Бути самостійним – це добре. Ось і електричний струм вирішив, що він сам розбереться з усім. А нам у цій статті належить розібратися у явищі самоіндукції.
Магнітний потік
Перш ніж говорити про електромагнітну індукцію та самоіндукцію, нам потрібно визначити сутність магнітного потоку.
Уявіть, що ви взяли в руки обруч і вийшли на вулицю в зливу. Потоки води будуть проходити через обруч.
Якщо тримати обруч горизонтально, то через нього пройде багато води. А якщо почати його повертати, то вже менше, бо він розташований не під прямим кутом до вертикалі.
Тепер давайте поставимо обруч вертикально — ні одної краплі не пройде крізь нього (якщо вітер не подує, звичайно).
Магнітний потік дуже схожий на потік води, що проходить через обруч, тільки рахуємо ми величину магнітного поля, що пройшло через площу, а не дощу.
Магнітним потоком через площу S контура називають скалярну фізичну величину, рівну добутку:
- модуля вектора магнітної індукції B ,
- площі поверхні S, яку пронизує потік,
- і косинуса кута α між напрямком вектора магнітної індукції та вектора нормалі (перпендикуляра до площини даної поверхні).
Магнітний потік  Ф – магнітний потік [Вб] B – магнітна індукція [Тл] S – площа пронизуваної поверхні [м2] n — вектор нормалі (перпендикуляр до поверхні) [-] |
Магнітний потік можна наочно представити як величину, пропорційну числу магнітних ліній, що проходять через дану площу.
Залежно від кута α магнітний потік може бути позитивним (α < 90°) або негативним (α > 90°). Якщо α = 90°, то магнітний потік дорівнює 0.
Змінити магнітний потік можна, змінюючи площу контуру, модуль індукції поля або розташування контуру в магнітному полі (повертаючи його). ділянок, на які можна розбити цю поверхню.
Електромагнітна індукція
Електромагнітна індукція — явище виникнення струму в замкнутому провідному контурі при зміні магнітного потоку, що пронизує його.
Явище електромагнітної індукції відкрив Майкл Фарадей під час серії дослідів.
Досвід раз. На одну непровідну основу намотали дві котушки таким чином, що витки однієї котушки були розташовані між витками другої. Витки першої котушки були замкнені на гальванометр, а другий – підключені до джерела струму.
При замиканні ключа і протіканні струму по другій котушці в першій виникав імпульс струму. При розмиканні ключа також спостерігався імпульс струму, але струм через гальванометр протікав в протилежному напрямку.
Досвід два. Першу котушку підключили до джерела струму, а другу до гальванометра. При цьому друга котушка переміщалася щодо першої. При наближенні або видаленні котушки фіксувався струм.
Досвід три. Котушку замкнули на гальванометр, а магніт пересували щодо котушки.
Ось що показали ці досліди:
- Індукційний струм виникає лише за зміни ліній магнітної індукції.
- Напрямок струму відрізняється при збільшенні кількості ліній та при їх зменшенні.
- Сила індукційного струму залежить від швидкості зміни магнітного потоку. При цьому як саме поле може змінюватися, так і контур може переміщатися в неоднорідному магнітному полі.
Чому виникає індукційний струм?
Струм у ланцюгу може існувати, коли на вільні заряди діють сторонні сили. Робота цих сил по переміщенню одиничного позитивного заряду вздовж замкнутого контуру дорівнює електрорушійній силі (ЕРС).
Значить, при зміні числа магнітних ліній через поверхню, обмежену контуром, у ньому з’являється ЕРС, яку називають ЕРС індукції.
Самоіндукція
Уявімо будь-який електричний ланцюг, параметри якого можна змінювати. Якщо ми змінимо силу струму в цьому ланцюзі, наприклад, підкрутимо реостат або підключимо інше джерело струму, відбудеться зміна магнітного поля. Внаслідок цього зміни в ланцюзі виникне додатковий індукційний струм за рахунок електромагнітної індукції, про яку ми говорили вище. Таке явище називається самоіндукцією, а струм, що виникає при цьому – струмом самоіндукції.
| Формула магнітного потоку для самоіндукції Ф = LI |
Самоіндукція — це виникнення в провідному контурі ЕРС, створюваної внаслідок зміни сили струму в самому контурі.
