Induktory a magnetické polia. Časť 2. Elektromagnetická indukcia a indukčnosť

Prvá časť článku: Induktory a magnetické polia

Vzťah elektrických a magnetických polí

Elektrické a magnetické javy boli študované už dlhú dobu, ale nikdy nikomu nenapadlo, že by tieto štúdie navzájom prepojili. Až v roku 1820 sa zistilo, že na kompasovú ihlu pôsobí aktuálny vodič. Tento objav patril dánskemu fyzikovi Hansovi Christianovi Oerstedovi. Následne bola za ním pomenovaná jednotka merania sily magnetického poľa v systéme GHS: ruské označenie E (Oersted), anglické označenie Oe. Magnetické pole má takú intenzitu vo vákuu počas indukcie 1 Gauss.

Tento objav naznačoval, že magnetické pole sa dá získať z elektrického prúdu. Zároveň však vyvstali myšlienky o inverznej transformácii, konkrétne o tom, ako získať elektrický prúd z magnetického poľa. V skutočnosti je veľa procesov v prírode reverzibilných: ľad sa získava z vody, ktorá sa môže znova rozpustiť vo vode.

Po objavení Oersteda trvalo štúdium tohto dnes zjavného zákona fyziky až dvadsaťdva rokov. Anglický vedec Michael Faraday sa zaoberal získavaním elektriny z magnetického poľa. Boli vyrobené vodiče a magnety rôznych tvarov a veľkostí a hľadali sa možnosti ich vzájomného usporiadania. A vedci zrejme náhodou objavili, že na získanie EMF na koncoch vodiča je potrebný ďalší výraz - pohyb magnetu. magnetické pole musí byť variabilné.

Teraz to nikoho neprekvapuje. Takto fungujú všetky elektrické generátory - zatiaľ čo niečo rotuje, generuje sa elektrická energia, žiarovka svieti. Zastavil sa, prestal sa točiť a svetlo zhaslo.

Elektromagnetická indukcia

EMF na koncoch vodiča sa teda vyskytuje iba vtedy, ak sa určitým spôsobom pohybuje v magnetickom poli. Alebo presnejšie, magnetické pole sa musí nevyhnutne zmeniť, byť variabilné. Tento jav sa v ruskom elektromagnetickom vedení nazýva elektromagnetická indukcia: v tomto prípade hovoria, že vo vodiči sa indukuje EMF. Ak je záťaž pripojená k takémuto zdroju EMF, prúdi prúd v obvode.

Veľkosť indukovaného EMF závisí od niekoľkých faktorov: dĺžka vodiča, indukcia magnetického poľa B a do značnej miery od rýchlosti pohybu vodiča v magnetickom poli. Čím rýchlejšie sa rotor generátora otáča, tým vyššie je napätie na jeho výstupe.

Poznámka: Elektromagnetická indukcia (výskyt EMF na koncoch vodiča v striedavom magnetickom poli) by sa nemala zamieňať s magnetickou indukciou - vektorovou fyzikálnou veličinou charakterizujúcou skutočné magnetické pole.

Tri spôsoby, ako získať EMF

indukcia

Táto metóda sa zvážila. v prvej časti článku, Stačí pohybovať vodičom v magnetickom poli permanentného magnetu alebo naopak pohybovať magnetom (takmer vždy rotáciou) v blízkosti vodiča. Obe možnosti vám určite umožnia získať striedavé magnetické pole. V tomto prípade sa spôsob získania EMF nazýva indukcia. Je to indukcia, ktorá sa používa na získanie EMF v rôznych generátoroch. V pokusoch Faraday v roku 1831 sa magnet postupne pohyboval vo vnútri cievky drôtu.

Vzájomná indukcia

Toto meno naznačuje, že na tomto fenoméne sa podieľajú dvaja dirigenti. V jednom z nich prúdi meniaci sa prúd, ktorý okolo neho vytvára striedavé magnetické pole. Ak je v blízkosti ďalší vodič, potom je na jeho koncoch premenná EMF.

