ЕДС на самоиндукция във верига. Феномен на самоиндукция

Когато токът във веригата се промени, потокът на магнитната индукция през повърхността, ограничена от тази верига, се променя; промяната в потока на магнитната индукция води до възбуждане Самоиндуцирана емф. Посоката на ЕМП се оказва такава, че когато токът се увеличи в ЕДС веригипредотвратява увеличаването на тока, а когато токът намалява, предотвратява намаляването на тока.

Големината на ЕМП е пропорционална на скоростта на промяна на тока ази индуктивност на веригата Л :

.

Поради феномена на самоиндукция в електрическа верига с източник на ЕМП, когато веригата е затворена, токът се установява не моментално, а след известно време. Подобни процеси възникват, когато веригата е отворена, а стойността на самоиндукционната емф може значително да надвиши емф на източника. Най-често в ежедневието това се използва в бобините за запалване на автомобили. Типичното напрежение на самоиндукция с напрежение на захранващата батерия от 12V е 7-25 kV.


Фондация Уикимедия.

2010 г.

Самоиндукция

Всеки проводник, през който протича електрически ток, е в собствено магнитно поле.

При промяна на силата на тока в проводника се променя м.полето, т.е. магнитният поток, създаден от този ток, се променя. Промяната в магнитния поток води до възникване на вихрово електрическо поле и във веригата се появява индуцирана ЕДС.

Това явление се нарича самоиндукция.

Самоиндукцията е явлението на възникване на индуцирана ЕДС в електрическа верига в резултат на промяна в силата на тока.
Получената ЕДС се нарича самоиндуцирана ЕДС

Проява на феномена на самоиндукцията

Затваряне на веригата

Когато възникне късо съединение в електрическата верига, токът се увеличава, което води до увеличаване на магнитния поток в бобината, появява се вихрово електрическо поле, насочено срещу тока, т.е. увеличаването на тока във веригата (вихровото поле инхибира електроните).
В резултат на това L1 светва по-късно от L2.

Отворена верига

При отваряне на електрическата верига токът намалява, настъпва намаляване на потока в бобината и се появява вихрово електрическо поле, насочено като ток (опитвайки се да поддържа същата сила на тока), т.е. В бобината възниква самоиндуцирана ЕДС, поддържаща тока във веригата.
В резултат на това L мига ярко, когато е изключен.

В електротехниката явлението самоиндукция се проявява, когато веригата е затворена ( електрически токнараства постепенно) и при отваряне на веригата (електрическият ток не изчезва веднага).

ИНДУКТИВНОСТ

От какво зависи самоиндуцираната ЕДС?

Електрическият ток създава собствено магнитно поле. Магнитният поток през веригата е пропорционален на индукцията магнитно поле(Ф ~ V), индукцията е пропорционална на силата на тока в проводника
(B ~ I), следователно магнитният поток е пропорционален на силата на тока (Ф ~ I).
ЕДС на самоиндукция зависи от скоростта на изменение на тока в електрическата верига, от свойствата на проводника (размер и форма) и от относителната магнитна проницаемост на средата, в която се намира проводникът.
Физическа величина, показваща зависимостта на ЕДС на самоиндукция от размера и формата на проводника и от средата, в която се намира проводникът, се нарича коефициент на самоиндукция или индуктивност.

Индуктивност - физическо количество, числено равна на самоиндуктивната едс, която възниква във веригата, когато токът се промени с 1 ампер за 1 секунда.
Индуктивността може да се изчисли и по формулата:

където Ф е магнитният поток през веригата, I е силата на тока във веригата.

SI единици за индуктивност:

Индуктивността на бобината зависи от:
броя на навивките, размера и формата на бобината и относителната магнитна проницаемост на средата (евентуално ядро).


ЕМП НА САМОИНДУКЦИЯ

Самоиндуктивната ЕДС предотвратява увеличаването на тока, когато веригата е включена, и намаляването на тока, когато веригата е отворена.


