ЕРС самоіндукції в контурі. Чому дорівнює ЕРС самоіндукції

Винахід відноситься до електротехніки, зокрема до конструкцій індукційних генераторів струму, і може бути використане в електромагнітних установках та електричних машинах, таких як двигуни, генератори, трансформатори, зокрема як підвищує трансформатора. Технічний результат полягає у підвищенні ЕДС на виході за рахунок використання імпульсних напруг на вторинній обмотці та здійснення конструкції вторинної обмотки, яка б дозволяла виробляти безпосереднє знімання з генератора виникає імпульсної напруги, і одночасно сумарної потужності первинної та вторинної обмоток. 6 з.п. ф-ли, 2 іл.

Малюнки до патенту РФ 2524387

Винахід відноситься до електротехніки, зокрема конструкцій імпульсних індукційних генераторів струму.

Призначенням даного винаходу є використання імпульсного генератора ЕРС самоіндукції для забезпечення імпульсного енергоживлення різних електромагнітних установок та електричних машин, що дозволяє суттєво розширити арсенал імпульсних джерел енергії. З рівня техніки відомий Індукційний синхронний генератор, Заявка RU 9811934 7, опубл. 10.09.2000, МПК H02K 21/14, який використовує струми обмотки статора, на якорі якого струми пульсують, та індуктор (ротор), виконаний захищеним від магнітного поляструмів обмотки якоря статора. Дозволяє розширити режими роботи генератора. Однак у генераторі присутні обертові частини, а отже, він має всі недоліки таких генераторів, тобто. не вирішено проблем, пов'язаних з комутацією електроенергії. У запропонованій конструкції неможливе отримання необхідної високої напруги.

Відомий "Генератор електричної енергії", заявка RU 9402533 5, опубл. 10.06.1996, МПК H02K 19/16, що містить складові кільцеві обмотки з сердечником, індукційну котушку та обмотку збудження. Дозволяє збільшити продуктивність генератора електричної енергії, зменшити індуктивний опір статорної обмотки, зменшити витрати на механічну роботупри перетворенні механічної енергії на електричну і підвищити ККД. Однак генератор через особливості конструкції не дозволяє використовувати ЕРС самоіндукції. У генераторі присутні обертові частини, отже, має всі недоліки таких генераторів, тобто. не вирішено проблем, пов'язаних з комутацією електроенергії.

Відома корисна модель"Комбінована електромагнітна обмотка", патент RU 96443, опубл. 27.07.2010, МПК H01F 5/00, в якій є два або більше провідників з висновками, та провідники розділені діелектриком. Дозволяє розширити режими роботи. Однак обидва провідники застосовуються як первинна обмотка, відсутня вторинна обмотка високої напруги, що не дозволяє обмотку використовувати в трансформаторах високої напруги, а також не забезпечує знімання та використання ЕРС індукції від вторинної обмотки.

Найбільш близькою заявкою на винахід є «Індуктивно-статичний спосіб генерації електричної енергії та пристрій для його здійснення», UA 2004124018, опубл. 27.01.2006, МПК H01F 1/00, відповідно до якого є первинна та вторинна обмотки, що утворюють котушку індуктивності з переходом вільної магнітної енергії в індуктивно-залежний стан, та відбувається наведення ЕРС індукції та отримання ущільнення магнітних збільшень, електричної потужності. Дозволяє використовувати вторинну обмотку з меншою величину ущільнення магнітних потоків індуктивністю, ніж досягається пропорційне ущільнення і збільшення електричної потужності генератора. У способі використовують індукційний і одночасно статичний способи генерації. Однак не запропонована конструкція вторинної обмотки генератора, яка дозволяє проводити безпосереднє знімання з генератора імпульсна напруга, що виникає, і струм ЕРС самоіндукції.

Також найближчим рішенням є класична електрична схемадля проведення дослідів з демонстрації електромагнітної індукціїпри розмиканні ланцюга. Ця схема (пристрій) функціонально є імпульсним генератором ЕРС самоіндукції. У зв'язку з вищесказаним, як прототип приймаємо установку, показану на кресленні - рис.424 стр.231, підручник: Курс фізики, частина друга, вид. «Наука», Москва 1970 Автори: Л.С. Жданов, В.А. Маранджан.

Однак у класичній схемі сердечник з електротехнічної сталіконструктивно не здатний виконувати у пристрої одночасно дві функції: електропровідної обмотки та класичного, як на рис.424 прототипу, магнітопроводу, тобто сердечника (М) індукційної котушки. Прототип не дозволяє проводити безпосереднє знімання та використання ЕРС самоіндукції, що виникає в сердечнику класичної індукційної котушки.

Завданням запропонованого винаходу є використання імпульсних напруг і здійснення конструкції вторинної обмотки генератора, яка дозволяла б проводити безпосереднє знімання з генератора виникає імпульсної напруги.