Tento spôsob získavania EMF sa nazýva vzájomná indukcia.Na princípe vzájomnej indukcie fungujú všetky transformátory, iba ich vodiče sú vyrobené vo forme cievok a jadrá vyrobené z feromagnetických materiálov sa používajú na zvýšenie magnetickej indukcie.

Ak sa prúd v prvom vodiči zastaví (otvorený obvod) alebo sa dokonca stane veľmi silným, ale konštantným (nedochádza k žiadnym zmenám), na konci druhého vodiča nie je možné získať EMF. Preto transformátory pracujú iba na striedavý prúd: ak je galvanická batéria pripojená k primárnemu vinutiu, na výstupe sekundárneho vinutia určite nebude žiadne napätie.

EMF v sekundárnom vinutí sa indukuje iba pri zmene magnetického poľa. Navyše, čím vyššia je miera zmeny, konkrétne rýchlosť, a nie absolútna hodnota, tým väčšia je indukovaná EMF.

Samozavádzanie

Ak odstránite druhý vodič, prenikne magnetické pole v prvom vodiči nielen do okolitého priestoru, ale aj do samotného vodiča. Teda pod vplyvom svojho poľa v vodičom indukovanom EMF, ktorý sa nazýva EMF samoindukcie.

Javy samoindukcie v roku 1833 študoval ruský vedec Lenz. Na základe týchto experimentov sa zistil zaujímavý vzorec: EMF samoindukcie vždy pôsobí proti, kompenzuje vonkajšie striedavé magnetické pole, ktoré spôsobuje tento EMF. Táto závislosť sa nazýva pravidlo Lenz (nemýliť sa s Joule-Lenzovým zákonom).

Znamienko mínus vo vzorci hovorí iba o pôsobení proti EMF na sebaindukciu podľa jej príčin. Ak je cievka pripojená na zdroj jednosmerného prúdu, prúd sa bude zvyšovať pomerne pomaly. Toto je veľmi viditeľné, keď je primárne vinutie transformátora „vytočené“ pomocou číselníkového ohmmetra: rýchlosť šípky v smere delenia nulovej stupnice je zreteľne nižšia ako pri testovaní odporov.

Keď je cievka odpojená od zdroja prúdu, samoindukčná EMF spôsobí iskrenie kontaktov relé. V prípade, že je cievka riadená tranzistorom, napríklad reléovou cievkou, je dioda umiestnená rovnobežne s ňou v opačnom smere vzhľadom na zdroj energie. Toto sa robí za účelom ochrany polovodičových prvkov pred vplyvom samoindukcie EMF, ktorá môže byť desaťkrát až stokrát vyššia ako napätie zdroja energie.

Na vykonanie experimentov Lenz skonštruoval zaujímavé zariadenie. Na hliníkových kolískových ramenách sú upevnené dva hliníkové krúžky. Jeden kruh je pevný a druhý bol odrezaný. Kolíska sa voľne otáča na ihle.

Keď bol permanentný magnet zavedený do pevného prstenca, „unikol“ z magnetu a keď bol magnet odstránený, hľadal ho. Rovnaké činnosti s rezaným krúžkom nespôsobili žiadne pohyby. Je to spôsobené skutočnosťou, že v nepretržitom kruhu pod vplyvom striedavého magnetického poľa vzniká prúd, ktorý vytvára magnetické pole. Ale v otvorenom kruhu nie je žiadny prúd, preto neexistuje ani magnetické pole.

Dôležitým detailom tohto experimentu je, že ak je magnet vložený do prstenca a zostáva nehybný, potom sa nepozoruje žiadna reakcia hliníkového kruhu na prítomnosť magnetu. To opäť potvrdzuje, že indukčný EMF sa vyskytuje iba v prípade zmeny magnetického poľa a veľkosť EMF závisí od rýchlosti zmeny. V tomto prípade jednoducho z rýchlosti pohybu magnetu.

To isté sa dá povedať o vzájomnej indukcii a samoindukcii, iba o zmene sily magnetického poľa, presnejšie, jej rýchlosť zmeny závisí od rýchlosti zmeny prúdu. Na ilustráciu tohto fenoménu môžeme uviesť príklad.