Самоіндукція чимось нагадує інерцію: як у механіці не можна миттєво зупинити тіло, що рухається, так і струм не може миттєво набути певного значення за рахунок самоіндукції.
Уявимо ланцюг, що складається з двох однакових ламп, паралельно підключених до джерела струму . Якщо ми послідовно з другою лампою включимо в цей ланцюг котушку, то при замиканні ланцюга станеться наступне:
- перша лампа загориться практично відразу,
- друга лампа загориться з помітним запізненням.
При розмиканні ланцюга сила струму швидко зменшується, і виникає ЕРС самоіндукції перешкоджає зменшенню магнітного потоку. При цьому індукований струм спрямований так само, як вихідний. ЕРС самоіндукції може багато в чому перевищити зовнішню ЕРС. Тому електричні лампочки так часто перегорають при відключенні світла.
ЕРС самоіндукції  ξis — ЕРС самоіндукції [В] ΔФ/Δt — швидкість зміни магнітного потоку [Вб/с] ΔI/Δt — швидкість зміни сили струму в контурі [А/с] L — індуктивність [Гн] |
Знак мінуса у формулі закону електромагнітної індукції вказує на те, що ЕРС індукції перешкоджає зміні магнітного потоку, що викликає ЕРС. Під час вирішення розрахункових задач знак мінуса не враховується.
Індуктивність
Індуктивність — це здатність котушки, контуру або провідника зі струмом накопичувати магнітне поле. Вона характеризує здатність провідника чинити опір електричному струму. Найпростіше це робити за допомогою котушки, тому що котушка складається з витків, які є контурами. Згадайте про магнітний потік та обруч під дощем – у контурі створюється магнітний потік. Де потік, там і електромагнітна індукція.
Індуктивність контуру залежить від його форми та розмірів, від магнітних властивостей навколишнього середовища та не залежить від сили струму в контурі.
Чи можна збільшувати індуктивність котушки?
Звичайно! Можна збільшити кількість витків, наприклад. Або помістити в центр котушки залізний сердечник.
Як працює котушка
Навколо кожного провідника, яким протікає струм, утворюється магнітне поле. Якщо помістити провідник у змінне поле, то в ньому виникне струм.
Магнітні поля кожного витка котушки складаються. Тому навколо котушки, якою протікає струм, виникає сильне магнітне поле. При зміні сили струму в котушці змінюватиметься і магнітний потік навколо неї.
Завдання раз
На малюнку наведено графік залежності сили струму від часу в електричному ланцюзі, індуктивність якого 1 мГн. Визначте модуль ЕРС самоіндукції в інтервалі часу від 15 до 20 с. Відповідь висловіть у мкВ.
Рішення
За час від 15 до 20 з сила струму змінилася від 20 до 0 мА. Модуль ЕРС самоіндукції дорівнює:
Відповідь: модуль ЕРС самоіндукції з 15 до 20 секунд дорівнює 4 мкВ.
Завдання два
По дротяній котушці протікає постійний електричний струм силою 2 А. При цьому потік вектора магнітної індукції через контур, обмежений витками котушки, дорівнює 4 мВб. Електричний струм якої сили повинен протікати по котушці для того, щоб потік вектора магнітної індукції через вказаний контур дорівнював 6 мВб?
Рішення
При протіканні струму через котушку індуктивності виникає магнітний потік, чисельно рівний Ф = LI.
Звідси індуктивність котушки дорівнює:
Тоді для досягнення значень потоку вектора магнітної індукції в 6 мВб струм буде дорівнює:
Відповідь: для досягнення значень потоку вектора магнітної індукції в 6 мВб необхідний струм в 3 А.
