се примарно навијање трансформатора „бира“ показивачем охмметром: брзина стрелице у правцу поделе на нулу је приметно мања него код провера отпорника.

Када се намотај одвоји од извора струје, самоиндукциона ЕМФ узрокује искрење контаката релеја. У случају када намотом управља транзистор, на пример, реле калем, диода се поставља паралелно са њом у супротном смеру у односу на извор напајања. То се ради како би се полуводички елементи заштитили од утицаја ЕМФ самоиндукције, која може бити десетина или чак стотине пута већа од напона извора напајања.

За спровођење експеримената, Ленз је конструисао занимљив уређај. Два алуминијумска прстена учвршћена су на крајевима алуминијумске полуге. Један прстен је чврст, а други је пресечен. Клизач се слободно врти на игли.

Када је стални магнет уведен у непрекидни прстен, „излетео“ је из магнета, а када је магнет уклоњен тражио га је. Исте акције са одсеченим прстеном нису проузроковале никакве покрете. То је због чињенице да у непрекидном прстену под утицајем наизменичног магнетног поља настаје струја која ствара магнетно поље. Али у отвореном прстену нема струје, дакле, ни магнетно поље.

Важан детаљ овог експеримента је да ако је магнет убачен у прстен и остане непокретан, тада се не опажа реакција алуминијумског прстена на присуство магнета. Ово још једном потврђује да се индукциони ЕМФ појављује само у случају промене магнетног поља, а јачина ЕМФ зависи од брзине промене. У овом случају, једноставно од брзине кретања магнета.

Исто се може рећи и за међусобну индукцију и самоиндукцију, само промена снаге магнетног поља, тачније, његова брзина промене зависи од брзине промене струје. Да бисмо илустровали овај феномен, можемо дати пример.

Нека велике струје пролазе кроз два довољно велика идентична намотаја: кроз прву завојницу 10А, а кроз другу чак 1000, при чему се струје линеарно повећавају у обе намотаје. Претпоставимо да се у једној секунди струја у првом намотају променила са 10 на 15А, а у другој са 1000 на 1001А, што је проузроковало појаву самоиндуктивне ЕМФ у обе завојнице.

Али, упркос тако огромној вредности струје у другом намотају, ЕМФ са само-индукцијом ће у првом бити већи, јер је тамо тренутна промена брзина 5А / с, а у другом само 1А / с. Заиста, ЕМФ самоиндукције зависи од брзине пораста струје (очитајте магнетно поље), а не од њене апсолутне вредности.

Индуктивност

Магнетна својства завојнице са струјом зависе од броја окрета, геометријских димензија. Значајно повећање магнетног поља може се постићи увођењем феромагнетског језгра у завојницу. О магнетним својствима завојнице може се проценити са довољном тачношћу по јачини индукције индукције, међусобне индукције или самоиндукције. Све ове појаве су разматране горе.

Карактеристика завојнице која о томе говори зове се коефицијент индуктивности (самоиндукција) или једноставно индуктивност. У формулама се индуктивност означава словом Л, а на дијаграмима исто слово означава намотаје индуктивности.

Јединица индуктивности је Хенри (ГН). Индукција 1Х има завојницу у којој се, када се струја мења за 1А у секунди, ствара ЕМФ од 1В. Ова вредност је прилично велика: мрежни намоти довољно моћних трансформатора имају индуктивитет једног или више ГН-а.

Због тога се врло често користе вредности мањег реда, наиме милли и микро-хенри (мХ и μХ). Такви калемови се користе у електронским круговима. Једна од примена завојница су осцилаторни кругови у радио уређајима.

Такође, завојнице се користе као пригушнице, чија је главна сврха прескакање директне струје без губитака, а слабљење наизменичне струје (филтери у изворима напајања) Генерално, што је већа радна фреквенција, потребно је мање индуктивних намотаја.

Индуктивност

Ако узмете довољно моћан мрежни трансформатор и мерите мултиметером отпор примарног намотавања, испоставило се да је само неколико ома, па чак и близу нуле. Испада да ће струја кроз такво навијање бити веома велика, па чак и бесконачна. Чини се да је кратки спој неизбежан! Па зашто није?

Једно од главних својстава индуктора је индуктивни отпор, који зависи од индуктивности и од фреквенције наизменичне струје која је повезана са намотајем.

Лако је видети да с порастом фреквенције и индуктивности индуктивни отпор расте, а при истосмерној струји он обично постаје једнак нули. Стога се приликом мерења отпора завојница мултиметером мери само активни отпор жице.

Дизајн индуктора је врло разнолик и зависи од фреквенција на којима завојница делује. На пример, за рад у дециметарском распону радио таласа, намотаји направљени штампаним ожичењем често се користе. У масовној производњи ова метода је веома згодна.

Индуктивност завојнице зависи од геометријских димензија, језгре, броја слојева и облика. Тренутно се производи довољан број стандардних индуктора, слично уобичајеним отпорницима са водичима. Обележавање таквих завојница врши се обојеним прстенима. Постоје и завојнице за површинско постављање које се користе као пригушнице. Индуктивност таквих завојница је неколико милигена.