Итак, магнетизм всегда имеет электрическую природу, но одно дело постоянные магниты созданные (намагниченные) природными явлениями, а другое созданные людьми. Ещё каких-то 150 лет назад, люди не умели этого делать, так что дело это сравнительно новое.
Итак, напомню, магнитное поле всегда связано с движением заряженных частиц! То есть, если течёт электрический ток, а это и есть направленное движение частиц, то магнитное поле вокруг этих движущихся частиц и появится. Если есть какая-то разность потенциалов (напряжение), а тока за счёт неё не протекает, то никакого магнитного поля мы не дождёмся. Вокруг проводника с током всегда есть магнитное поле! Сильное магнитное поле? Да нет конечно, иначе мы бы его постоянно ощущали путём примагничивания к нему каких-то бытовых железяк. Разве что при помощи магнитной стрелки компаса можно почувствовать, и то, если ток в проводнике будет достаточно большим и не будет переменным. Потому, что переменный ток создаёт и переменное магнитное поле, а если магнитное поле будет меняться скажем с частотой 50 раз в секунду, то и стрелка компаса будет пытаться дёргаться с такой же частотой, и во первых не сможет даже дёрнуться из-за того, что слишком массивная для этого (её величество инерция), во вторых, даже если бы и смогла, наш глаз не успеет различить – всё что происходит с частотой выше 24 Hz. На этом и основан эффект кино, когда отдельные кадры сливаются в общую движущуюся картинку, так как кадры меняются слишком быстро. Ну да, если ток через проводник будет огромным по величине, то и магнитное поле от такого тока мы зарегистрируем. Но это либо молния, либо энергетика, куда мы не лезем по возможности. Если желаете полностью разобраться с физикой процесса, то вам дорога на урок физики, скажем за восьмой класс, например, сюда:
https://yandex.ru/video/preview/5252146657368563974
Чтобы усилить магнитное поле создаваемое электрическим током, придумали сворачивать проводники в катушку, обычно на каком-нибудь каркасе, например, из картона или пластика. Каждый виток такой катушки, создаёт по сути мизерное магнитное поле, а вместе эти поля складываются, и получается уже ощутимое магнитное поле. Чем больше витков, тем оно сильнее. Чтобы отдельные провода в этих витках не имели электрического контакта друг с другом, для намотки используется ОБМОТОЧНЫЙ провод, покрытый специальным изоляционным лаком.
Так же усиление магнитного поля достигается за счёт СЕРДЕЧНИКА из намагничиваемого материала. Если катушка должна выполнять функции обычного электромагнита, то с выбором материала для сердечника, особо не заморачиваются. Здесь можно вставить в катушку обычную железяку, например, болт. Важно только, чтобы она не вела себя как постоянный магнит. То есть ток в катушке есть, сердечник намагничен, значит его магнитное поле будет складываться с магнитным полем катушки и, получится довольно мощный электромагнит, ток в катушке выключили, катушка магнитное поле перестала создавать, сердечник тут же размагнитился. Получился электромагнит, у которого магнитное поле возникает только при протекании постоянного тока в катушке. Существуют и другие методы повышения величины магнитного поля электромагнита, например, создание сердечника в виде подковы и намотка катушки на обоих концах подковы. Тогда и северный и южный полюса электромагнита, за счёт изогнутого сердечника, будут располагаться с одной и той же стороны электромагнита, и сила притяжения такого магнита удвоится.
В случае, если нужно, чтобы сердечник очень быстро мог размагничиваться и перемагничиваться, необходимо для изготовления сердечника использовать специальный материал, например, феррит. Такие сердечники, это уже фактически керамика с включением в состав мелкой металлической пыли. Под каждую катушку заранее изготавливают такой сердечник. Для простых электромагнитов ферритовые сердечники конечно не используются. Они и дорогие и хрупкие да и зачем? Ведь электромагниту не нужно включаться и выключаться с большой частотой. Однако при выключении электромагнита, часто возникает искрение на выключателе. Чуть позже я объясню почему и как с этим бороться.
Аккуратно намотанная катушка без сердечника, или с ферритовым сердечником, это уже радиодеталь, которая называется ДРОССЕЛЬ или КАТУШКА ИНДУКТИВНОСТИ. Последнее название связано с тем, что основной параметр такой катушки, называется ИНДУКТИВНОСТЬ. Если говорить как можно проще, этот параметр напрямую влияет на величину магнитного поля, при одной и той же силе тока через катушку. Индуктивность обозначается в Генри (H в международной системе), а в формулах для расчётов, обозначается буквой L.
Катушка индуктивности ведёт себя как сопротивление резким изменениям тока, Она их сглаживает. Это происходит из-за того, что изменение тока создаёт и изменение магнитного поля вокруг витков катушки. А ЛЮБОЕ изменение магнитного поля вокруг проводника, а тем более вокруг катушки с большой индуктивностью, создает явление, которое называется в каких-то случаях ИНДУКЦИЯ, а в каких-то САМОИНДУКЦИЯ.
Индукция и самоиндукция возникает ТОЛЬКО если магнитное поле возле проводника ИЗМЕНЯЕТСЯ! Индукция возникает, если магнитное поле для катушки создаёт не она сама, а какой-то внешний магнит (возможно жаже внешний электромагнит). Если поместить возле катушки или простого проводника магнит (не важно, протекает ли в этот момент ток через катушку), то во время его поднесения к катушке, возникнет явление индукции, а затем, когда магнит замрёт на месте и магнитное поле от него перестанет изменяться, индукция исчезнет. Стоит опять начать двигать магнит, например, чтобы убрать его, опять возникнет индукция. Еесли снаружи катушки нет постоянного магнита, ток через катушку индуктивности создаёт внешнее магнитное поле, и пока оно создаётся, возникает уже самоиндукция, ведь магнитное поле меняется, а конкретно, нарастает. То есть при самоиндукции катушка и создаёт магнитное поле и сама же на него реагирует.
