Induktorer og magnetiske felt. Del 2. Elektromagnetisk induksjon og induktans

Den første delen av artikkelen: Induktorer og magnetiske felt

Forholdet mellom elektriske og magnetiske felt

Elektriske og magnetiske fenomener har blitt studert i lang tid, men det falt aldri opp for noen å på en eller annen måte forholde disse studiene til hverandre. Og først i 1820 ble det oppdaget at en nåværende leder virker på kompassnålen. Denne oppdagelsen tilhørte den danske fysikeren Hans Christian Oersted. Deretter ble måleenheten for magnetfeltstyrken i GHS-systemet oppkalt etter ham: den russiske betegnelsen E (Oersted), den engelske betegnelsen Oe. Magnetfeltet har en slik intensitet i et vakuum under induksjon av 1 Gauss.

Denne oppdagelsen antydet at et magnetisk felt kunne oppnås fra en elektrisk strøm. Men samtidig oppstod tanker om den omvendte transformasjonen, nemlig hvordan man får en elektrisk strøm fra et magnetfelt. Faktisk er mange prosesser i naturen reversible: is hentes fra vann, som igjen kan smeltes i vann.

Etter oppdagelsen av Oersted tok studiet av denne nå åpenbare fysikkloven så mye som tjueto år. Den engelske forskeren Michael Faraday var engasjert i å skaffe strøm fra et magnetfelt. Ledere og magneter av forskjellige former og størrelser ble laget, og man ønsket alternativer for deres innbyrdes arrangement. Og bare tilsynelatende ved en tilfeldighet oppdaget forskeren at for å få EMF i endene av lederen, er det behov for enda et begrep - magnetens bevegelse magnetfeltet må være variabelt.

Nå overrasker ikke dette noen. Slik fungerer alle elektriske generatorer - mens den roteres med noe, genereres det strøm, lyser en lyspære. Stoppet, sluttet å snu, og lyset slukket.

Elektromagnetisk induksjon

Således oppstår EMF i endene av lederen bare hvis den blir beveget på en viss måte i et magnetfelt. Eller, mer presist, magnetfeltet må nødvendigvis endres, være variabelt. Dette fenomenet kalles elektromagnetisk induksjon, i russisk elektromagnetisk veiledning: i dette tilfellet sier de at EMF er indusert i lederen. Hvis en last er koblet til en slik EMF-kilde, vil en strøm strømme i kretsen.

Størrelsen på den induserte EMF avhenger av flere faktorer: lederens lengde, induksjonen av magnetfeltet B, og i stor grad av lederens bevegelseshastighet i magnetfeltet. Jo raskere generatorrotoren roteres, jo høyere er spenningen ved utgangen.

Merk: elektromagnetisk induksjon (forekomsten av EMF i endene av en leder i et vekslende magnetfelt) skal ikke forveksles med magnetisk induksjon - en fysisk vektormengde som karakteriserer det faktiske magnetfeltet.

Tre måter å få EMF på

induksjon

Denne metoden er vurdert. i den første delen av artikkelen. Det er nok å bevege lederen i magnetfeltet til permanentmagneten, eller omvendt for å bevege (nesten alltid ved rotasjon) magneten i nærheten av lederen. Begge alternativene vil definitivt tillate deg å få et vekslende magnetfelt. I dette tilfellet kalles metoden for å oppnå EMF induksjon. Det er induksjon som brukes til å få EMF i forskjellige generatorer. I eksperimentene fra Faraday i 1831 beveget magneten seg gradvis inne i trådspolen.

Gjensidig induksjon

Dette navnet antyder at to dirigenter deltar i dette fenomenet. I en av dem strømmer en skiftende strøm, som skaper et vekslende magnetfelt rundt seg. Hvis det er en annen leder i nærheten, er det en variabel EMF i endene.

Denne metoden for å oppnå EMF kalles gjensidig induksjon.Det er på prinsippet om gjensidig induksjon at alle transformatorer fungerer, bare deres ledere er laget i form av spoler, og kjerner laget av ferromagnetiske materialer brukes til å forbedre magnetisk induksjon.

Hvis strømmen i den første lederen stopper (åpen krets), eller til og med blir veldig sterk, men konstant (det er ingen endringer), kan man i endene av den andre lederen ikke oppnå noen EMF. Det er grunnen til at transformatorer kun fungerer på vekselstrøm: hvis et galvanisk batteri er koblet til primærviklingen, vil det definitivt ikke være noen spenning i utgangen til sekundærviklingen.

EMF i sekundærviklingen induseres bare når magnetfeltet endres. Dessuten, jo sterkere endringshastigheten, nemlig hastigheten, og ikke den absolutte verdien, jo større er den induserte EMF.

Selvinduksjon

Hvis du fjerner den andre lederen, vil magnetfeltet i den første lederen gjennomsyre ikke bare det omkringliggende rommet, men også selve lederen. Dermed under påvirkning av sitt felt i lederindusert EMF, som kalles EMF for selvinduksjon.

Fenomenene med selvinduksjon i 1833 ble studert av den russiske forskeren Lenz. Basert på disse eksperimentene ble det funnet et interessant mønster: EMF for selvinduksjon motvirker alltid, kompenserer for det eksterne vekslende magnetfeltet som forårsaker denne EMF. Denne avhengigheten kalles Lenz-regelen (ikke å forveksle med Joule-Lenz-loven).

Minustegnet i formelen snakker bare om å motvirke EMF for selvinduksjon av dens årsaker. Hvis spolen er koblet til en likestrømskilde, vil strømmen øke ganske sakte. Dette merkes veldig når den primære viklingen av transformatoren "ringes" med en skive ohmmeter: hastigheten på pilen i retning av nullskalainndelingen er merkbart lavere enn når du tester motstander.

