Индуктивность

Катушки индуктивности, как правило, в форме катушек, обычно используются во многих схемах. Их назначение — накапливать магнитную энергию при протекании стационарного тока.

В контуре, образующем замкнутую цепь, изменяющееся магнитное поле индуцирует электродвижущую силу, которая приводит в движение ток. Это явление называется электромагнитной индукцией. Катушка индуктивности — это просто катушка провода, и она обладает свойством самоиндуктивности, которая связывает напряжение на его выводах с изменением собственного магнитного поля.

В этом видео будут проиллюстрированы концепции, лежащие в основе индуктивности, а затем продемонстрируется индукционный эксперимент с использованием стержневого магнита и катушки. Наконец, мы рассмотрим некоторые из текущих применений индукторов.

Магнитный поток можно рассматривать как количество магнитного поля, проходящего через область. Для однородного магнитного поля B, перпендикулярного области A, магнитный поток phi является просто произведением этих двух. Согласно закону индукции Фарадея, изменяющийся магнитный поток в петле проволоки генерирует электродвижущую силу, или ЭДС, вдоль петли. Эта ЭДС равна отрицательной скорости изменения магнитного потока с течением времени.

Скорость изменения магнитного потока определяет полярность индуцированной электродвижущей силы. Отрицательный знак в выражении для закона Фарадея означает, что если магнитное поле уменьшается со временем, то ЭДС положительна. Если со временем она увеличивается, то ЭМП отрицательная. Когда контур представляет собой замкнутую цепь, индуцированная ЭДС управляет током, который, в свою очередь, генерирует собственное магнитное поле. Это магнитное поле имеет ориентацию, заданную правилом правой руки. Если пальцы правой руки сгибаются вокруг направления тока в петле, то большой палец правой руки будет указывать в направлении генерируемого магнитного поля. Индуцированный ток должен протекать в направлении, создающем магнитное поле, противостоящее скорости изменения внешнего магнитного поля.

Например, магнитное поле от этого магнита направлено вверх через одну петлю проволоки. Перемещение магнита в сторону от петли уменьшает напряженность магнитного поля в петле. Изменение магнитного потока, представленное вектором, направленным вниз, индуцирует положительную ЭДС, которая управляет током против часовой стрелки, как показано на рисунке. Согласно правилу правой руки, ток создает магнитное поле, которое направлено вверх внутри петли, противодействуя уменьшающемуся магнитному полю или потоку. Напротив, перемещение магнита к петле увеличивает магнитное поле в ней. Изменение магнитного потока представлено вектором, направленным вверх. В этом случае он индуцирует отрицательную ЭДС, которая управляет током по часовой стрелке. Согласно правилу правой руки, ток в этом направлении создает магнитное поле, которое направлено вниз внутри петли, противодействуя увеличивающемуся магнитному полю или потоку.

Теперь перейдем от петли к соленоиду, который представляет собой просто несколько петель из проволоки, намотанных на сердечник из воздуха или магнитного материала. Это обычно используемый индуктор в электрических цепях. Если ток протекает через соленоид, он создает магнитное поле внутри катушки индуктивности. Направление этого магнитного поля задается правилом правой руки. Это поле, в свою очередь, создает магнитный поток в том же направлении, что и поле, и величина этого потока пропорциональна току. Следовательно, если ток изменяется со временем, то же самое происходит и с магнитным потоком. Следуя закону Фарадея, изменяющийся поток индуцирует напряжение, которое направляет ток через катушку таким образом, что магнитное поле индуцированного тока противостоит изменению исходного потока. Это явление индукции напряжения на собственных выводах в ответ на изменяющийся ток называется самоиндукцией, а общее индуцированное напряжение на соленоиде представляет собой число витков N, умноженное на ЭДС одной петли.

Теперь, когда мы объяснили основы, давайте посмотрим, как изучать электромагнитную индукцию в физической лаборатории.

Во всех последующих экспериментах используется аналоговый биполярный амперметр, стрелка которого отклоняется вправо или влево от нулевой точки в зависимости от направления протекания тока.

Во-первых, приобретите соленоид с полым сердечником, стержневой магнит с четко обозначенными северным и южным полюсами и аналоговый биполярный амперметр. Затем подключите соленоид к амперметру. Для первого испытания вставьте северный полюс магнита в конец соленоида, подключенного к отрицательной клемме амперметра. Наблюдайте за амперметром и записывайте полярность и приблизительную величину отклонения стрелки. Извлеките магнит из соленоида и запишите полярность и приблизительную величину отклонения стрелки амперметра.

