Самоиндукция простыми словами: определение, формулы, примеры
Явление электромагнитной индукции очень часто наблюдается в электротехнике. Взаимное влияние электрических и магнитных полей иногда приводит к интересным результатам. Самоиндукция – частный случай электромагнитной индукции.
Общеизвестно, что причиной порождения электрического тока является переменное магнитное поле. Именно этот принцип реализован в конструкциях современных генераторов. Природа самоиндукции также связана с электромагнетизмом, но это явление проявляется она по-другому.
Определение
Рассмотрим схему катушки, по обмоткам которой протекает электрический ток (рис. 1). Так как вокруг проводника, который находится под током, всегда существует связанное с ним магнитное поле, то силовые линии этого поля пронизывают плоскости витков. В результате такого взаимодействия соленоиды образуют собственное магнитное поле, магнитные линии которого замыкаются за его пределами.
Рис. 1. Магнитное поле катушкиЧастным случаем катушки является замкнутый контур (один виток).
В нём, как и в катушке, образуется собственное магнитное поле (см. рис. 2). Если ток постоянный, то в контуре никаких изменений не происходит.
Но при изменении параметров, например, в результате размыкания цепи, изменяется магнитный поток, создаваемый электрическим полем, что является причиной возникновения ЭДС индукции. Аналогичное изменение произойдёт и в случае замыкания цепи.
Изменение параметров магнитного поля вызывает появление вихревого электрического поля, что в свою очередь приводит к возбуждению индуктивной электродвижущей силы. Возникновение ЭДС индукции, в результате изменения ток в замкнутом контуре, называется самоиндукцией.
Магнитный поток, ограниченный поверхностью контура, меняется прямо пропорционально изменению тока, циркулирующего в нём.
Рис. 2. Явление самоиндукцииНаправление вектора ЭДС самоиндукции не совпадает с направлением тока в период его возрастания (при замыкании цепи), но он сонаправлен с ним в период убывания (разъединения цепи).
Такое действие проявляется в замедлении появления тока в соленоиде при замыкания цепи, или в его задержке на какое-то время после разрыва цепи.
Описанное явление можно наблюдать на опыте с лампочками, одна из которых подключена последовательно с индуктивностью (см. рис. 3).
Рис. 3. Схема опыта с лампочкамиКак видно на рисунке слева, ток от источника питания, проходящий через лампочку 2, при замыкании контактов встретит сопротивление вихревых токов, поскольку они противоположно направлены. Поэтому зажигание этой лампочки произойдёт с задержкой.
На время включения лампочки 1 вихревые токи повлияют, но сила тока в её цепи уменьшится после зажигания лампы 2. При отключении цепи от источника питания произойдёт обратный процесс: лампочка в цепи индуктивности некоторое время будет медленно угасать, а вторая лампа потухнет сразу после разъединения контактов.
График на рисунке 4 красноречиво объясняет эффект задержки.
Рис. 4. Иллюстрация задержки изменения тока в цепи индуктивностиОбратите внимание на нелинейность изменения силы тока по времени.
Аналогичные процессы происходят в цепи, состоящей из одной катушки. На рисунке 5 изображена такая схема и график изменения силы тока.
Рис. 5. Возникновение самоиндукцииОстаётся добавить, что скорость изменение величины ЭДС зависит от количества витков соленоида. Чем больше витков, тем больше влияние вихревых токов, на параметры цепи.
В случае с переменным током амплитуда ЭДС самоиндукции пропорциональна амплитуде синусоиды питания, её частоте и индуктивности катушки.
Синусоидальный ток, проходя через катушку индуктивности, сдвигается по фазе на величину π/2. Именно этот сдвиг является причиной отставания собственного тока катушки от тока, вырабатываемого источником питания.
Формулы
Собственный магнитный поток контура (Ф) связан прямо пропорциональной зависимостью с индуктивностью (L) этого контура и величиной тока в нём (i). Данная зависимость выражается формулой: Ф = L×i. Коэффициент пропорциональности L принято называть коэффициентом самоиндукции или же просто индуктивностью контура.
При этом индуктивность контура пребывает в зависимости от его геометрии, площади плоскости ограниченной витком и магнитной проницаемости окружающей среды. Но этот коэффициент не зависит от силы тока в контуре. Если же форма, линейные размеры и магнитная проницаемость не изменяются, то для определения величины индуктивной ЭДС применяется формула:
где Eсамоинд. – ЭДС самоиндукции, Δi – изменение силы тока за время Δt.
