Для школьников.
Знать сущность явления самоиндукции очень важно для понимания процессов, происходящих в цепях переменного тока.
Поясним, что происходит с магнитным полем, когда ток в проводнике растёт или уменьшается, почему возникает ЭДС самоиндукции.
Штриховкой обозначено сечение проводника, а знак "плюс" говорит о том, что ток направлен от нас (мы видим хвостик стрелки).
Когда ток в проводнике увеличивается (рисунок слева), то магнитное поле вокруг него усиливается, то есть растёт количество магнитных силовых линий, окружающих проводник. Этот процесс можно объяснить так.
Магнитные силовые линии, которые до этого замыкались в толще проводника, удлинились, вышли из проводника в окружающее пространство и оттеснили дальше от него те магнитные силовые линии, которые до этого окружали проводник. При этом индукция В магнитного поля возрасла (рисунок слева).
При своём выходе из проводника каждая силовая линия, двигаясь в толще проводника, пересекала его слои, следовательно, в проводнике возникла ЭДС самоиндукции, которая препятствует увеличению тока в проводнике.
Величина возникшей ЭДС тем больше, чем быстрее изменяется ток в проводнике.
Когда ток в проводнике уменьшается (рисунок справа), то поле вокруг него ослабевает, так как часть магнитных силовых линий стягивается и входит внутрь проводника. При этом магнитные силовые линии пересекают слои проводника и наводят в них ЭДС, которая препятствует уменьшению тока в проводнике.
Таким образом, при всяком изменении тока в проводнике, в нём возникает ЭДС самоиндукции, которая стремится препятствовать этому изменению тока.
Если же ток не изменяется, то ЭДС самоиндукции не возникает. Поэтому в цепях постоянного тока явление самоиндукции наблюдается только при включении и выключении тока и при изменении нагрузки цепи.
Так как явление индукции (значит, и самоиндукции) происходит в проводниках любой формы, то любой проводник имеет определённое значение индуктивности L.
Но для большинства проводников (не катушек) индуктивность мала и её можно не учитывать. Однако при очень большой скорости изменения тока индуктивность надо учитывать даже в линейных проводниках.
Примеры.
Явление самоиндукции наблюдалось, например, при выполнении следующего опыта.
Брали катушку, имеющую несколько сотен витков, навитую на замкнутый железный сердечник.
Концы катушки через ключ присоединяли к аккумулятору с напряжением 2 В. Параллельно к аккумулятору и катушке присоединяли 6-вольтовую лампочку. Так как лампочка была рассчитана на напряжение значительно большее, чем напряжение, даваемое аккумулятором, то при замыкании ключа лампочка светила очень слабо (красным накалом).
При размыкании ключа лампочка на мгновение ярко вспыхивала. Почему?
Происходит это благодаря появлению ЭДС самоиндукции в катушке. При размыкании ключа ток в катушке исчезает не сразу, а ослабляясь, продолжает течь в прежнем направлении..
Наоборот, при замыкании ключа индукционный ток идёт навстречу увеличивающемуся току, замедляя его нарастание.
Для того чтобы определить направление индукционного тока, лампочку в рассмотренном опыте заменяли вольтметром.
Стрелка вольтметра при прохождении тока в одном направлении отклонялась в одну сторону, а при прохождении тока в противоположном направлении - в другую сторону.
Пусть, например, при замкнутом ключе, когда ток в катушке течёт в направлении от а к в (в вольтметре от д к с), стрелка вольтметра отклонена вправо.
При размыкании ключа стрелка резко отбрасывается влево, то есть в вольтметре ток течёт от с к д, следовательно, в катушке, образующей с вольтметром замкнутый контур, ток продолжает течь от а к в, постепенно ослабляясь.
Так как ключ разомкнут, то ясно, что ток, продолжающий течь в катушке, поддерживается ЭДС самоиндукции.
Наоборот, при замыкании ключа индукционный ток будет направлен навстречу увеличивающемуся току, замедляя его нарастание.
Теперь поставим себе такой вопрос:
откуда при размыкании ключа берётся энергия для вспышки лампочки, превращаемая в лампочке в тепло и свет?
Ключ уже разомкнут, значит энергия не может браться от аккумулятора. Ток в катушке уже исчез, значит исчезло её магнитное поле.
Приходим к выводу, что эта энергия была ранее запасена в виде энергии магнитного поля.
А именно, при замыкании ключа создавалось магнитное поле катушки за счёт энергии аккумулятора.
Когда ток выключили, разомкнув ключ, магнитное поле исчезло, а запасённая в нём энергия в процессе самоиндукции превратилась в энергию электрического тока в лампочке.
Появление ЭДС самоиндукции ярко проявляется, например, при резком выключении тока, питающего обмотку электромагнита большой индуктивности.
При этом ток на мгновение резко возрастает, и может причинить вред. Поэтому ток в обмотке электромагнита при его выключении уменьшают постепенно с помощью реостата (переменного сопротивления).
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Спасибо.
Предыдущая запись: Возникновение ЭДС индукции в движущихся проводниках (продолжение занятия 68).
Следующая запись: Энергия магнитного поля. Взаимная индукция. Решение задач на электромагнитную индукцию.
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1.
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45.
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58.