Теперь поверните магнит и вставьте и снимите южный полюс с конца соленоида, подключенного к отрицательной клемме амперметра. Повторите этот эксперимент, вставив южный полюс магнита в катушку, а затем удалите его сначала медленнее, а затем быстрее, чем в первой попытке. Когда северный полюс приближается и входит в соленоид, он индуцирует ток, который вызывает мгновенное положительное отклонение амперметра. Когда северный полюс удален от соленоида, прогиб отрицательный. Изменение ориентации магнита также изменяет реверс отклика амперметра.

Наконец, скорость движения влияет на изменение магнитного поля со временем, которое определяет наведенное напряжение и ток. Более медленное движение индуцирует меньший ток и меньшие показания, а более быстрое движение индуцирует больший ток и большее показание.

Для эксперимента по самоиндуктивности подключите лампочку, катушку индуктивности, источник питания, установленный на положительное напряжение в один вольт, переключатель и аналоговый амперметр, как показано на рисунке. Соберите цепь с разомкнутым выключателем, чтобы ток не протекал.

Закройте выключатель, чтобы подключить источник напряжения к лампочке и катушке индуктивности. Обратите внимание на лампочку, которая кажется тускло освещенной. Разомкните выключатель, чтобы отсоединить питание от цепи. Наблюдайте за лампочкой и амперметром в момент размыкания выключателя, затем запишите результат. Лампочка кратковременно становится ярче, и в то же время амперметр показывает положительные показания. Это происходит благодаря самостимуляции, и в течение этого короткого периода времени происходит несколько событий.

Изначально, когда выключатель замкнут, ток протекает как через катушку, так и через лампочку, но через катушку протекает гораздо больше тока по сравнению с лампочкой, так как катушка имеет меньшее сопротивление по сравнению с лампочкой. Размыкание выключателя отключает источник напряжения. Это приводит к уменьшению тока через катушку индуктивности.

Этот изменяющийся ток через катушку индуктивности вызывает изменение его магнитного потока, который, в свою очередь, индуцирует переходный ток, противодействующий уменьшению, протекающий в том же направлении, что и первоначальный ток. Комбинация этих двух факторов - исходного и переходного тока - дает общий ток индуктивности, который теперь протекает через лампочку и кратковременно зажигает ее, и в то же время вызывает отклонение амперметра, указывающее на положительный ток.

Электромагнитная индукция имеет множество применений в современных устройствах и является фундаментальным методом передачи энергии и информации без физического контакта.

Индукция является основным принципом функционирования устройств, называемых трансформаторами. Трансформатор имеет пару входных клемм, подключенных к первичной обмотке или катушке, и пару выходных клемм, подключенных к вторичной обмотке. Сердечник, состоящий из стали, феррита или даже просто воздуха, магнитно соединяет две обмотки. Напряжение на одной обмотке заставляет ток протекать через нее, создавая магнитное поле. Магнитный поток, или плотность магнитного поля, затем связывается с вторичной обмоткой через сердечник, где он индуцирует напряжение. Этот принцип называется взаимной индукцией.

Еще одним применением индукторов являются асинхронные двигатели переменного тока, которые являются рабочими лошадками современной промышленности благодаря своей простоте, прочности и надежности. Асинхронный двигатель состоит только из двух основных частей. Первая – это неподвижная часть, называемая статором, которая состоит из неподвижных катушек вокруг полости. В полости подвешен ротор, представляющий собой пару торцевых колец, увенчанных цилиндрическим расположением стержней. Трехфазный асинхронный двигатель переменного тока использует трехфазное питание, при этом каждая фаза подключена к отдельному набору катушек статора. Катушки расположены по схеме, которая генерирует одно магнитное поле для каждой фазы подаваемой мощности. Результирующее результирующее магнитное поле, называемое «магнитным полем статора», вращается с постоянной скоростью.

Вращающийся магнитный поток индуцирует ток в роторе, подобно тому, как трансформатор передает энергию от первичной катушки к вторичной. Ток через стержни ротора, в свою очередь, создает собственное магнитное поле, называемое «индуцированным магнитным полем ротора». Взаимодействие между этими двумя полями создает силу, действующую на ротор, которая заставляет его следовать за магнитным полем статора, как железный стержень следует за магнитами вокруг него.

Вы только что посмотрели введение JoVE в электромагнитную индуктивность. Теперь вы должны понять, как изменяющееся во времени магнитное поле индуцирует электродвижущую силу в проводнике и как результирующий ток создает свое собственное магнитное поле. Спасибо за просмотр!