Технічним результатом, який забезпечує запропоноване технічне рішення, є суттєве розширення арсеналу засобів для імпульсного генерування та перетворення електроенергії. Заявлений технічний результатзабезпечений за рахунок того, що імпульсний генератор ЕРС самоіндукції конструктивно виконаний у вигляді первинної та вторинної обмоток однофазного підвищуючого трансформатора у стандартному технічному виконанні(з урахуванням того, що вторинна обмотка є одночасно функціонально електропровідником та магнітопроводом, то пропонується розглядати представлену конструкцію як найпростішу індукційну котушку із сердечником, конструктивно виконаним у вигляді спіральної котушки з можливістю знімання з нього ЕРС самоіндукції) і вони забезпечені двома або більше провідниками, які розділені діелектриком, і кожен провідник має висновки. Генератор відрізняється тим, що первинна обмотка (провідник) низької напруги виконана спірально-стрічковою і має щонайменше 2 витки, намотані щільно або з невеликим зазором, виток до витка, стрічка обмотки виконана шириною від 120 до 200 мм і товщиною від 1 до 2 мм; вторинна обмотка (провідник) високої напруги також виконана спірально-стрічковою, стрічка обмотки виконана з електротехнічної сталі, покритої електроізоляцією, і має щонайменше 100 витків, намотаних щільно або з невеликим зазором, виток до витка, стрічка виконана шириною від 120 до 200 мм та товщиною не більше 0,1 мм. Первинна обмотка електрично з'єднана з акумуляторною батареєю низької напруги через ключ-переривник з утворенням замкненого електричного ланцюга, де вторинна обмотка є одночасно електропровідною обмоткою та магнітопроводом. При цьому витки первинної обмотки розташовані зовні витків вторинної обмотки таким чином, що обидві обмотки утворюють підвищує трансформатор, в якому вторинна обмотка є індукційною котушкою трансформатора високої напруги, забезпечуючи електропровідність за рахунок стрічки з електротехнічної сталі, ізольованої зовнішнім шаром ізоляції сердечника для первинної обмотки, ЕРС знімають за допомогою провідників, електрично приєднаних до кінців стрічки вторинної обмотки, і отримують за рахунок періодичного спрацьовування ключа-переривника, причому забезпечують за рахунок частоти спрацьовування ключа-переривника розрахункові імпульсна напруга і струм, що виникають у

де - де L - індуктивність ланцюга або коефіцієнт пропорційності між швидкістю зміни сили струму в контурі і виникає внаслідок цього ЕРС самоіндукції,

- швидкість зміни сили струму в електричному ланцюзі

У окремих випадках первинна обмотка може бути виконана з мідного або алюмінієвого провідника, може мати 3 витка і більше, кількість витків обмежена трансформаторним ставленням: відношення кількості витків вторинної обмотки до кількості витків первинної обмотки, що визначає коефіцієнт трансформації, тобто. наскільки напруга у вторинній обмотці більша, ніж у первинній. Наприклад, акумуляторна батареянизької напруги може бути розрахована на 12-24 вольт і вона є джерелом постійного струму. Зокрема, періодичне спрацьовування ключа-переривника здійснюють із промисловою частотою змінного струму 50 Гц. При цьому частоти можуть бути будь-які технічно можливі для здійснення, але краще 50 Гц, так як її простіше перетворити або споживати за допомогою стандартних перетворювачів або електроприладів. Розрахункова ЕРС самоіндукції у вторинній обмотці забезпечується, зокрема, геометрією контуру та магнітними властивостямисердечника для первинної обмотки Так вона може бути виконана з формою контуру, який виконаний круглим діаметром 150 мм і більше, що залежить від коефіцієнта трансформації, який і визначить діаметр вторинної обмотки в залежності від застосовуваної товщини електротехнічної сталі, або круглою спіральною формою. Оскільки вторинна обмотка є обмоткою високої напруги та виконана з електротехнічної сталі, це означає, що її магнітні властивості визначені самим матеріалом (тобто власне магнітними властивостями електротехнічної сталі).

Винахід у найбільш узагальненому вигляді ілюструється кресленнями. Конкретне конструктивне виконанняне обмежується показаними на кресленнях варіантами виконання.

На Фіг.1 показана схема розташування первинної та вторинної обмоток та акумуляторна батарея з ключем-переривником.

На Фіг.2 показано переріз А-Аза з'єднаними вторинною та первинною обмотками.

Дане технічне рішення ілюструється кресленням, яке не охоплює всіх можливих конструктивних варіантів виконання представленої схеми підключення.

Пристрій Імпульсного генератора ЕРС самоіндукції показано на фіг.1 і фіг.2 (в розрізі), і цей пристрій конструктивно виконано у вигляді однофазного підвищуючого трансформатора (а також конструктивно є найпростішою котушкою індукційної), який складається з первинної (1) спірально-стрічкової обмотки (мідний або алюмінієвий провідник), 2-3 витка товщиною 1-2 мм, шириною 120 мм, підключеною до акумуляторної батареї (2) низької напруги 12-24 в - джерело постійного струму через ключ-переривник (3), що утворюють замкнутий електричний ланцюг .

Вторинна спірально-стрічкова обмотка високої напруги (4) із електротехнічної сталі, покритої електроізоляцією, має кількість витків від 100 і більше, товщина стрічки 0,1 мм, ширина 120 мм.

Вторинна обмотка (4) з електротехнічної сталі виконує в конструкції дві функції одночасно: електропровідної обмотки та магнітопроводу.

В якості електропровідника вторинна обмотка (4) є індукційною котушкою високої напруги трансформатора, що підвищує.

Як магнітопровод вторинна обмотка (4) є сердечником для первинної обмотки (2) класичної індукційної котушки.

Первинна (1) та вторинна (4) обмотки однофазного підвищуючого трансформатора та забезпечені двома або більше провідниками (5), провідники вторинної обмотки мають висновок (6) - тобто. ЕРС знімають за допомогою провідників (5, 6), електрично приєднаних до кінців стрічки вторинної обмотки, і отримують за рахунок періодичного спрацьовування ключа-переривника (3). Причому струми, що виникають у вторинній обмотці, розраховують за формулою

де L - індуктивність ланцюга або коефіцієнт пропорційності між швидкістю зміни сили струму в контурі первинної обмотки (1) і виникає внаслідок цього ЕРС самоіндукції у вторинній обмотці (2),

- швидкість зміни сили струму в електричному ланцюзі первинної обмотки (1) за рахунок ключа-переривника (3).