Индуктивность
Выше мы отметили, что индуктивность контура зависит от его геометрии и размеров, а также от магнитной проницаемости среды. Если речь идёт о катушке, то эти утверждения справедливы и для неё. На индуктивность катушки влияет её диаметр и количество витков. Индуктивность существенно повышается, если в катушку добавить ферромагнитный сердечник.
Магнитные поля отдельных витков катушки складываются. Если витков достаточно много, то ток, протекающий через катушку, образует вокруг неё сильное магнитное поле, реагирующее на изменения электрического поля.
Индуктивность является той величиной, которая характеризует то, насколько сильно проводник, из которого состоят витки, противодействует электрическому току.
Чем больше индуктивность катушки и чем выше скорость прерывания её цепи, тем больший всплеск ЭДС произойдёт в цепи. При этом полярность вихревых токов на выводах катушки противоположна направлению тока источника питания.
Индуктивность (то есть коэффициент пропорциональности) является важной характеристикой катушек, дросселей и других контурных элементов. Этот параметр можно сравнить с ёмкостью конденсаторов. Тем более что действие катушки индуктивности и конденсатора в электрических цепях очень похожи. RL и RC цепочки часто используют для сглаживания всплесков напряжений в различных фильтрах.
Единицей измерения индуктивности в международной системе СИ является генри. Величина размеров в 1 Гн – это такая индуктивность, при которой ЭДС составляет 1 В, при скорости изменения тока на 1 А за секунду.
Индуктивность определяет количество энергии, выделяющейся в результате действия собственного магнитного поля при самоиндукции. Эту энергию легко рассчитать по формуле: Wм = LI2/2.
Собственная энергия катушки численно равна работе, которую необходимо выполнить источником питания при преодолении ЭДС самоиндукции.
Важно знать, что в результате резкого разрыва цепи с большой индуктивностью, энергия высвобождается в виде искры или даже с образованием дугового разряда.
Примеры использования на практике
Явление самоиндукции нашло широкое практическое применение. Автолюбители прекрасно знают, что такое катушка зажигания. Без неё карбюраторный двигатель не запустится.
Работает этот важный узел следующим образом:
- На катушку с большой индуктивностью подаётся бортовое напряжение 12 В.
- Электрическая цепь резко обрывается специальным прерывателем.
- Накопленная энергия самоиндукции поступает по высоковольтным проводам на свечу и образует на её электродах мощную искру.
- Искровой разряд зажигает топливную смесь, приводя в движение поршень.
В современных автомобилях разрыв цепи выполняет электроника, но суть от этого не меняется – для образования искры по-прежнему используется энергия самоиндукции.
Мы уже упоминали о сетевых фильтрах, в которых используется явление самоиндукции. RL цепочка реагирует на любое изменение параметров. При его возрастании она задерживает во времени пиковые скачки и заполняет собственными вихревыми токами провалы. Таким образом, происходит сглаживание напряжения в электрически цепях.
В блоках питания электронной аппаратуры таким же способом убирают:
- шумы:
- пульсации;
- нежелательные частоты.
Самоиндукция дросселей используется в люминесцентных лампах для розжига электродов. После срабатывания стартера происходит разрыв контактов, в результате чего в дросселе наводится ЭДС самоиндукции. Энергия дросселя разжигает дугу на электродах, и люминесцентная лампа начинает светиться.
Перечисленные примеры демонстрируют полезное применение самоиндукции. Однако, как это всегда бывает, индуктивная ЭДС может наносить вред. При разъединении контактов выключателей, нагрузкой которых являются цепи с большой индуктивностью, возможны дуговые разряды. Они разрушают контакты, замедляют время защиты и т.п. С целью снижения риска от негативных влияний самоиндукции автоматические выключатели оборудуют дугогасительными камерами.
В таких случаях приходится принимать меры для нейтрализации энергии ЭДС самоиндукции. Ещё большая потребность в рассеянии энергии самоиндукции возникает в полупроводниковых ключах, чувствительных к пробоям.
В промышленности и энергетике самоиндукция является серьёзной проблемой. При отключении нагруженных линий ЭДС самоиндукции может достигать опасных для жизни величин. Это требует дополнительных затрат на принятие мер предосторожности. В частности, необходимо устанавливать на линиях устройства, препятствующие молниеносному размыканию цепи.
Видео в помощь
Явление самоиндукции – в чем заключается?
4.4
Средняя оценка: 4.4
Всего получено оценок: 127.
4.4
Средняя оценка: 4.4
Всего получено оценок: 127.
Одним из важных явлений, происходящих в катушке индуктивности при прохождении через нее переменного тока, является самоиндукция. Рассмотрим, в чем заключается явление самоиндукции.
ЭДС самоиндукции
В результате электромагнитной индукции, при изменении магнитного потока через проводящий контур, в нем возникает электродвижующая сила (ЭДС), пропорциональная скорости изменения потока.