Индукцию применяют для производства электрэнергии, а так же в каких-либо датчиках механического движения, скорости и так далее. Что индукция, что самоиндукция заставляет саму катушку становится источником питания на время, пока магнитное поле меняется. Величина напряжения, которое в этом случае называется ЭДС (электродвижущая сила - название пришло из энергетики), зависит от скорости изменения магнитного поля и индуктивности катушки. Полярность этой ЭДС при самоиндукции зависит от того, нарастает магнитное поле или убывает. В случае индукции, полярность магнитного поля определяется правилом Ленца и данной темы не касается. Можете ознакомиться с данной темой, например, здесь: https://yandex.ru/video/preview/4711203266558551542
Если ковырнуть поглубже в тему, то правило Ленца всплывёт и при самоиндукции, но я объясню проще.
Если собственное магнитное поле нарастает, то полярность ЭДС самоиндукции такова, что плюс её возникает там, куда ток (создающий магнитное поле) в катушку втекает. Минус ЭДС соответственно там, где ток вытекает. На рисунке ниже показано появление ЭДС самоиндукции при увеличении собственного магнитного поля. Поскольку при нарастании магнитного поля, разность потенциалов ЭДС самоиндукции включена навстречу напряжению источника питания, эти напряжения взаимовычитаются, и ток через катушку протекает конечно меньшей величины, чем в случае, если бы ЭДС самоиндукции не возникала. Впрочем, ЭДС самоиндукции в данном случае не сможет превысить напряжение питания, так как в этом случае, ток через катушку совсем бы прекратился и перестал бы поддерживать такую ЭДС. Ведь эта ЭДС возникла из-за тока намагничивания катушки. Катушка в конце концов намагнитится, и её магнитное поле перестанет изменяться, следовательно исчезнет и ЭДС самоиндукции, но ток через катушку будет продолжать протекать, поддерживая это магнитное поле на максимуме. Катушка, которая до этого оказывала току сопротивление из-за встречного напряжения ЭДС самоиндукции, теперь почти никакого сопротивления оказывать не будет, и, величина тока теперь будет зависеть только от резистора в этой цепи и напряжения источника питания.
Но что произойдёт при выключении выключателя? Ну, конечно же, резко перестанет протекать ток через катушку, и всё накопленное магнитное поле начинает резко исчезать, а ведь это опять изменение магнитного поля возле катушки, и в катушке просто ОБЯЗАНА опять возникнуть ЭДС самоиндукции! Вот только магнитное поле теперь изменяется в другую сторону по отношению к процессу его нарастания. Полярность ЭДС самоиндукции теперь меняется, её плюс на нашем рисунке будет внизу катушки, а вверху минус, но самое главное, из-за очень резкого отключения тока, практически мгновенно исчезает и магнитное поле, а поскольку магнитное поле это тоже энергия, она вся и очень резко преобразуется электрическую, и напряжение ЭДС самоиндукции мгновенно возрастает до огромной величины. Справа от выключателя напряжение практически мгновенно достигнет значения в несколько киловольт и даже десятков киловольт. Всё завитит от индуктивности, того насколько велика накопленная энергис и скорости отключения тока. Далеко не каждый выключатель выдержит такое издевательство! Напряжение конечно почти сразу исчезнет, так как исчезнет магнитное поле его породившее, но так как электрической энергии просто надо куда-то деваться, она израсходуется, например, на пробой между контактами выключателя. Конечно же в симуляции выключатель не поймёт, что он просто обязан искрануть со страшно силой, и здесь эта энергия уйдёт на очень резкий ток через катушку, и электрическое поле резко возникнет, но оно тут же начнёт резко исчезать и опять проявляться в виде самоиндукции огромной величины, и тут же опять переходить в магнитную энергию и так далее. В конце концов, скачки напряжения и магнитного поля погаснут, так как не бывает преобразования энергии без потерь. Часть энергии всегда улетучивается в виде тепла.
Как же защититься от повышенного напряжения, которое может просто вывести из строя выключатель, да и многие другие части схемы? Ну давайте попробуем поставить такую деталь, как РАЗРЯДНИК, или его могут называть ИСКРОВОЙ ПРОМЕЖУТОК, если делают для этого к примеру прорезь в печатной плате. Обычно его рассчитывают так - примерно один миллиметр промежутка на один киловольт, и, если на него попадёт напряжение больше расчётного, то в разряднике возникнет искра, и энергия уйдёт на свет и тепло. Такой электрошокер получится.
Получается, что разрядник больше подходит именно для электрошокера, чем для защиты коммутирующего элемента от экстремальных напряжений. В нашем случае, для защиты контактов выключателя.
Лучше для этих целей подходит диод, подключенный к выводам катушки так, чтобы он открывался тогда, когда на ней возникает опасное напряжение. Чтобы и сам диод не вышел из строя, можно последовательно с ним подключать резистор с небольшим сопротивлением.
Иногда для защиты коммутирующих элементов применяют и другие элементы: цепочки из резистора и конденсатора, специальные диоды – стабилитроны и так далее. Однако диод для защиты, это самый распространённый вариант.
Рекомендую также по этой теме посмотреть вот это видео. https://yandex.ru/video/preview/16983636353745831465
Если понравилось, ставьте лайки, подписывайтесь! Мой email для связи anastasialoposova@yandex.ru