Электрические и магнитные явления изучаются уже давно, но никто никогда не думал каким-то образом связать эти исследования друг с другом. Лишь в 1820 году были открыты проводники с током, действующие на стрелки компаса. Открытие принадлежит датскому физику Гансу Кристиану Эрстеду. Впоследствии единица измерения напряженности магнитного поля в системе СГС была названа в его честь: E (Ørsted) на русском языке и Oe на английском языке. Это напряженность магнитного поля, которая индуцирует 1 Гаусс в вакууме.
Это открытие показывает, что электрический ток может генерировать магнитное поле. Но в то же время были мысли и об обратном преобразовании, то есть о том, как получить ток из магнитного поля. Ведь многие процессы в природе обратимы: вода создает лед, а лед может снова расплавиться и превратиться в воду.
После открытия Эрстеда потребовалось двадцать два года, чтобы изучить этот теперь очевидный закон физики. Британский учёный Майкл Фарадей занимался исследованием генерации энергии магнитного поля. Проводники и магниты изготавливаются различных форм и размеров, ищутся варианты их взаимного расположения. Судя по всему, учёные просто случайно обнаружили, что для получения электродвижущей силы на конце проводника необходим ещё один термин – движение магнита, то есть движение магнита. Магнитное поле должно быть переменным.
Сейчас это уже никого не удивляет. Именно так работают все генераторы – пока что-то крутится, вырабатывается электричество и светится лампочка. Они остановились, перестали вращаться, и свет погас.
электромагнитная индукция
Поэтому электродвижущая сила возникает на конце проводника только тогда, когда проводник движется определенным образом в магнитном поле. Или, если быть точнее, магнитное поле должно меняться, быть переменным. Это явление называется электромагнитной индукцией, по-русски электромагнитная индукция: в этом случае говорят, что в проводнике наводится электродвижущая сила. Если к такому источнику ЭДС подключить нагрузку, в цепи потечет ток.
Величина наведенной электродвижущей силы зависит от нескольких факторов: длины проводника, индукционной напряженности магнитного поля В и в значительной степени скорости движения проводника в магнитном поле. Чем быстрее вращается ротор генератора, тем выше напряжение, которое он выдает.
ПРИМЕЧАНИЕ. Электромагнитную индукцию (явление электродвижущей силы, возникающей на концах проводников в переменном магнитном поле) не следует путать с магнитной индукцией (векторной физической величиной, характеризующей само магнитное поле.
Три способа получить электродвижущую силу
Вступление в должность
Этот подход обсуждается в первой части статьи. Достаточно перемещать проводник в магнитном поле постоянного магнита, и наоборот, перемещать (почти всегда путем вращения) магнит вблизи проводника. Оба варианта обязательно дадут вам переменное магнитное поле. В этом случае метод генерации электродвижущей силы называется индукцией. Индукция используется в различных генераторах для создания электродвижущей силы. В эксперименте Фарадея 1831 года магнит постепенно перемещался внутри катушки с проволокой.
Взаимная индукция
Название указывает на то, что в этом явлении участвуют два проводника. Один из токов постоянно меняется, создавая вокруг себя переменное магнитное поле. Если рядом находится другой проводник, на его конце появится переменная электродвижущая сила.
Этот метод создания электродвижущей силы называется взаимной индукцией. Все трансформаторы работают по принципу взаимной индуктивности, за исключением того, что их проводники выполнены в виде катушек и для усиления магнитной индукции используются сердечники из ферромагнитных материалов.
Если ток в первом проводнике прекратится (разомкнет цепь) или станет очень сильным, но постоянным (без изменения), то на конце второго проводника ЭДС не появится. Именно поэтому трансформаторы работают только от переменного тока: если к первичной обмотке подключить аккумулятор, то на выходе вторичной обмотки напряжения точно не будет.
Электродвижущая сила индуцируется во вторичной обмотке только при изменении магнитного поля. Более того, чем сильнее скорость изменения (т е скорость, а не абсолютное значение), тем больше наведенная электродвижущая сила.
самоиндукция
Если убрать второй проводник, магнитное поле в первом проводнике проникает не только в окружающее пространство, но и в сам проводник. Таким образом, под действием его поля в проводнике будет индуцироваться электродвижущая сила, называемая электродвижущей силой самоиндукции.
Явление самоиндукции изучил русский учёный Ленц в 1833 году. На основании этих экспериментов можно обнаружить интересную закономерность: самоиндуцированная электродвижущая сила всегда нейтрализует и компенсирует внешнее переменное магнитное поле, вызвавшее эту электродвижущую силу. Эта зависимость называется законом Ленца (не путать с законом Джоуля-Ленца).
Читайте также статью: Как перевести страницу на русском в опере
Отрицательный знак в формуле просто представляет собой реакцию электродвижущей силы на причину самоиндукции. Если катушка подключена к источнику постоянного тока, ток будет увеличиваться довольно медленно. Это очень очевидно при «проверке» первичной обмотки трансформатора стрелочным омметром: стрелка движется к нулевой шкале значительно медленнее, чем при проверке резистора.
Когда катушка отсоединяется от источника тока, ЭДС самоиндукции вызывает искрение контактов реле. В случае, когда катушка управляется транзистором (например, катушкой реле), параллельно ей в противоположном направлении относительно источника питания ставится диод. Это сделано для защиты полупроводниковых компонентов от самоиндуцированной электродвижущей силы, которая может в десятки и даже сотни раз превышать напряжение питания.