Nechajte veľké prúdy prechádzať cez dve dostatočne veľké zhodné cievky: cez prvú cievku 10A a druhú až 1000, pričom prúdy lineárne stúpajú v oboch cievkach. Predpokladajme, že za jednu sekundu sa prúd v prvej cievke zmenil z 10 na 15 A a v druhej z 1 000 na 1001 A, čo spôsobilo objavenie sa indukcie EMF v oboch cievkach.

Ale aj napriek takej obrovskej hodnote prúdu v druhej cievke bude samoindukčný EMF v prvej väčší, pretože tam je aktuálna rýchlosť zmeny 5A / s, a v druhej je to iba 1A / s. EMF samoindukcie závisí od rýchlosti nárastu prúdu (odčítané magnetické pole) a nie od jeho absolútnej hodnoty.

indukčnosť

Magnetické vlastnosti cievky s prúdom závisia od počtu zákrut, geometrických rozmerov. Významného zvýšenia magnetického poľa je možné dosiahnuť zavedením feromagnetického jadra do cievky. Magnetické vlastnosti cievky sa dajú posúdiť s dostatočnou presnosťou podľa veľkosti indukcie, vzájomnej indukcie alebo samoindukcie EMF. Všetky tieto javy sa posudzovali vyššie.

Charakteristika cievky, ktorá o tom hovorí, sa nazýva koeficient indukčnosti (samoindukcie) alebo jednoducho indukčnosti. Vo vzorcoch je indukčnosť označená písmenom L a v diagrame rovnaké písmeno označuje induktívne cievky.

Jednotkou indukčnosti je Henry (GN). Indukčnosť 1H má cievku, v ktorej sa pri zmene prúdu o 1 A za sekundu generuje EMF 1V. Táto hodnota je pomerne veľká: sieťové vinutia dostatočne výkonných transformátorov majú indukčnosť jedného alebo viacerých GN.

Preto pomerne často používajú hodnoty menšieho poriadku, menovite Milli a Microhenry (mH a μH). Takéto cievky sa používajú v elektronických obvodoch. Jednou z aplikácií cievok sú oscilačné obvody v rádiových zariadeniach.

Cievky sa používajú aj ako tlmivky, ktorých hlavným účelom je vynechať jednosmerný prúd bez straty a zároveň oslabiť striedavý prúd (filtre v napájacích zdrojoch). Všeobecne platí, že čím vyššia je pracovná frekvencia, tým menej indukčných cievok.

induktancia

Ak vezmete dostatočne výkonný sieťový transformátor a zmerajte multimetrom odpor primárneho vinutia, ukázalo sa, že je to len niekoľko ohmov, ba dokonca takmer nula. Ukazuje sa, že prúd takýmto vinutím bude veľmi veľký a dokonca má sklon k nekonečnu. Zdá sa, že skrat je nevyhnutný! Tak prečo nie?

Jednou z hlavných vlastností induktorov je induktívny odpor, ktorý závisí od indukčnosti a frekvencie striedavého prúdu, ktorý je pripojený k cievke.

Je ľahké vidieť, že so zvýšením frekvencie a indukčnosti sa indukčný odpor zvyšuje a pri jednosmernom prúde sa spravidla rovná nule. Preto pri meraní odporu cievok multimetrom sa meria iba aktívny odpor drôtu.

Konštrukcia induktorov je veľmi rôznorodá a závisí od frekvencií, pri ktorých cievka pracuje. Napríklad pri práci v decimetrovom rozsahu rádiových vĺn sa často používajú cievky vyrábané tlačeným vedením. V hromadnej výrobe je táto metóda veľmi výhodná.

Indukčnosť cievky závisí od jej geometrických rozmerov, jadra, počtu vrstiev a tvaru. V súčasnosti sa vyrába dostatočný počet štandardných induktorov, podobných konvenčným koncovým odporom. Značenie takýchto cievok sa uskutočňuje farebnými krúžkami. Ako tlmivky sa používajú aj cievky na povrchovú montáž. Indukčnosť takýchto cievok je niekoľko miligénov.