Періодичне спрацьовування ключа-переривника (3) здійснюють із промисловою частотою змінного струму 50 Гц. Розрахункову ЕРС самоіндукції у вторинній обмотці (4) забезпечують геометрією контуру вторинної обмотки (4) та магнітними властивостями сердечника (4) для первинної обмотки (1).

Форма контуру, отриманого первинної (1) і вторинної (4) обмотками, представленому варіанті виконана круглою діаметром 150 мм і більше.

Пристрій працює в такий спосіб.

При замиканні ключем (3) електричного кола первинної обмотки (1) виникає магнітне поле, енергія якого запасається в магнітному полі вторинної обмотки (4).

Розмикання ключа (3) ланцюга первинної обмотки (1) утворює спадний струм, який за правилом Ленца прагне підтримати ЕРС наведеної індукції вторинної обмотки (4).

В результаті запасена в магнітному полі вторинної обмотки (4) енергія перетворюється на додаткову енергію струму самоіндукції первинної обмотки (1), що запитала електричний ланцюг вторинної обмотки (4).

Залежно від кількості запасної в ланцюзі вторинної обмотки (4) магнітної енергії потужність струму самоіндукції може бути різною і визначається за відомою формулою:

Таким чином, даним винаходом досягається технічний результат, що полягає в тому, що конструкція, матеріал і подвійне функціональне призначення вторинної обмотки пристрою дозволяє знімати та ефективно використовувати ЕРС самоіндукції, що виникає.

Промислова застосовність запропонованого технічного рішенняпідтверджується загальними правиламифізики. Так, ефект самоіндукції описаний у підручнику (Л.С. Жданов, В.А. Маранджян, курс фізики для середніх спеціальних закладів, Ч. 2 електрика, вид. Третє, стереотипне, головна редакція фізико-математичної літератури, М., 1970, стор.231,232,233). Самоіндукція виникає при розмиканні ланцюга, вона прямо пропорційна швидкості зміни сили струму електричного ланцюга. В традиційних схемахявище самоіндукції завжди супроводжується виникненням іскри, що у місці розриву ланцюга. Оскільки у запропонованій конструкції немає розриву електричного ланцюга у вторинній обмотці (4) завдяки його конструкції, залежно від кількості запасеної в цьому ланцюгу магнітної енергії, струм розмикання не здійснює іскріння, а переходить у генеровану потужність. Таким чином, у конструкції вторинної обмотки (4) при розмиканні ланцюга постійного струму в первинній обмотці (1) запасена в магнітному полі цього ланцюга енергія перетворюється на енергію струму самоіндукції ланцюга вторинної обмотки (4).

Оскільки електрорушійною силою (ЕРС) називають величину, рівну роботісторонніх сил, у разі - це змінне магнітне полі первинної котушки (1), віднесеної до одиниці позитивного заряду, і є ЕРС, що у ланцюга чи його ділянці, у разі - це вторинна обмотка (4). Сторонні сили можна охарактеризувати роботою, яку вони здійснюють над зарядами, що переміщуються по ланцюгу, і розмірність ЕРС збігається з розмірністю потенціалу і вимірюється в тих же одиницях. Тому векторну величину Е ще називають напругою поля сторонніх сил. Поле сторонніх сил у разі виникає з допомогою змінного магнітного поля первинної обмотці (1). Таким чином, ЕРС, що діє в замкнутому ланцюзі, може бути визначена як циркуляція вектора напруженості поля сторонніх сил, тобто. сторонніх сил, що виникають у первинній обмотці (1) за рахунок переривання електричного поля ключем-переривником (3). Це правило забезпечує виникнення ЕРС індукції у вторинній обмотці (4). Це фізичне явище описано в підручнику (І.В. Савельєв, Курс фізики, том 2, електрика, стр.84,85, вид. Друге стереотипне, вид. Наука, головна редакція фізико-математичної літератури, М., 1966 р. ).

Окрім сторонніх сил, на заряд діють сили електростатичного поля, що виникають безпосередньо у вторинній котушці (4).

Пристрій також використовує явище електромагнітної індукції, описаної в (Р.А. Мустафаєв, В.Г. Кривцов, підручник, фізика, на допомогу вступникам до ВНЗ, вид. М., вища школа, 1989).

Таким чином, конструкція генератора, що використовується в запропонованому винаході, як пристрій дозволяє ефективно генерувати, знімати і використовувати ЕРС самоіндукції. Таким чином, пристрій може бути виготовлено промисловим способомі впроваджуватися як перспективний ефективний імпульсний генератор ЕРС самоіндукції, який дозволяє розширити арсенал технічних засобівдля імпульсного генерування та перетворення електроенергії.

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

1. Імпульсний генератор ЕДС самоіндукції, конструктивно виконаний у вигляді однофазного підвищуючого трансформатора, що складається з первинної та вторинної обмоток і забезпечений двома або більше провідниками, які розділені діелектриком, а провідник має висновки, що відрізняється тим, що первинна обмотка низької напруги виконана має щонайменше два витки, намотані щільно або на невеликій відстані один від одного, стрічка обмотки виконана шириною 120-200 мм і товщиною 1-2 мм; вторинна обмотка високої напруги також виконана спірально-стрічковою, стрічка обмотки виконана з електротехнічної сталі, покритої електроізоляцією, має щонайменше 100 витків, намотаних щільно або на невеликій відстані один від одного, стрічка виконана шириною 120-200 мм і товщиною не більше 0, 1 мм, первинна обмотка електрично з'єднана з акумуляторною батареєю низької напруги через ключ-переривник з утворенням замкнутого електричного ланцюга, а вторинна обмотка є одночасно електропровідною обмоткою і магнітопроводом, при цьому витки первинної обмотки розташовані зовні витків вторинної обмотки таким чином, що трансформатор, в якому вторинна обмотка є індукційною котушкою підвищуючого трансформатора, забезпечуючи електропровідність за рахунок стрічки з електротехнічної сталі, ізольованої зовнішнім шаром ізоляції, і одночасно виконує функцію сердечника для первинної обмотки, ЕДС знімають за допомогою провідників , Електрично приєднаних до кінців стрічки вторинної обмотки, і отримують за рахунок періодичного спрацьовування ключа-переривника.