Рис. 1. Явление электромагнитной индукции.При этом для возникновения ЭДС нет разницы, какой источник был у магнитного потока, пронизывающего контур.
А теперь проследим, что происходит, если через катушку будет проходить не постоянный, а переменный ток.
Ток, идущий по катушке, создает магнитное поле, пронизывающее витки. Поскольку ток переменный, а индукция магнитного поля прямо пропорциональна силе порождающего тока, то и магнитный поток, порождаемый этим током, будет переменным. Изменение же магнитного потока приводит к возникновению ЭДС, которая будет также переменной.
Получается интересная ситуация: переменный ток, идущий по катушке, наводит переменное магнитное поле. Это магнитное поле наводит в той же катушке переменную ЭДС, которая, по правилу Ленца направлена так, чтобы препятствовать породившему ее току. Катушка «сопротивляется» изменениям тока. Данное явление называется самоиндукцией.
Рис. 2. Самоиндукция.Индуктивность
Оценим величину возникающей ЭДС самоиндукции.
Согласно закону электромагнитной индукции:
$$\mathscr{E}_{is}=-{ΔФ\over Δt}$$
Изменение же индукции и наведенного магнитного потока пропорционально изменению тока в катушке (если не меняется ориентация катушки и площадь ее сечения):
$$\Delta B \sim \Delta \Phi \sim \Delta I$$
То есть, изменение потока можно приравнять изменению тока, введя коэффициент пропорциональности $L$, и получить следующее выражение для ЭДС самоиндукции:
$$\mathscr{E}_{is}=-L{\Delta I\over \Delta t}$$
Коэффициент пропорциональности $L$, входящий в эту формулу, является важной характеристикой катушки, и называется индуктивность. Физический смысл ее в том что это ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1A за 1с.
За единицу индуктивности в СИ принят 1 Генри. (Гн). Такую индуктивность имеет катушка или проводник, в котором при изменении силы тока на 1А возникает ЭДС самоиндукции 1В:
$$Генри = {Вольт × секунда \over Ампер}$$
Самоиндукция и инерция
Явление самоиндукции – это следствие законов сохранения.
Самоиндукция подобна инерции в механике. Материальная точка «сопротивляется» прилагаемому воздействию, и сопротивление тем больше, чем больше масса. И для разгона, и для остановки требуется затратить энергию.
Точно так же катушка (и любой проводник) «сопротивляется» изменению тока, и это сопротивление тем сильнее, чем больше индуктивность. И для создания и для прекращения тока требуется затратить энергию.
В случае механики приложенная энергия изменяет кинетическую энергию точки. В случае катушки энергия изменяет энергию магнитного поля.
Рис. 3. Аналогия массы и индуктивности.Что мы узнали?
Явление самоиндукции состоит в том, что при изменении тока через катушку, в нем возникает ЭДС самоиндукции, сопротивляющаяся изменениям. Данное явление аналогично инерции в механике.
Тест по теме
Доска почёта
Чтобы попасть сюда — пройдите тест.
Пока никого нет. Будьте первым!
Оценка доклада
4.
4
Средняя оценка: 4.4
Всего получено оценок: 127.
А какая ваша оценка?
Собственная индуктивность
Собственная индуктивностьДалее: Энергия, хранящаяся в Вверх: Индуктивность Предыдущий: Взаимная индуктивность Нам не обязательно нужны две цепи, чтобы иметь индуктивные эффекты. Учитывать единая проводящая цепь, по которой течет ток течет. Этот ток создает магнитное поле, которое возникает магнитный поток, связывающий схема. Мы ожидаем, что поток будет прямо пропорционален к току , учитывая линейный характер законов магнитостатики, и определение магнитного потока. Таким образом, мы можем написать
| (241) |
где константа пропорциональности называется собственной индуктивностью схема. Как и взаимная индуктивность, собственная индуктивность цепи измеряется в генри и представляет собой чисто геометрическая величина, зависящая только от форма цепи и количество витков в цепи.
Если ток, протекающий по цепи, изменяется на сумма за временной интервал, то магнитный поток, связывающий цепь, изменяется на величину в том же интервале времени. В соответствии с Закон Фарадея, ЭДС
| (242) |
генерируется вокруг цепи. С , эту ЭДС также можно записать
| (243) |
Таким образом, ЭДС, создаваемая вокруг цепи за счет собственного тока, непосредственно пропорциональна скорости изменения тока. закон Ленца и здравый смысл требует, что если ток увеличивается, то ЭДС должна всегда действовать, чтобы уменьшить ток, и наоборот . Это легко оценить, так как если ЭДС действовала на увеличение ток, когда ток увеличивался, то мы явно получили бы нефизический положительный отзыв эффект, при котором ток продолжал увеличиваться без ограничений.
