Что такое самоиндукция – объяснение простыми словами

Что такое Самоиндукция

Значение слова Самоиндукция по Ефремовой:

Самоиндукция — Возбуждение электродвижущей силы в проводниках при изменении проходящего по ним тока и возбужденного этим током магнитного потока.

Самоиндукция в Энциклопедическом словаре:

Самоиндукция — возбуждение электродвижущей силы индукции (эдс) вэлектрической цепи при изменении электрического тока в этой цепи. частныйслучай электромагнитной индукции. Электродвижущая сила самоиндукции прямопропорциональна скорости изменения тока. коэффициент пропорциональностиназывается индуктивностью.

Значение слова Самоиндукция по словарю Ушакова:

САМОИНДУКЦИЯ
самоиндукции, ж. (физ.). 1. только ед. Явление, состоящее в том, что когда в проводнике изменяется ток, то в нем появляется электродвижущая сила, препятствующая этому изменению. Катушка самоиндукции. 2. Прибор, обладающий индуктивностью.

Значение слова Самоиндукция по словарю Брокгауза и Ефрона:

Самоиндукция — частный случай явления индукции токов (см. Индукция), а именно индукция тока в проводнике, вызываемая изменением силы тока, протекающего по этому проводнику. Это явление было замечено Фарадеем в 1834 г., три года спустя после его знаменитого открытия индукции токов.

Фарадей нашел, что всякое изменение силы тока в проводнике сопровождается возникновением особой электродвижущий силы, которая стремится возбудить в этом проводнике ток, противодействующий происходящему изменению главного тока. Так, при увеличении силы тока в проводнике появляется в нем электродвижущая сила, вследствие которой происходит замедление в возрастании силы тока.

при уменьшении силы тока появляется электродвижущая сила, от которой ослабление тока становится также медленнее. Такая электродвижущая сила, возникающая в проводнике при изменении силы тока в нем, называется электродвижущей силой С., а ток, возбуждаемый ею, носит название экстратока. — С.

наблюдается особенно хорошо, когда в цепи тока находится катушка, и еще лучше, когда внутри этой катушки помещен железный сердечник. В последнем случае при замыкании цепи ток появляется сначала слабый, а затем только в течение некоторого промежутка времени он, непрерывно возрастая, достигает своей наибольшей силы. При размыкании цепи С.

Самоиндукция происходит вследствие того, что при изменении силы тока изменяется магнитный поток, пронизывающий контур этого тока и возбуждающийся самим этим током. Электродвижущая сила С.

, являющаяся в какой-либо момент времени, равна скорости изменения силы этого магнитного потока, взятой с обратным знаком и соответствующей рассматриваемому моменту времени, или иначе — она равна взятому с обратным знаком и рассчитанному на единицу времени изменению числа линий магнитной индукции, пронизывающих контур данного тока и возбуждающихся этим же током (см. Магнитизм).

Обозначая чрез i силу тока, мы можем силу магнитного потока, пронизывающего контур этого тока и возбуждаемого последним, выразить чрез Li.

Величина L, зависящая от формы и размеров контура тока, от свойства окружающей среды и в некоторых случаях (когда проводник приготовлен из сильно магнитного металла) от магнитных свойств проводника, носит название коэффициента С. цепи. Согласно вышеприведенному закону, электродвижущая сила С. &#949. выражается через &#949.

= d(Li)/dt… (1) и в случае, когда находящиеся в цепи проводники неизменны, т. е. сохраняют свои размеры и форму, а также магнитные свойства этих проводников остаются одинаковыми при различных силах тока и окружающая среда не подвергается никакому изменению, электродвижущая сила С. вычисляется по формуле &#949. = —L(di/dt)… (2) т. е.

при данных условиях коэффициент С. имеет постоянную величину. Принимая во внимание закон Ома и формулу (2), мы получаем для силы тока i, являющегося в какой-либо цепи, которой сопротивление R и коэффициент С. L, от электродвижущей силы Е, выражение i = [(Е — L)(di /dt)]/R… (3) Отсюда при условии, что Е постоянна, т. е.