Для проведения эксперимента Ленц сконструировал интересное устройство. На обоих концах алюминиевого коромысла закреплены два алюминиевых кольца. Одно кольцо цельное, а второе с вырезами. Коромысло свободно вращается на игле.
Когда постоянный магнит вставлен в сплошное кольцо, он «убегает» от магнита, а когда магнит вынимается, преследует его. То же самое с режущим кольцом не вызовет никакого движения. Это объясняется тем, что в твердом кольце под действием переменного магнитного поля генерируется электрический ток и, следовательно, магнитное поле. Но в разомкнутом контуре нет тока и, следовательно, нет магнитного поля.
Важная деталь этого эксперимента состоит в том, что если магнит вставить в кольцо и держать неподвижно, то реакции алюминиевого кольца на присутствие магнита не наблюдается. Это еще раз подтверждает, что наведенная ЭДС возникает только при изменении магнитного поля, а величина ЭДС зависит от скорости изменения. В данном случае это зависит только от того, насколько быстро движется магнит.
То же самое можно сказать и о взаимной и самоиндукции, просто изменение напряженности магнитного поля, а точнее скорость его изменения, зависит от скорости изменения тока. Для иллюстрации этого явления можно привести следующий пример.
Пусть через две одинаковые катушки значительных размеров протекает большой ток: 10 А в первой катушке и 1000 А во второй катушке, причем ток в обеих катушках возрастает линейно. Предположим, что ток в первой катушке изменяется с 10 А до 15 А за одну секунду и с 1000 А до 1001 А за вторую секунду, что приводит к возникновению самоиндуцированной электродвижущей силы в обеих катушках.
Однако, хотя значение тока во второй катушке настолько велико, ЭДС самоиндукции в первой катушке будет больше, поскольку скорость изменения тока составляет 5 А/секунду, в то время как скорость изменения тока во второй катушке катушка составляет всего 1 А/секунду. Ведь ЭДС самоиндукции зависит от скорости нарастания тока (читай магнитного поля), а не от его абсолютного значения.
индуктивность
Видео: Галилео. Эксперимент. Электромагнитная индукция
Магнитные свойства катушки с током зависят от числа витков и геометрических размеров. Магнитное поле можно существенно увеличить, введя в катушку ферромагнитный сердечник. О магнитных свойствах катушки можно достаточно точно судить по величине наведенной электродвижущей силы, взаимной индуктивности или самоиндукции. Обо всех этих явлениях говорилось выше.
Характеристика катушки, отражающая это, называется индуктивностью (самоиндукцией) или просто индуктивностью. В формуле дроссель обозначается буквой Л, а на схеме дроссель обозначается той же буквой.
Единица индуктивности — Генри (Гн). Индуктивность катушки равна 1Гн. При изменении тока на 1А в секунду будет генерироваться электродвижущая сила 1В. Эта величина довольно велика: сетевые обмотки довольно мощных трансформаторов имеют одну или несколько индуктивностей Gn.
поэтому часто используются значения более низкого порядка, а именно милли-Генри и микро-Генри (мГн и мкГн). Этот тип катушки используется в электронных схемах. Одно из применений катушек - колебательные контуры радиоаппаратуры.
Катушка также используется в качестве дросселя, основное назначение которого — пропускать постоянный ток без потерь при ослаблении переменного тока (фильтр в блоке питания). Вообще говоря, чем выше рабочая частота, тем меньшая индуктивность требуется для катушки.
Сопротивление
Если вы возьмете достаточно большой силовой трансформатор и измерите сопротивление первичной обмотки мультиметром, то обнаружите, что оно составляет всего несколько Ом, а то и близко к нулю. Оказывается, ток, протекающий через такую обмотку, будет очень большим, стремящимся даже к бесконечности. Кажется, короткое замыкание просто неизбежно! Так почему же его не существует?
Одной из основных характеристик индуктивной катушки является индуктивное реактивное сопротивление, которое зависит от индуктивности и частоты переменного тока, подаваемого на катушку.
Легко видеть, что с увеличением частоты и индуктивности индуктивное сопротивление увеличивается и обычно равно нулю при постоянном токе. Поэтому при измерении сопротивления катушки мультиметром измеряется только активное сопротивление провода.
Конструкции дросселей весьма разнообразны и зависят от частоты, на которой работает катушка. Например, для работы на радиоволнах дециметрового диапазона часто используют печатные катушки. Этот метод очень удобен для массового производства.
Индуктивность катушки зависит от ее геометрии, сердечника, количества слоев и формы. В настоящее время выпускается достаточное количество стандартных дросселей, аналогичных обычным выводным резисторам. Такие катушки маркируются цветными кольцами. В качестве дросселей также используются катушки поверхностного монтажа. Индуктивность такой катушки составляет несколько миллигенри.
- Индукторы и магнитные поля
- Конденсаторы в источниках питания переменного тока
- Конденсаторы для электрооборудования переменного тока
Надеюсь, эта статья была вам полезна. Смотрите также другие статьи в категории Электроэнергия в быту и работе » Помощь начинающим электрикам
Подписывайтесь на наш Telegram-канал: Бытовая техника
Здесь можно оставлять комментарии, задавать вопросы и общаться:
Обсудить электротехнические темы
Поделитесь этой статьей с друзьями:
Видео: Индуктивность
Видео: Электромагнитная индукция. Простыми словами
Читайте также статью: Каменный уголь: его происхождение, свойства и использование в различных отраслях
Комментарии
Отправить комментарий