ЕНЕРГИЯ НА МАГНИТНОТО ПОЛЕ НА ТОК

Около проводник с ток има магнитно поле, което има енергия.
Откъде идва? Източникът на ток, включен в електрическата верига, има резерв от енергия.
В момента на затваряне на електрическата верига източникът на ток изразходва част от енергията си, за да преодолее ефекта от възникващата самоиндуктивна емф. Тази част от енергията, наречена собствена енергия на тока, отива за образуването на магнитно поле.

Енергията на магнитното поле е равна на собствената енергия на тока.
Собствената енергия на тока е числено равна на работата, която източникът на ток трябва да извърши, за да преодолее ЕДС на самоиндукция, за да създаде ток във веригата.

Енергията на магнитното поле, създадено от тока, е право пропорционална на квадрата на тока.
Къде отива енергията на магнитното поле след спиране на тока? - изпъква (когато веригата е отворена с достатъчно голяма силатокът може да предизвика искра или дъга)


ВЪПРОСИ ЗА КОНТРОЛНА РАБОТА

по темата "Електромагнитна индукция"

1. Избройте 6 начина за получаване на индукционен ток.
2. Феноменът на електромагнитната индукция (дефиниция).
3. Правилото на Ленц.
4. Магнитен поток (дефиниция, чертеж, формула, входни величини, техните мерни единици).
5. Законът за електромагнитната индукция (дефиниция, формула).
6. Свойства на вихровото електрическо поле.
7. ЕДС на индукция на проводник, движещ се в еднородно магнитно поле (причина за появата, чертеж, формула, входни величини, техните мерни единици).
8. Самоиндукция (кратко проявление в електротехниката, определение).
9. ЕМП на самоиндукция (неговото действие и формула).
10. Индуктивност (дефиниция, формули, мерни единици).
11. Енергия на магнитното поле на тока (формулата откъде идва енергията на магнитното поле на тока, къде изчезва, когато токът спре).

Физика 10-11 клас. САМОИНДУКЦИЯ

Всеки проводник, през който протича електрически ток, е в собствено магнитно поле.

При промяна на силата на тока в проводника се променя м.полето, т.е. магнитният поток, създаден от този ток, се променя. Промяната в магнитния поток води до възникване на вихрово електрическо поле и във веригата се появява индуцирана ЕДС.

Това явление се нарича самоиндукция.
Самоиндукцията е явлението на възникване на индуцирана ЕДС в електрическа верига в резултат на промяна в силата на тока.
Получената ЕДС се нарича Самоиндуцирана емф

Проява на феномена на самоиндукцията

Затваряне на веригата

При късо съединение в електрическата верига токът се увеличава, което предизвиква увеличаване на магнитния поток в бобината и се появява вихрово електрическо поле, насочено срещу тока, т.е. в бобината възниква самоиндукционна емф, предотвратяваща увеличаването на тока във веригата (вихровото поле инхибира електроните).
В резултат на това L1 светва по-късно,отколкото L2.

Отворена верига

При отваряне на електрическата верига токът намалява, настъпва намаляване на потока в бобината и се появява вихрово електрическо поле, насочено като ток (опитвайки се да поддържа същата сила на тока), т.е. В бобината възниква самоиндуцирана ЕДС, поддържаща тока във веригата.

Електрическият ток, преминаващ през проводник, създава магнитно поле около него. Магнитният поток F през веригата на този проводник е пропорционален на модула на индукция B на магнитното поле вътре във веригата, а индукцията на магнитното поле от своя страна е пропорционална на силата на тока в проводника. Следователно, магнитният поток през контура е право пропорционален на тока в контура:

Коефициентът на пропорционалност между силата на тока I във веригата и магнитния поток F, създаден от този ток, се нарича индуктивност. Индуктивността зависи от размера и формата на проводника, от магнитни свойствасреда, в която се намира проводникът.

Единица за индуктивност.

На единица индуктивност в Международна системаХенри е прието. Тази единица се определя въз основа на формула (55.1):

Индуктивността на веригата е равна, ако е под сила DC 1 Магнитен поток през веригата е равен на

Самоиндукция.