Рассмотрим соленоид длиной и поперечным сечением
область . Предположим, что соленоид имеет витки.
При протекании тока в соленоиде возникает однородное осевое поле величиной
| (244) |
генерируется в сердечнике соленоида. Напряженность поля вне ядра является незначительный. Магнитный поток, связывающий один виток соленоида, равен . Таким образом, магнитный поток, связывающий все витки соленоид
| (245) |
Согласно уравнению (241) собственная индуктивность соленоида определяется выражением , что сводится к
| (246) |
Заметьте, положительный.
Кроме того, является геометрической величиной, зависящей
только от размеров соленоида и количества витков в соленоиде. Инженеры нравится сводить все части электрических устройств, какими бы сложными они ни были, к эквивалентная схема , состоящая из сети всего четыре разных типа компонента. Эти четыре основных компонента ЭДС , резисторы , конденсаторы , и катушки индуктивности . Катушка индуктивности представляет собой просто чистую собственную индуктивность и обычно представлял собой маленький соленоид на принципиальных схемах. На практике катушки индуктивности обычно состоят из коротких соленоидов с воздушным сердечником, намотанных из эмалированной медной проволоки.
Далее: Энергия, хранящаяся в Вверх: Индуктивность Предыдущий: Взаимная индуктивность Ричард Фицпатрик 2007-07-14
Самоиндукция Определение и значение | Dictionary.
com- Основные определения
- Викторина
- Примеры
- Британский
Показывает уровень сложности слова.
[ self-in-duhk-shuhn ]
/ ˌsɛlf ɪnˈdʌk ʃən /
Сохранить это слово!
Показывает уровень оценки в зависимости от сложности слова.
сущ. Электричество.
процесс, при котором электродвижущая сила индуцируется в цепи переменным током в этой цепи.
ТЕСТ
МОЖЕТЕ ЛИ ВЫ ОТВЕТИТЬ НА ЭТИ ОБЫЧНЫЕ ГРАММАТИЧЕСКИЕ СПОРЫ?
Есть грамматические дебаты, которые никогда не умирают; и те, которые выделены в вопросах этой викторины, наверняка снова всех разозлят. Знаете ли вы, как отвечать на вопросы, которые вызывают самые ожесточенные споры по грамматике?
Вопрос 1 из 7
Какое предложение верно?
Происхождение самоиндукции
Впервые записано в 1870–1875 гг.
Слова рядом с самоиндукцией
самонесовместимость, самообвинение, самообвинение, самоиндуцирование, самоиндукция, самоиндукция, самовнушение, самонанесение, самоинициация, самообучение, самострахование
Dictionary.com Полный На основе Random House Unabridged Dictionary, © Random House, Inc. 2023
Как использовать самоиндукцию в предложении
Мы рассматриваем детоксикацию как путь к трансцендентности, символ современной городской добродетели и самопреобразования через воздержание.
Как «Класс» Тэрин Туми стал последним увлечением фитнесом в Нью-Йорке|Лиззи Крокер|9 января 2015 г.|DAILY BEAST
Стефани Джорджио, классический музыкант, благодарит The Class за то, что он помог ей справиться с беспокойством, сосредоточенностью и страхом , и неуверенность в себе.
Как «Класс» Тэрин Туми стал последним увлечением фитнесом в Нью-Йорке|Лиззи Крокер|9 января 2015 г.|DAILY BEAST
Больным анорексией голодание помогает почувствовать себя лучше.
Насколько худой слишком худой? Израиль запрещает «худощавых» моделей|Кэрри Арнольд|8 января 2015 г.|DAILY BEAST
Я пришел на прослушивание в роли Ферисито, венесуэльского перкуссиониста, а затем я стал экспертом по самообороне.
Кофейная беседа с Фредом Армисеном: о «Портландии», встрече с Обамой и величии Тейлор Свифт|Марлоу Стерн|7 января 2015 г.|DAILY BEAST
они хотят поговорить об этом.
Все на этом званом обеде кого-то потеряли|Саманта Левин|6 января 2015 г.|DAILY BEAST
Пусть мысль о себе пройдет, и красота великих действий исчезнет, как цветок с грязного цветка.
Pearls of Thought|Maturin M. Ballou
Мне кажется, что это создание упорядоченной законопослушной личности подразумевает, что существуют импульсы, которые создают порядок.
Пути детей|Джеймс Салли
В настоящее время Луи был слишком поглощен внутренней борьбой, чтобы вникать в то, что происходит вокруг него.