Når spolen kobles fra strømkilden, forårsaker selvinduksjon EMF gnist av relékontaktene. I tilfelle når spolen styres av en transistor, for eksempel en reléspole, plasseres en diode parallelt med den i motsatt retning med hensyn til strømkilden. Dette gjøres for å beskytte halvlederelementene mot påvirkning av EMF-selvinduksjon, som kan være titalls eller til og med hundrevis av ganger høyere enn spenningen til strømkilden.

For å utføre eksperimenter konstruerte Lenz et interessant apparat. To aluminiumsringer er festet i endene av aluminiums vippearmen. Den ene ringen er solid, og den andre ble kuttet. Vipperen roterer fritt på nålen.

Når en permanent magnet ble introdusert i en solid ring, "rømte" den fra magneten, og når magneten ble fjernet, søkte den etter den. De samme handlingene med kuttet ring forårsaket ingen bevegelser. Dette skyldes det faktum at i en kontinuerlig ring under påvirkning av et vekslende magnetfelt oppstår det en strøm som skaper et magnetfelt. Men i den åpne ringen er det ingen strøm, derfor er det heller ikke noe magnetfelt.

En viktig detalj ved dette eksperimentet er at hvis en magnet settes inn i ringen og forblir stasjonær, blir ingen reaksjon fra aluminiumsringen til magnetens nærvær observert. Dette bekrefter nok en gang at induksjons-EMF bare skjer i tilfelle en endring i magnetfeltet, og størrelsen på EMF avhenger av endringshastigheten. I dette tilfellet ganske enkelt fra magnetens bevegelseshastighet.

Det samme kan sies om gjensidig induksjon og selvinduksjon, bare en endring i magnetfeltstyrken, mer presist, dens endringshastighet avhenger av endringshastigheten for strømmen. For å illustrere dette fenomenet kan vi gi et eksempel.

La store strømmer gå gjennom to tilstrekkelig store identiske spoler: gjennom den første spolen 10A, og gjennom den andre så mange som 1000, med strømningene lineært økende i begge spolene. Anta at i løpet av et sekund endret strømmen i den første spolen seg fra 10 til 15A, og i det andre fra 1000 til 1001A, noe som forårsaket utseendet til selvinduserende EMF i begge spolene.

Men til tross for en så stor verdi av strømmen i den andre spolen, vil selvinduserende EMF være større i den første, fordi der er den nåværende endringshastigheten 5A / s, og i den andre er den bare 1A / s. EMF for selvinduksjon avhenger faktisk av økningen av strømmen (les magnetfeltet), og ikke av dens absolutte verdi.

induktans

Spolens magnetiske egenskaper med strøm avhenger av antall svinger, geometriske dimensjoner. En betydelig økning i magnetfeltet kan oppnås ved å innføre en ferromagnetisk kjerne i spolen. Spolens magnetiske egenskaper kan bedømmes med tilstrekkelig nøyaktighet ut fra størrelsen på EMF for induksjon, gjensidig induksjon eller selvinduksjon. Alle disse fenomenene ble vurdert ovenfor.

Det kjennetegn ved spolen, som snakker om dette, kalles induksjonskoeffisienten (selvinduksjon) eller bare induktans. I formler er induktansen angitt med bokstaven L, og i diagrammene angir den samme bokstaven induktansspolene.

Enheten for induktans er Henry (GN). Induktans 1H har en spole der, når strømmen endres med 1A per sekund, genereres en EMF på 1V. Denne verdien er ganske stor: nettverkets viklinger av tilstrekkelig kraftige transformatorer har en induktans på en eller flere GN.

Derfor bruker de ofte verdier av en mindre orden, nemlig milli og mikro-henry (mH og μH). Slike spoler brukes i elektroniske kretsløp. En av bruksområdene til spoler er svingningskretser i radioenheter.

Spoler brukes også som choker, der hovedhensikten er å hoppe over likestrøm uten tap mens vekselstrømmen svekkes (filtre i strømforsyninger). Generelt, jo høyere driftsfrekvens, desto mindre induktansspoler er nødvendig.

induktiv reaktans

Hvis du tar en tilstrekkelig kraftig nettverkstransformator og mål med et multimeter motstand fra den primære viklingen, viser det seg at det bare er noen få ohm, og til og med nær null. Det viser seg at strømmen gjennom en slik vikling vil være veldig stor, og til og med har en tendens til uendelig. En kortslutning ser ut til å være uunngåelig! Så hvorfor er han ikke?

En av hovedegenskapene til induktorer er induktiv motstand, som avhenger av induktansen og av frekvensen av vekselstrømmen som er koblet til spolen.

Det er lett å se at med en økning i frekvens og induktans øker den induktive motstanden, og i jevn strøm blir den vanligvis lik null. Derfor, når du måler motstanden til spoler med et multimeter, måles bare den aktive motstanden til wiren.

Induktorenes utforming er veldig mangfoldig og avhenger av frekvensene som spolen fungerer i. For arbeid, for eksempel i desimeterområdet til radiobølger, brukes spoler laget av trykte ledninger ganske ofte. I masseproduksjon er denne metoden veldig praktisk.

Induktansen til en spole avhenger av dens geometriske dimensjoner, kjerne, antall lag og form. For øyeblikket produseres et tilstrekkelig antall standardinduktorer, tilsvarende konvensjonelle motstander med ledninger. Merking av slike spoler utføres med fargede ringer. Det er også overflatemonteringsspoler som brukes som choker. Induktansen av slike spoler er flere milligenes.