Когато токът в намотката се промени, магнитният поток, създаден от този ток, се променя. Промяната в магнитния поток, преминаващ през бобината, трябва да доведе до появата на индуцирана ЕДС в бобината. Феноменът на възникване на индуцирана ЕДС в

на електрическа верига в резултат на промяна на силата на тока в тази верига се нарича самоиндукция.

В съответствие с правилото на Ленц, самоиндуктивната ЕДС предотвратява увеличаването на тока, когато веригата е включена, и тока от намаляване, когато веригата е изключена.

Явлението самоиндукция може да се наблюдава чрез сглобяване на електрическа верига от намотка с висока индуктивност, резистор, две еднакви лампи с нажежаема жичка и източник на ток (фиг. 197). Резисторът трябва да има същото електрическо съпротивление, като жицата на бобината. Опитът показва, че когато веригата е затворена, електрическа лампа, свързана последователно с намотката, светва малко по-късно от лампа, свързана последователно с резистор. Увеличаването на тока във веригата на намотката по време на затваряне се предотвратява от самоиндукционната емф, която възниква, когато магнитният поток в намотката се увеличи. Когато източникът на захранване е изключен, и двете лампи мигат. В този случай токът във веригата се поддържа от емф на самоиндукция, която възниква, когато магнитният поток в намотката намалява.

Едс на самоиндукция, възникваща в намотка с индуктивност съгласно закона за електромагнитната индукция, е равна на

Едс на самоиндукция е право пропорционална на индуктивността на бобината и скоростта на промяна на тока в бобината.

Използвайки израз (55.3), можем да дадем второ определение на единицата индуктивност: елемент от електрическа верига има индуктивност, ако при равномерна промяна на силата на тока във веригата с 1 A за 1 s, самоиндуктивен в него възниква едс от 1 V.

Енергия на магнитното поле.

Когато бобината на индуктора е изключена от източника на ток, лампа с нажежаема жичка, свързана успоредно на бобината, дава краткотрайна светкавица. Токът във веригата възниква под от действието на ЕМПсамоиндукция. Източникът на енергия, освободена в електрическата верига, е магнитното поле на намотката.

Енергията на магнитното поле на индуктора може да се изчисли по следния начин. За да опростите изчислението, помислете за случая, когато след изключване на намотката от източника, токът във веригата намалява с времето според линеен закон. В този случай самоиндуцираната ЕДС има постоянна стойност, равен

E.m.f. самоиндукция. E.m.f. e L, индукцията в проводник или намотка в резултат на промяна в магнитния поток, създаден от ток, преминаващ през същия проводник или намотка, се нарича e. д.с. самоиндукция (фиг. 60). Това д. д.с. възниква, когато има промяна в тока, например при затваряне и отваряне електрически вериги, когато се променя натоварването на електродвигателите и т.н. Колкото по-бързо се променя токът в даден проводник или бобина, толкова по-голяма е скоростта на промяна на магнитния поток, преминаващ през тях и толкова по-голяма е e. д.с. в тях се предизвиква самоиндукция. Например, напр. д.с. самоиндукция e L възниква в проводника AB (виж фиг. 54), когато токът i 1, протичащ през него, се променя. Следователно, променящо се магнитно поле индуцира e. д.с. в същия проводник, в който токът се променя, създавайки това поле.

Посока e. д.с. самоиндукцията се определя от правилото на Ленц. E.m.f. самоиндукцията винаги има посока, в която предотвратява изменението на тока, който я е причинил.Следователно, тъй като токът в проводника (намотката) се увеличава, индуцираният в тях напр. д.с. самоиндукцията ще бъде насочена срещу тока, т.е. ще предотврати неговото увеличаване (фиг. 61, а), и обратно, когато токът намалява в проводника (намотката), се появява e.m. д.с. самоиндукция, съвпадаща по посока с тока, т.е. предотвратявайки неговото намаляване (фиг. 61, b). Ако токът в намотката не се промени, тогава e. д.с. не се получава самоиндукция.