что ток получается от источника, обладающего постоянной электродвижущей силой (элемент, гальваническая батарея или аккумуляторы), при помощи интегрального исчисления находим i = (Е/R) [1 — e-(R/L)t]… (4). Здесь е обозначает основание Неперовых логарифмов, a t — время, протекшее от момента замыкания цепи до момента, для которого мы определяем силу i.

Из формулы (4) видно, что ток достигает своей наибольшей силы Е/R только через бесконечно большое время, но на самом деле величина e—(R/L)t очень быстро становится ничтожно малой и притом тем быстрее, чем больше R и меньше L.

Однако для большой величины L, как это будет в том случае, когда в цепи находится электромагнит, продолжительность установления тока может быть немалая. Она может измеряться даже минутами. Когда в цепи находится источник тока, которого электродвижущая сила изменяется гармонически n раз в единицу времени (в секунду), т. е.

выражается через Е = Е Sin2 &#960. nt, то для получающегося при этом переменного тока теория дает (см. Переменный ток) формулу i = Е (Sin2 &#960. nt — &#952.)/(&#8730.[R2 +4 &#960. 2n2L2]) … (5) в которой tg&#952. = 2 &#960. nL/R.

Из формулы (5) видно, что в данном случае для опроделения силы тока необходимо знать, кроме величины электродвижущей силы и сопротивления цепи, еще и коэффициент С. цепи. При таком переменном токе кажущееся сопротивление, т. е. величина &#8730.(R2 +4 &#960. 2n2L2) при большой величине L может быть значительно больше R, т. е.

того сопротивления, какое оказывает цепь току постоянному. Определение величины L производится в большей части случаев непосредственно путем опыта, так как теория дает возможность только для немногих проводников найти формулу для L. Так, напр.

, для очень длинной прямой катушки, состоящей из n оборотов, расположенных в одном слое, теоретически выводится формула L = 4 &#960. 2(n2/l)S. В этой формуле S обозначает поперечное сечение катушки.

Для цилиндрического проводника, приготовленного из немагнитного металла и имеющего длину l, а диаметр d, коэффициент С. вычисляется по формуле L = 2l[log(4l/d) — 0,75] когда ток распространяется равномерно по всей массе проводника, и по формуле L = 2l[log(4l/d) — 1] — когда ток ограничивается только поверхностным слоем проводника.

Последняя формула особенно важна в теории вибратора Гертца (см. Гертца явления). Соответственно абсолютной электромагнитной (С. G. S.) системе единиц величина L выражается в сантиметрах. Практическая единица для коэффициентов С., называемая генри или также квадрантом, равняется 10 9 см. Опытное сравнение коэффициентов С. двух проводников может быть произведено по способу, аналогичному способу сравнения сопротивлений проводников при помощи мостика Витстона. Составляется цепь по схеме мостика Витстона, при чем в две соседние ветви четырехугольника этой схемы помещаются сравниваемые проводники, в две другие ветви ящики сопротивлений [Образцы сопротивлений обыкновенно принимаются неиндуктивными, т. е полагают, что коэффициенты самоиндукции их равны 0. Вообще у проволоки, сложенной вдвое, можно считать коэффициент С. равным нулю, хотя это не вполне строго.], в диагональную ветвь помещается вторичная обмотка катушки Румкорфа, а в другую диагональную ветвь, т. е. в самый мостик, вводится телефон. Изменением сопротивлений в двух ветвях четырехугольника достигают наконец того, что телефон перестает издавать звуки. В этом случае должно быть L1:L2 = R3:R4. Здесь L1 и L2 обозначают коэффициенты С. проводников, находящихся в ветвях 1 и 2, R3 и R4 — сопротивления ветвей 3 и 4. Об опытном определении абсолютной величины коэффициента С. см. в подробных курсах физики, напр. в соч. И. Боргмана “Основания учения об электрических и магнитных явлениях” (т. II). И. Боргман.