2. Імпульсний генератор ЕДС самоіндукції за п.1, який відрізняється тим, що первинна обмотка виконана з мідного або алюмінієвого провідника.

3. Імпульсний генератор ЕДС самоіндукції за п.1, який відрізняється тим, що первинна обмотка має три витки.

4. Імпульсний генератор ЕДС самоіндукції за п.1, який відрізняється тим, що акумуляторна батарея низької напруги розрахована на 12-24 вольт і є джерелом постійного струму.

5. Імпульсний генератор ЕДС самоіндукції за п.1, який відрізняється тим, що періодичне спрацьовування ключа-переривника здійснюють з промисловою частотою змінного струму 50 Гц.

6. Імпульсний генератор ЕДС самоіндукції за п.1, який відрізняється тим, що розрахункову ЕДС самоіндукції забезпечують геометрією контуру і магнітними властивостями сердечника для первинної обмотки.

7. Імпульсний генератор ЕДС самоіндукції по п.1, який відрізняється тим, що форма контуру виконана круглою діаметром 150 мм і більше.

Самоіндукція

Кожен провідник, яким протікає ел.ток, перебуває у своєму магнітному полі.

При зміні сили струму у провіднику змінюється поле, тобто. змінюється магнітний потік, створюваний цим струмом. Зміна магнітного потоку веде у виникненні вихрового ел.поля і ланцюга утворюється ЕРС індукції.

Це називається самоіндукцією.

Самоіндукція - явище виникнення ЕРС індукції в ел.ланцюзі внаслідок зміни сили струму.
ЕРС, що виникає при цьому, називається ЕРС самоіндукції.

Прояв явища самоіндукції

Замикання ланцюга

При замиканні в ел.ланцюзі наростає струм, що викликає в котушці збільшення магнітного потоку, виникає вихрове ел.поле, спрямоване проти струму, тобто в котушці виникає ЕРС самоіндукції, що перешкоджає наростанню струму в ланцюзі (вихрове поле гальмує електрони).
В результаті Л1 спалахує пізніше, ніж Л2.

Розмикання ланцюга

При розмиканні ел.цепи струм зменшується, виникає зменшення м.потоку в котушці, виникає вихрове ел.поле, спрямоване як струм (що прагне зберегти колишню силу струму), тобто. у котушці виникає ЕРС самоіндукції, що підтримує струм у ланцюзі.
В результаті Л при вимкненні яскраво спалахує.

У електротехніці явище самоіндукції проявляється при замиканні ланцюга ( електричний струмнаростає поступово) та при розмиканні ланцюга (електричний струм пропадає не відразу).

ІНДУКТИВНІСТЬ

Від чого залежить ЕРС самоіндукції?

Електричний струм створює власне магнітне поле. Магнітний потік через контур пропорційний індукції магнітного поля (Ф ~ B), індукція пропорційна силі струму у провіднику
(B ~ I), отже магнітний потік пропорційний силі струму (Ф ~ I).
ЕРС самоіндукції залежить від швидкості зміни сили струму в ел.ланцюзі, від властивостей провідника (розмірів та форми) та від відносної магнітної проникності середовища, в якому знаходиться провідник.
Фізична величина, що показує залежність ЕРС самоіндукції від розмірів та форми провідника та від середовища, в якому знаходиться провідник, називається коефіцієнтом самоіндукції або індуктивністю.

Індуктивність - фізична величина, чисельно рівна ЕРСсамоіндукції, що виникає в контурі за зміни сили струму на 1Ампер за 1 секунду.
Також індуктивність можна розрахувати за такою формулою:

де Ф – магнітний потік через контур, I – сила струму в контурі.

Одиниці виміру індуктивності в системі СІ:

Індуктивність котушки залежить від:
числа витків, розмірів та форми котушки та від відносної магнітної проникності середовища (можливий сердечник).

ЕРС САМОІНДУКЦІЇ

ЕРС самоіндукції перешкоджає наростанню сили струму при включенні ланцюга та зменшенні сили струму при розмиканні ланцюга.

ЕНЕРГІЯ МАГНІТНОГО ПОЛЯ СТРУМУ

Навколо провідника зі струмом існує магнітне поле, яке має енергію.
Звідки вона береться? Джерело струму, включений в ел.ланцюг, має запас енергії.
У момент замикання ел.цепи джерело струму витрачає частину своєї енергії на подолання дії самоіндукції, що виникає ЕРС. Ця частина енергії, яка називається власною енергією струму, і йде на утворення магнітного поля.

Енергія магнітного поля дорівнює власної енергії струму.
Власна енергія струму чисельно дорівнює роботі, яку має здійснити джерело струму для подолання ЕРС самоіндукції, щоб створити струм у ланцюзі.

