Induktorer og magnetiske felter. Del 2. Elektromagnetisk induktion og induktans

Den første del af artiklen: Induktorer og magnetiske felter

Forholdet mellem elektriske og magnetiske felter

Elektriske og magnetiske fænomener er blevet undersøgt i lang tid, men det fandt aldrig nogen nogen på en eller anden måde at relatere disse undersøgelser til hinanden. Og først i 1820 blev det opdaget, at en nuværende leder fungerer på kompasnålen. Denne opdagelse tilhørte den danske fysiker Hans Christian Oersted. Derefter blev måleenheden for magnetfeltstyrken i GHS-systemet opkaldt efter ham: den russiske betegnelse E (Oersted), den engelske betegnelse Oe. Magnetfeltet har en sådan intensitet i et vakuum under induktion af 1 Gauss.

Denne opdagelse antydede, at et magnetisk felt kunne opnås fra en elektrisk strøm. Men på samme tid opstod tanker om den omvendte transformation, nemlig hvordan man får en elektrisk strøm fra et magnetfelt. Faktisk er mange processer i naturen reversible: is opnås fra vand, som igen kan smeltes i vand.

Efter opdagelsen af ​​Oersted tog undersøgelsen af ​​denne nu indlysende fysiske lov op til toogtyve år. Den engelske videnskabsmand Michael Faraday var engageret i at få elektricitet fra et magnetfelt. Ledere og magneter i forskellige former og størrelser blev lavet, og man søgte muligheder for deres indbyrdes arrangement. Og kun tilsyneladende ved en tilfældighed opdagede videnskabsmanden, at for at få EMF i enderne af lederen, er der behov for endnu et udtryk - magnetens bevægelse, dvs. magnetfeltet skal være variabelt.

Nu overrasker dette ikke nogen. Sådan fungerer alle elektriske generatorer - mens den roteres med noget, genereres der elektricitet, en lyspære lyser. Stoppede, holdt op med at dreje, og lyset slukkede.

Elektromagnetisk induktion

Således forekommer EMF i enderne af lederen kun, hvis den bevæges på en bestemt måde i et magnetfelt. Eller mere præcist skal magnetfeltet nødvendigvis ændre sig, være variabelt. Dette fænomen kaldes elektromagnetisk induktion i russisk elektromagnetisk vejledning: i dette tilfælde siger de, at EMF induceres i lederen. Hvis en belastning er forbundet til en sådan EMF-kilde, strømmer der en strøm i kredsløbet.

Størrelsen af ​​den inducerede EMF afhænger af flere faktorer: lederens længde, induktionen af ​​magnetfeltet B og i vid udstrækning af lederens bevægelseshastighed i magnetfeltet. Jo hurtigere generatorrotoren drejes, jo højere er spændingen ved dens udgang.

Bemærk: elektromagnetisk induktion (forekomsten af ​​EMF i enderne af en leder i et skiftende magnetfelt) bør ikke forveksles med magnetisk induktion - en fysisk vektormængde, der karakteriserer det faktiske magnetfelt.

Tre måder at få EMF på

induktion

Denne metode er blevet overvejet. i den første del af artiklen. Det er nok at bevæge lederen i magnetfeltet til permanentmagneten, eller omvendt at bevæge (næsten altid ved at dreje) magneten i nærheden af ​​lederen. Begge muligheder giver dig bestemt mulighed for at få et vekslende magnetfelt. I dette tilfælde kaldes metoden til opnåelse af EMF induktion. Det er induktion, der bruges til at opnå EMF i forskellige generatorer. I eksperterne i Faraday i 1831 bevægede magneten sig gradvist inden i trådspolen.

Gensidig induktion

Dette navn antyder, at to konduktører deltager i dette fænomen. I en af ​​dem flyder en skiftende strøm, der skaber et vekslende magnetfelt omkring det. Hvis der er en anden leder i nærheden, er der ved dens ender en variabel EMF.

Denne metode til opnåelse af EMF kaldes gensidig induktion.Det er på princippet om gensidig induktion, at alle transformere fungerer, kun deres ledere er lavet i form af spoler, og kerner fremstillet af ferromagnetiske materialer bruges til at forbedre magnetisk induktion.

Hvis strømmen i den første leder stopper (åbent kredsløb), eller endda bliver meget stærk, men konstant (der er ingen ændringer), kan der ved endene af den anden leder ikke opnås nogen EMF. Derfor fungerer transformatorer kun på vekselstrøm: hvis et galvanisk batteri er tilsluttet den primære vikling, vil der bestemt ikke være nogen spænding ved udgangen fra den sekundære vikling.

EMF i den sekundære vikling induceres kun, når magnetfeltet skifter. Desuden, jo stærkere ændringshastigheden, nemlig hastigheden og ikke den absolutte værdi, jo større er den inducerede EMF.

Selvinduktion

Hvis du fjerner den anden leder, gennemsyrer magnetfeltet i den første leder ikke kun det omgivende rum, men også selve lederen. Under påvirkning af dets felt i lederinduceret EMF, der kaldes EMF for selvinduktion.

Fænomenerne med selvinduktion i 1833 blev undersøgt af den russiske videnskabsmand Lenz. Baseret på disse eksperimenter blev der fundet et interessant mønster: EMF for selvinduktion modvirker altid, kompenserer for det eksterne vekslende magnetfelt, der forårsager denne EMF. Denne afhængighed kaldes Lenz-reglen (ikke at forveksle med Joule-Lenz-loven).

Minustegnet i formlen taler bare om at modvirke EMF for selvinduktion ved dens årsager. Hvis spolen er tilsluttet en jævnstrømskilde, vil strømmen stige ganske langsomt. Dette bemærkes meget, når den primære vikling af transformeren "vælges" med en markør ohmmeter: hastighed af pilen i retning af nul skalaedeling er mærkbart lavere end ved kontrol af modstande.