От разгледаното по-горе правило за определяне на посоката на e. д.с. самоиндукция предполага, че това e. д.с. има спирачен ефект върху текущите промени в електрическите вериги. В това отношение неговото действие е подобно на действието на инерционната сила, която предотвратява промяната на положението на тялото. В електрическа верига (фиг. 62, а), състояща се от резистор със съпротивление R и намотка K, се създава ток i съвместни действиянапрежение U източник и e. д.с. самоиндукция e L, индуцирана в намотката. При свързване на въпросната верига към източник на e. д.с. самоиндукция e L (виж плътната стрелка) ограничава увеличаването на силата на тока. Следователно токът i достига стационарната стойност I = U / R (според закона на Ом) не мигновено, а в рамките на определен период от време (фиг. 62, b). През това време в електрическата верига протича преходен процес, при който e L и i се променят. точно така

Освен това, когато електрическата верига е изключена, токът i не намалява моментално до нула, а поради действието на e. д.с. e L (вижте пунктираната стрелка) постепенно намалява.

Индуктивност.Способността на различни проводници (намотки) да индуцират напр. д.с. самоиндукцията се оценява чрез индуктивност L. Тя показва какво e. д.с. самоиндукция възниква в даден проводник (бобина), когато токът се промени с 1 A за 1 s. Индуктивността се измерва в хенри (H), 1 H = 1 Ohm*s. На практика индуктивността често се измерва в части от хенри - милихенри (mH) и в части от милионна част от хенри - микрохенри (µH).

Зависи ли индуктивността на бобината от броя на навивките на бобината? и магнитното съпротивление R m на неговата магнитна верига, т.е. от неговата магнитна пропускливост? a и геометрични размери l и s. Ако стоманена сърцевина се постави в намотка, нейната индуктивност се увеличава рязко поради усилването на магнитното поле на намотката. В този случай ток от 1 A ​​създава значително по-висок магнитен поток, отколкото в намотка без сърцевина.

Използвайки концепцията за индуктивност L, може да се получи за e. д.с. самоиндукция по следната формула:

e L = – L ?i / ?t (53)

Къде?i е промяната в тока в проводника (намотката) за период от време?t.

следователно д. д.с. самоиндукцията е пропорционална на скоростта на промяна на тока.

Включване и изключване на постояннотокови вериги с индуктор.Когато електрическа верига, съдържаща R и L, е свързана към източник на постоянен ток с напрежение U чрез превключвател B1 (фиг. 63, a), токът i не се увеличава до стабилната стойност, зададена от I = U / R не мигновено, тъй като д. д.с. самоиндукция e L, възникваща в индуктивността, действа срещу приложеното напрежение V и предотвратява увеличаването на тока. Разглежданият процес се характеризира с постепенна промянаток i (фиг. 63, b) и напрежения u a и u L по кривите - на изложителите.Изменението на i, u a и u L по посочените криви се нарича апериодичен.

Скоростта на нарастване на тока във веригата и промяната на напреженията u a и u L се характеризира с времеконстанта на веригата

T = L/R (54)

Измерва се в секунди, зависи само от параметрите R и L на дадена верига и ви позволява да оцените продължителността на процеса на промяна на тока, без да конструирате графики. Тази продължителност теоретично е безкрайно дълга. На практика обикновено се смята, че е (3-4) T. През това време токът във веригата достига 95-98% от стойността в стационарно състояние. Следователно, колкото по-голямо е съпротивлението и колкото по-малка е индуктивността L, толкова по-бързо протича процесът на промяна на тока в електрически вериги с индуктивност. Времевата константа T в апериодичен процес може да се дефинира като сегмент AB, отрязан от допирателна, начертана от началото към разглежданата крива (например ток i) на линията, съответстваща на стационарната стойност на това количество.
Свойството на индуктивността да забавя процеса на промяна на тока се използва за създаване на времеви закъснения при работа на различни устройства (например при управление на работата на пясъчници за периодично подаване на порции пясък под колелата на локомотив). Работата на електромагнитно реле за време също се основава на използването на това явление (виж § 94).