Енергія магнітного поля, створеного струмом, прямо пропорційна квадрату сили струму.
Куди зникає енергія магнітного поля після припинення струму? - виділяється (при розмиканні ланцюга з досить великою силою струму можливе виникнення іскри чи дуги)

ПИТАННЯ ДО ПРОВІРКОВОЇ РОБОТИ

на тему "Електромагнітна індукція"

1. Перерахувати 6 способів одержання індукційного струму.
2. Явище електромагнітної індукції (визначення).
3. Правило Ленца.
4. Магнітний потік (визначення, креслення, формула, вхідні величини, їх од. Вимірювання).
5. Закон електромагнітної індукції (визначення, формула).
6. Властивості вихрового електричного поля.
7. ЕРС індукції провідника, що рухається в однорідному магнітному полі (причина появи, креслення, формула, вхідні величини, їх од. Вимірювання).
8. Самоіндукція (короткий прояв в електротехніці, визначення).
9. ЕРС самоіндукції (її дія та формула).
10. Індуктивність (визначення, формули, од. Вимірювання).
11. Енергія магнітного поля струму (формула, звідки з'являється енергія м. поля струму, куди пропадає під час припинення струму).

е. д. с. самоіндукції.е. д. с. e L , індукування у провіднику або котушці в результаті зміни магнітного потоку, створеного струмом, що проходить по цьому ж провіднику або котушці, називається е. д. с. самоіндукції (рис. 60). Ця е. д. с. виникає при будь-якій зміні струму, наприклад при замиканні і розмиканні електричних ланцюгів, при зміні навантаження електродвигунів та ін. д. с. самоіндукції у яких індукується. Наприклад, е. д. с. самоіндукції e L виникає у провіднику АБ (див. рис. 54) при зміні струму i 1 , що протікає по ньому. Отже, магнітне поле, що змінюється, індукує е. д. с. у тому самому провіднику, в якому змінюється струм, що створює це поле.

Напрямок е. д. с. самоіндукції визначається за правилом Ленца. е. д. с. самоіндукції має завжди такий напрямок, при якому вона перешкоджає зміні струму, що викликав її.Отже, при зростанні струму у провіднику (котушці) індукована в них е. д. с. самоіндукції буде спрямована проти струму, тобто перешкоджатиме його зростанню (рис. 61, а), і навпаки, при зменшенні струму в провіднику (котушці) виникає е. д. с. самоіндукції, що збігається у напрямку зі струмом, тобто перешкоджає його зменшенню (рис. 61, б). Якщо струм у котушці не змінюється, то е. д. с. самоіндукції немає.

З розглянутого вище правила визначення напрями е. д. с. самоіндукції випливає, що ця е. д. с. надає гальмівну дію зміну струму в електричних ланцюгах. У цьому відношенні її дія аналогічна до дії сили інерції, яка перешкоджає зміні положення тіла. В електричному ланцюзі (рис. 62 а), що складається з резистора з опором R і котушки К, струм i створюється спільною дією напруги U джерела і е. д. с. самоіндукції e L, що індукується в котушці. При підключенні аналізованого ланцюга до джерела е. д. с. самоіндукції e L (див. суцільну стрілку) стримує наростання сили струму. Тому струм i досягає значення I=U/R (згідно із законом Ома) не миттєво, а протягом певного проміжку часу (рис. 62, б). За цей час в електричному ланцюзі відбувається перехідний процес, при якому змінюються e L та i. Точно

так само при вимкненні електричного ланцюга струм i не зменшується миттєво до нуля, а через дію е. д. с. e L (див. штрихову стрілку) поступово зменшується.

Індуктивність.Здатність різних провідників (котушок) індукувати е. д. с. самоіндукції оцінюється індуктивністю L. Вона показує, яка е. д. с. самоіндукції виникає в даному провіднику (котушці) за зміни струму на 1 А протягом 1 с. Індуктивність вимірюється у генрі (Гн), 1 Гн = 1 Ом * с. На практиці індуктивність часто вимірюють у тисячних частках генрі – мілігенрі (мГн) та у мільйонних частках генрі – мікрогенрі (мкГн).

Індуктивність котушки залежить від кількості витків котушки? та магнітного опору R м її магнітопроводу, тобто від його магнітної проникності? а та геометричних розмірів l і s. Якщо в котушку вставити сталевий сердечник, її індуктивність різко зростає через посилення магнітного поля котушки. І тут струм 1 А створює значно більший магнітний потік, ніж у котушці без сердечника.

Використовуючи поняття індуктивності L, можна отримати е. д. с. самоіндукції таку формулу:

e L = - L? i /? (53)

Де?i - Зміна струму в провіднику (котушці) за проміжок часу?t.

Отже, е. д. с. самоіндукція пропорційна швидкості зміни струму.

Увімкнення та відключення ланцюгів постійного струму з котушкою індуктивності.При підключенні до джерела постійного струму з напругою U електричного ланцюга, що містить R і L, вимикачем B1 (рис. 63, а) струм i зростає до значення I вуст =U/R не миттєво, так як е. д. с. самоіндукції e L , що виникає в індуктивності, діє проти прикладеної напруги V і перешкоджає наростанню струму. Для аналізованого процесу характерною є поступова зміна струму i (рис. 63 б) і напруг u а і u L по кривих - експонентів.Зміна i, u а та u L за вказаними кривими називається аперіодичним.