Når spolen kobles fra den aktuelle kilde, forårsager den selvinduktionerende EMF gnistning af relækontakterne. I det tilfælde, hvor spolen styres af en transistor, for eksempel en relæspole, anbringes en diode parallelt med den i den modsatte retning i forhold til strømkilden. Dette gøres for at beskytte halvlederelementerne mod indflydelse af EMF-selvinduktion, som kan være tit eller endda hundreder gange højere end spænding fra strømkilden.

Til udførelse af eksperimenter konstruerede Lenz en interessant enhed. To aluminiumsringe er fastgjort i enderne af aluminium vippearmen. Den ene ring er solid, og den anden blev skåret. Vipperen roterer frit på nålen.

Når en permanent magnet blev introduceret i en solid ring, "slap den" ud af magneten, og da magneten blev fjernet, søgte den efter den. De samme handlinger med den afskårne ring forårsagede ingen bevægelser. Dette skyldes det faktum, at i en kontinuerlig ring under påvirkning af et vekslende magnetfelt opstår en strøm, der skaber et magnetfelt. Men i den åbne ring er der ingen strøm, derfor er der heller ikke noget magnetfelt.

En vigtig detalje ved dette eksperiment er, at hvis en magnet indsættes i ringen og forbliver stationær, observeres ingen reaktion fra aluminiumsringen til tilstedeværelsen af ​​magneten. Dette bekræfter endnu en gang, at induktions EMF kun forekommer i tilfælde af en ændring i magnetfeltet, og EMF's størrelse afhænger af ændringshastigheden. I dette tilfælde blot fra magnetens bevægelseshastighed.

Det samme kan siges om gensidig induktion og selvinduktion, kun en ændring i magnetfeltstyrken, mere præcist afhænger dens ændringshastighed af hastigheden for strømændring. For at illustrere dette fænomen kan vi give et eksempel.

Lad store strømme passere gennem to tilstrækkeligt store identiske spoler: gennem den første spole 10A og gennem den anden op til 1000, med strømme lineært stigende i begge spoler. Antag, at på et sekund ændrede strømmen i den første spole sig fra 10 til 15A, og i det andet fra 1000 til 1001A, hvilket forårsagede udseendet af selvinducerende EMF i begge spoler.

Men på trods af en sådan enorm værdi af strømmen i den anden spole, vil selvinduktions EMF være større i den første, fordi der er den aktuelle ændringshastighed 5A / s, og i den anden er den kun 1A / s. Faktisk afhænger EMF for selvinduktion af hastigheden for stigning af strømmen (læse magnetfeltet) og ikke af dens absolutte værdi.

induktans

Spolens magnetiske egenskaber med strøm afhænger af antallet af drejninger, geometriske dimensioner. En betydelig stigning i magnetfeltet kan opnås ved at indføre en ferromagnetisk kerne i spolen. Spolens magnetiske egenskaber kan bedømmes med tilstrækkelig nøjagtighed ud fra størrelsen af ​​EMF til induktion, gensidig induktion eller selvinduktion. Alle disse fænomener blev overvejet ovenfor.

Det karakteristiske ved spolen, der taler om dette, kaldes induktionskoefficient (selvinduktion) eller simpelthen induktans. I formler betegnes induktansen med bogstavet L, og i diagrammerne angiver det samme bogstav induktansspolerne.

Enhed induktans er Henry (GN). Induktans 1H har en spole, hvor der, når strømmen ændres med 1A pr. Sekund, genereres en EMF på 1V. Denne værdi er ret stor: netværksviklinger af tilstrækkeligt kraftige transformere har en induktans på en eller flere GN.

Derfor bruger de ofte ofte værdier af en mindre orden, nemlig milli og mikro-henry (mH og μH). Sådanne spoler bruges i elektroniske kredsløb. En af anvendelserne af spoler er svingningskredsløb i radioenheder.

Spoler bruges også som chokere, hvis hovedformål er at springe jævnstrøm uden tab, mens vekselstrømmen svækkes (filtre i strømforsyninger). Generelt kræves det, at jo højere driftsfrekvens, desto mindre induktansspoler kræves.

induktive reaktans

Hvis du tager en tilstrækkelig kraftig netværkstransformator og mål med et multimeter modstand fra den primære vikling viser det sig, at det kun er et par ohm og endda tæt på nul. Det viser sig, at strømmen gennem en sådan vikling vil være meget stor og endda en tendens til uendelighed. En kortslutning ser ud til at være uundgåelig! Så hvorfor er han ikke?

En af induktorernes hovedegenskaber er induktiv modstand, der afhænger af induktansen og af frekvensen af ​​vekselstrømmen, der er forbundet til spolen.

Det er let at se, at med en stigning i frekvens og induktans øges den induktive modstand, og i jævnstrøm bliver den generelt lig med nul. Derfor måles kun trådens aktive modstand, når man måler spolernes modstand med et multimeter.

Induktorernes design er meget forskelligartet og afhænger af frekvenserne, hvorpå spolen fungerer. For arbejde, der anvendes i decimeterområdet for radiobølger, bruges spoler lavet af trykte ledninger ofte ofte. I masseproduktion er denne metode meget praktisk.

Spolens induktans afhænger af dens geometriske dimensioner, kerne, antal lag og form. I øjeblikket produceres et tilstrækkeligt antal standardinduktorer svarende til konventionelle modstande med ledninger. Mærkning af sådanne spoler udføres med farvede ringe. Der er også overflademonteringsspoler, der bruges som choker. Induktansen af ​​sådanne spoler er adskillige milligener.