Комутационни пренапрежения.Е е особено силно. д.с. самоиндукция при отваряне на вериги, съдържащи бобини с голям бройзавои и със стоманени сърцевини (например намотки на генератори, електродвигатели, трансформатори и др.), т.е. вериги с висока индуктивност. В този случай получената e. д.с. самоиндукция e L може да бъде многократно по-висока от напрежението U на източника и, сумирано с него, да причини пренапрежения в електрическите вериги (фиг. 64, а), т.нар. превключване(възниква, когато превключване- превключване на електрически вериги). Те са опасни за намотките на електродвигатели, генератори и трансформатори, тъй като могат да причинят пробив на изолацията им.

Голямо Е. д.с. самоиндукцията също допринася за възникването електрическа искраили дъги в електрически устройства, които превключват електрически вериги. Например, в момента на отваряне на контактите на превключвателя (фиг. 64, b), полученото напр. д.с. самоиндукцията значително увеличава потенциалната разлика между отворените контакти на превключвателя и прекъсва въздушната междина. Получената електрическа дъгаподдържани известно време. д.с. самоиндукция, която по този начин забавя процеса на изключване на тока във веригата. Това явление е много нежелателно, тъй като дъгата стопява контактите на изключващите устройства, което води до бързата им повреда. Следователно във всички устройства, използвани за отваряне на електрически вериги, са предвидени специални устройства за гасене на дъгата, за да се осигури по-бързо гасене на дъгата.

В допълнение, в силови вериги със значителна индуктивност (например възбуждащи намотки на генератори), паралелно вериги R-L(т.е. съответната намотка) включете разрядния резистор R p (фиг. 65, а). В този случай след изключване на превключвателя B1 веригата R-L не се прекъсва, а се затваря към резистор R p. Токът във веригата i не намалява моментално, а постепенно - експоненциално (фиг. 65.6), тъй като e. д.с. самоиндукция e L, възникваща в индуктивност L, предотвратява намаляването на тока. Напрежението u p през разрядния резистор също се променя експоненциално по време на процеса на промяна на тока. То е равно на напрежението, приложено към веригата R-L, т.е. към клемите на съответния

текуща намотка. IN начален момент U p първоначално = UR p /R, т.е. зависи от съпротивлението на разрядния резистор; при големи стойности Rp това напрежение може да бъде прекалено високо и опасно за изолацията на електрическата инсталация. На практика, за да се ограничат получените пренапрежения, съпротивлението R p на разрядния резистор се приема не повече от 4-8 пъти по-голямо от съпротивлението R на съответната намотка.

Условия за възникване на преходни процеси.Обсъдените по-горе процеси при включване и изключване на веригата R-L се извикват преходни процеси. Те възникват при включване и изключване на източника или отделни участъци от веригата, както и при промяна на режима на работа, например при внезапни промени в натоварването, прекъсвания и къси съединения. Същите преходни процеси протичат при определени условия и във вериги, съдържащи кондензатори с капацитет C. В някои случаи преходните процеси са опасни за източниците и приемниците, тъй като получените токове и напрежения могат да бъдат многократно по-високи от номиналните стойности за които са предназначени тези устройства. Въпреки това, в някои елементи на електрическото оборудване, по-специално в промишлените електронни устройства, преходните процеси са режими на работа.

Физически възникването на преходни процеси се обяснява с факта, че индукторите и кондензаторите са устройства за съхранение на енергия и процесът на натрупване и освобождаване на енергия в тези елементи не може да се случи мигновено; следователно, токът в индуктора и напрежението на кондензатора не може да се промени моментално. Времето на преходния процес, през което настъпва постепенна промяна на тока и напрежението при включване, изключване и промяна на режима на работа на веригата, се определя от стойностите на R, L и C на веригата и може да бъде до части и единици от секунди. След края на преходния процес токът и напрежението придобиват нови стойности, които се наричат установени.