Швидкість наростання сили струму в ланцюгу та зміни напруг u а та u L характеризується постійного часу ланцюга

T = L/R (54)

Вона вимірюється в секундах, залежить лише від параметрів R і L даного ланцюга і дозволяє без побудови графіків оцінити тривалість процесу зміни струму. Ця тривалість теоретично нескінченно велика. Практично ж зазвичай вважають, що вона становить (3-4) Т. За цей час струм у ланцюзі досягає 95-98% значення, що встановилося. Отже, що більший опір і що менша індуктивність L, то швидше протікає процес зміни струму в електричних ланцюгах з індуктивністю. Постійну часу Т при аперіодичному процесі можна визначити як відрізок АВ, що відсікається дотичної, проведеної з початку координат до кривої (наприклад, струму i) на лінії, що відповідає встановленому значенню даної величини.
Властивістю індуктивності уповільнювати процес зміни струму користуються створення витримок часу при спрацьовуванні різних апаратів (наприклад, під час управління роботою пісочниць для періодичної подачі порцій піску під колеса локомотива). На використанні цього явища засновано також роботу електромагнітного реле часу (див. § 94).

Комутаційні перенапруги.Особливо сильно поводиться е. д. с. самоіндукції при розмиканні ланцюгів, що містять котушки з великою кількістювитків і зі сталевими сердечниками (наприклад, обмотки генераторів, електродвигунів, трансформаторів тощо), тобто ланцюгів, що мають велику індуктивність. І тут виникає е. д. с. самоіндукції e L може у багато разів перевищити напругу U джерела і, сумуючись з ним, спричинити виникнення перенапруг в електричних ланцюгах (мал. 64 а), званих комутаційними(виникають при комутації- Перемикання електричних кіл). Вони є небезпечними для обмоток електродвигунів, генераторів та трансформаторів, оскільки можуть викликати пробій їхньої ізоляції.

Велика е. д. с. самоіндукції сприяє виникненню електричної іскри або дуги в електричних апаратах, що здійснюють комутацію електричних ланцюгів. Наприклад, в момент розмикання контактів рубильника (рис. 64 б) утворюється е. д. с. самоіндукції сильно збільшує різницю потенціалів між розімкненими контактами рубильника і пробиває повітряний проміжок. Виникаюча при цьому електрична дугапідтримується протягом деякого часу е. д. с. самоіндукції, яка, таким чином, затягує процес відключення струму в ланцюзі. Це дуже небажано, оскільки дуга оплавляє контакти відключаючих апаратів, що призводить до швидкого виходу з ладу. Тому в усіх апаратах, що служать для розмикання електричних ланцюгів, передбачаються спеціальні дугогасні пристрої, що забезпечують прискорення гасіння дуги.

Крім того, в силових ланцюгах, що мають значну індуктивність (наприклад, обмотки збудження генераторів), паралельно ланцюги R-L(Тобто відповідної обмотці) включають розрядний резистор R р (рис. 65, а). У цьому випадку після відключення вимикача В1 ланцюг R-L не переривається, а виявляється замкненим на резистор R р. Струм у ланцюгу i при цьому зменшується не миттєво, а поступово - за експонентом (рис. 65,6), оскільки е. д. с. самоіндукції e L , що виникає в індуктивності L, перешкоджає зменшенню струму. Напруга u p на розрядному резисторі протягом процесу зміни струму також змінюється за експонентом. Воно дорівнює напруги, прикладеному до ланцюга R-L, тобто до затискачів відповід-

ної обмотки. У початковий момент U p поч = UR p / R, тобто залежить від опору розрядного резистора; при великих значеннях Rp ця напруга може виявитися надмірно великою і небезпечною для ізоляції. електричної установки. Практично для обмеження перенапруг, що виникають, опір R p розрядного резистора беруть не більше ніж у 4-8 разів більше опору R відповідної обмотки.

Умови виникнення перехідних процесів.Розглянуті вище процеси при включенні та вимкненні ланцюга R-L називають перехідними процесами. Вони виникають при включенні та вимкненні джерела або окремих ділянок ланцюга, а також при зміні режиму роботинаприклад, при стрибкоподібній зміні навантаження, урвищах і коротких замиканнях. Такі ж перехідні процеси мають місце при зазначених умові в ланцюгах, що містять конденсатори, що володіють ємністю С. У ряді випадків перехідні процеси є небезпечними для джерел і приймачів, так як струми і напруги, що виникають, можуть у багато разів перевищувати номінальні значенняна які розраховані ці пристрої. Однак у деяких елементах електроустаткування, зокрема у пристроях промислової електроніки, перехідні процеси є робочими режимами.

Фізично виникнення перехідних процесів пояснюється тим, що котушки індуктивності та конденсатори є накопичувачами енергії, а процес накопичення та віддачі енергії в цих елементах не може відбуватися миттєво, отже, не може миттєво змінитися струм у котушці індуктивності та напруга на конденсаторі. Час перехідного процесу, протягом якого при включеннях, вимкненнях і змінах режиму роботи ланцюга відбувається поступова зміна струму і напруги, визначається значеннями R, L і ланцюга С і може скласти частки і одиниці секунд. Після закінчення перехідного процесу струм і напруга набувають нових значень, які називають встановилися.

Електромагнітна індукція – генерування електрострумів магнітними полями, що змінюються у часі. Відкриття Фарадеєм і Генрі цього феномену запровадило певну симетрію у світ електромагнетизму. Максвеллу в одній теорії вдалося зібрати знання про електрику та магнетизм. Його дослідження передбачали існування електромагнітних хвильперед експериментальними спостереженнями Герц довів їхнє існування і відкрив людству епоху телекомунікацій.

Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/1-14-210x140..jpg 614w" sizes="(max-width: 600px) 100vw, 600px">

Експерименти Фарадея

Закони Фарадея та Ленца

Електричні струми створюють магнітні ефекти. А чи можливе, щоб магнітне поле породжувало електричне? Фарадей виявив, що ефекти, що шукаються, виникають внаслідок зміни МП у часі.

Коли провідник перетинається змінним магнітним потоком, У ньому індукується електрорушійна сила, що викликає електрострум. Системою, що генерує струм, може бути постійний магніт чи електромагніт.

Явище електромагнітної індукції регулюється двома законами: Фарадея та Ленца.

Закон Ленца дозволяє охарактеризувати електрорушійну силу щодо її спрямованості.

Важливо!Напрямок індукованої ЕРС таке, що викликаний нею струм прагне протистояти причині, що створює.

Фарадей зауважив, що інтенсивність індукованого струму зростає, коли швидше змінюється число силових ліній, що перетинають контур. Іншими словами, ЕРС електромагнітної індукції знаходиться в прямій залежності від швидкості рухомого магнітного потоку.

600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/2-10-768x454..jpg 960w" sizes="(max-width: 600px)

ЕРС індукції

Формула ЕРС індукції визначена як:

Е = - dФ/dt.

Знак «-» показує, як полярність індукованої ЕРС пов'язана зі знаком потоку і швидкістю, що змінюється.

Отримано загальне формулювання закону електромагнітної індукції, з якого можна вивести висловлювання для окремих випадків.

Рух дроту у магнітному полі

Коли провід довжиною l рухається в МП, має індукцію, всередині нього буде наводитися ЕРС, пропорційна його лінійної швидкості v. Для розрахунку ЕРС застосовується формула:

• у разі руху провідника перпендикулярно до напрямку магнітного поля:

Е = - У x l x v;

• у разі руху під іншим кутом α:

Е = - У x l x v x sin α.

Індукована ЕРС і струм будуть направлені у бік, який знаходимо, користуючись правилом правої руки: розташувавши руку перпендикулярно силовим лініям магнітного поля і вказуючи великим пальцем у бік переміщення провідника, можна дізнатися напрямок ЕРС по чотирьох розпрямлених пальцях, що залишилися.

Jpg?x15027" alt="(!LANG:Переміщення дроту в МП" width="600" height="429">!}

Переміщення дроту в МП

Котушка, що обертається

Робота генератора електроенергії заснована на обертанні контуру МП, що має N витків.

ЕРС індукується в електроцепи завжди, коли магнітний потік її перетинає, відповідно до визначення магнітного потоку Ф = B x S х cos α (магнітна індукція, помножена на поверхневу площу, через яку проходить МП, і косинус кута, утвореного вектором і перпендикулярною лінією до площини S).

З формули випливає, що Ф схильний до змін у наступних випадках:

• змінюється інтенсивність МП – вектор;
• варіюється площа, обмежена контуром;
• змінюється орієнтація з-поміж них, задана кутом.

У перших дослідах Фарадея індуковані струми були отримані шляхом зміни магнітного поля В. Проте можна індукувати ЕРС, не рухаючи магніт або змінюючи струм, а просто обертаючи котушку навколо своєї осі в МП. У разі магнітний потік змінюється через зміни кута α. Котушка при обертанні перетинає лінії МП, виникає ЕРС.

Якщо котушка обертається рівномірно, ця періодична зміна призводить до періодичного зміни магнітного потоку. Або кількість силових ліній МП, що перетинаються кожну секунду, набуває рівних значень з рівними інтервалами часу.

Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/4-10-768x536..jpg 900w" sizes="(max-width: 600px) 100vw, 600px">

Обертання контуру в МП

Важливо!Наведена ЕРС змінюється разом з орієнтацією з часом від позитивної до негативної та навпаки. Графічне уявлення ЕРС є синусоїдальною лінією.

Для формули ЕРС електромагнітної індукції застосовується вираз:

Е = В х ω х S x N x sin ωt, де:

• S – площа, обмежена одним витком чи рамкою;
• N – кількість витків;
• ω – кутова швидкість, з якою обертається котушка;
• В – індукція МП;
• кут α = ωt.

Насправді в генераторах змінного струму часто котушка залишається нерухомої (статор), а електромагніт обертається навколо неї (ротор).

ЕРС самоіндукції

Коли через котушку проходить змінний струм, Він генерує змінне МП, що володіє магнітним потоком, що змінюється, що індукує ЕРС. Цей ефект називається самоіндукцією.

Оскільки МП пропорційно інтенсивності струму, то:

де L – індуктивність (Гн), що визначається геометричними величинами: кількістю витків на одиницю довжини та розмірами їх поперечного перерізу.

Для ЕРС індукції формула набуває вигляду:

Е = - L x dI/dt.

Взаємоіндукція

Якщо дві котушки розташовані поруч, то в них наводиться ЕРС взаємоіндукції, що залежить від геометрії обох схем та їхньої орієнтації щодо один одного. Коли поділ ланцюгів зростає, взаємоіндуктивність знижується, так як зменшується магнітний потік, що з'єднує їх.

Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/5-5.jpg 680w" sizes="(max-width: 600px)

Взаємоіндукція

Нехай є дві котушки. По дроту однієї котушки, що має N1 витками, протікає струм I1, що створює МП, що проходить через котушку з N2 витками. Тоді:

1. Взаємоіндуктивність другої котушки щодо першої:

М21 = (N2 x F21)/I1;

1. Магнітний потік:

Ф21 = (М21/N2) x I1;

1. Знайдемо індуковану ЕРС:

Е2 = - N2 x dФ21/dt = - M21x dI1/dt;

1. Ідентично у першій котушці індукується ЕРС:

Е1 = - M12 x dI2/dt;

Важливо!Електрорушійна сила, викликана взаємоіндукцією в одній котушці, завжди пропорційна зміні електроструму в іншій.

Взаємну індуктивність можна визнати рівною:

М12=М21=М.

Відповідно, E1 = - M x dI2/dt та E2 = M x dI1/dt.

М = К √ (L1 x L2),

де К - коефіцієнт зв'язку між двома індуктивностями.

Явище взаємоіндукції використовують у трансформаторах – електроапаратах, дозволяють змінити значення напруги змінного електроструму. Апарат є дві котушки, намотані навколо одного сердечника. Струм, присутній у першій, створює мінливе МП в магнітопроводі та електрострум в іншій котушці. Якщо кількість виткових оборотів першої обмотки менше, ніж інший, напруга збільшується і навпаки.

Термін індукція в електротехніці означає виникнення струму в електричному замкнутому ланцюгу, якщо вона знаходиться в Відкрита лише двісті років тому Майклом Фарадеєм. Значно раніше це міг би зробити Ампер, який проводив схожі досліди. Він вставляв у котушку металевий стрижень, а потім, ось невдача, йшов до іншої кімнати подивитися на стрілку гальванометра - а раптом вона ворухнеться. А стрілка справно робила свою справу - відхилялася, але поки Ампер мандрував кімнатами - поверталася на нульову позначку. Ось так явище самоіндукції чекало ще добрий десяток років, поки котушка, прилад та дослідник опиняться одночасно у потрібному місці.

Головним моментом цього експерименту було те, що ЕРС індукції виникає лише тоді, коли магнітне поле, яке проходить через замкнутий контур, змінюється. А ось змінювати його можна як завгодно - або змінювати величину самого магнітного поля, або просто переміщувати джерело поля щодо замкненого контуру. ЕРС, яка при цьому виникає, назвали "ЕРС взаємоіндукції". Але це був лише початок відкриттів у галузі індукції. Ще дивовижнішим було явище самоіндукції, яке відкрив приблизно водночас. У його дослідах було виявлено, що котушки не тільки індукувало струм в іншій котушці, але і при зміні струму в цій котушці наводило в ній додаткову ЕРС. Ось її й назвали ЕРС самоіндукції. У великий інтерес представляє напрямок струму. Виявилося, що у випадку з ЕРС самоіндукції її струм спрямований проти свого "батька" - струму, зумовленого основною ЕРС.

А чи можна спостерігати явище самоіндукції? Як то кажуть, немає нічого простішого. Зберемо дві перші - послідовно включена котушка індуктивності і лампочка, а друга - тільки лампочка. Підключимо їх до акумулятора через загальний вимикач. При включенні можна бачити, що лампочка в ланцюгу з котушкою загоряється "небажано", а друга лампочка, швидша "на підйом", включається миттєво. Що відбувається? В обох ланцюгах після включення починає протікати струм, причому він змінюється від нуля до свого максимуму, а зміни струму і чекає котушка індуктивності, яка породжує ЕРС самоіндукції. Є ЕРС і замкнутий ланцюг - значить, є і його струм, але спрямований він протилежно основному струму ланцюга, який, зрештою, досягне максимального значення, що визначається параметрами ланцюга, і перестане зростати, а якщо немає зміни струму - немає ЕРС самоіндукції. Все просто. Аналогічна картина, але з "точністю навпаки", спостерігається при виключенні струму. Вірна своєю “ шкідливою звичкою” протидіяти будь-якій зміні струму, ЕРС самоіндукції підтримує його протікання в ланцюзі після відключення живлення.

Відразу ж постало питання - в чому полягає явище самоіндукції? Було встановлено, що на ЕРС самоіндукції впливає швидкість зміни струму у провіднику, і можна записати:

Звідси видно, що ЕРС самоіндукції Е прямопропорційна швидкості зміни струму dI/dt та коефіцієнту пропорційності L, названому індуктивністю. За свій внесок у дослідження питання, у чому полягає явище самоіндукції, Джордж Генрі був винагороджений тим, що його ім'я має одиниця виміру індуктивності — генрі (Гн). Саме індуктивність ланцюга протікання струму визначає явище самоіндукції. Можна припустити, що індуктивність - це якесь "сховище" магнітної енергії. У разі збільшення струму в ланцюзі електрична енергіяперетворюється на магнітну, затримує зростання струму, а при зменшенні струму магнітна енергія котушки перетворюється на електричну і підтримує струм у ланцюзі.

Напевно, кожному доводилося бачити іскру при виключенні вилки з розетки - це найпоширеніший варіант прояву ЕРС самоіндукції реального життя. Але в побуті розмикаються струми максимум 10-20 А, а час розмикання близько 20 мсек. При індуктивності порядку 1 Гн ЕРС самоіндукції в цьому випадку дорівнюватиме 500 В. Здавалося б, що питання, в чому полягає явище самоіндукції, не таке й складне. А насправді, ЕРС самоіндукції є великою технічною проблемою. Суть у цьому, що з розриві ланцюга, коли контакти вже розійшлися, самоіндукція підтримує протікання струму, але це призводить до вигоряння контактів, т.к. у техніці комутуються ланцюги зі струмами в сотні і навіть тисячі ампер. Тут часто мова йдепро ЕРС самоіндукції в десятки тисяч вольт, а це вимагає додаткового рішеннятехнічних питань, пов'язаних із перенапругами в електричних ланцюгах.

Але не все так похмуро. Буває, що ця шкідлива ЕРС дуже корисна, наприклад, в системах запалення ДВС. Така система складається з котушки індуктивності у вигляді автотрансформатора та переривника. Через первинну обмотку пропускається струм, який вимикається переривником. В результаті обриву ланцюга виникає ЕРС самоіндукції в сотні вольт (при цьому акумулятор дає лише 12В). Далі ця напруга додатково трансформується, і свічки запалювання надходить імпульс більше 10 кВ.