Определение слова «Самоиндукция» по БСЭ:

Самоиндукция — возникновение эдс индукции в проводящем контуре при изменении в нём силы тока. частный случай индукции электромагнитной. При изменении тока в контуре меняется поток магнитной индукции через поверхность, ограниченную этим контуром, в результате чего в нём возбуждается эдс — эдс С. Направление эдс С. определяется Ленца правилом, т.

е. при увеличении тока в цепи эдс С. препятствует возрастанию тока, а при уменьшении тока — его убыванию. Т. о., С. подобна явлению инерции в механике. Эдс С. el пропорциональна скорости изменения силы тока i и индуктивности L контура: el = -L di/dt.
В электрической цепи, содержащей постоянную эдс, при замыкании цепи сила тока за счёт эдс С.

устанавливается не мгновенно, а через некоторый промежуток времени (см. Переходные процессы), а при размыкании цепи ток не прекращается мгновенно. возникающая при размыкании цепи эдс С. может во много раз превысить эдс источника. В цепи переменного тока вследствие С.

сила тока в катушке, обладающей индуктивностью, отстаёт по фазе от напряжения на концах катушки на
&pi./2 (см. Переменный ток).
Явление С. играет важную роль в электротехнике и радиотехнике. Благодаря С. происходит перезарядка конденсатора, соединённого последовательно с катушкой индуктивности (см.

Колебательный контур), в результате в контуре возникают свободные электромагнитные колебания.
Лит.: Калашников С. Г., Электричество, М., 1970 (Общий курс физики, т. 2).
Г. Я. Мякишев.

Расскажите вашим друзьям что такое – Самоиндукция. Поделитесь этим на своей странице.

Источник: http://xn—-7sbbh7akdldfh0ai3n.xn--p1ai/samoindukciya.html

САМОИНДУКЦИЯ

САМОИНДУКЦИЯ

Каждый проводник, по которому протекает эл. ток, находится в собственном магнитном поле.

При изменении силы тока в проводнике меняется м.поле, т.е. изменяется магнитный поток, создаваемый этим током. Изменение магнитного потока ведет в возникновению вихревого эл. поля и в цепи появляется ЭДС индукции. 

Это явление называется самоиндукцией.

Самоиндукция – явление возникновения ЭДС индукции в эл. цепи в результате изменения силы тока.

Возникающая при этом ЭДС называется ЭДС самоиндукции

Проявление явления самоиндукции

Замыкание цепи

При замыкании в эл. цепи нарастает ток, что вызывает в катушке увеличение магнитного потока, возникает вихревое эл. поле, направленное против тока, т.е. в катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая нарастанию тока в цепи ( вихревое поле тормозит электроны).

В результате Л1 загорается позже, чем Л2.

Размыкание цепи

В результате Л при выключении ярко вспыхивает.

Вывод

в электротехнике явление самоиндукции проявляется при замыкании цепи (эл.ток нарастает постепенно) и при размыкании цепи (эл.ток пропадает не сразу).

ИНДУКТИВНОСТЬ

От чего зависит ЭДС самоиндукции?  Эл. ток создает собственное магнитное поле . Магнитный поток через контур пропорционален индукции магнитного поля (Ф ~ B), индукция пропорциональна силе тока в проводнике (B ~ I), следовательно магнитный поток пропорционален силе тока (Ф ~ I).

ЭДС самоиндукции зависит от скорости изменения силы тока в эл. цепи, от свойств проводника 

(размеров и формы) и от относительной магнитной проницаемости среды, в которой находится проводник. Физическая величина, показывающая зависимость ЭДС самоиндукции от размеров и формы проводника и от среды, в которой находится проводник, называется коэффициентом самоиндукции или индуктивностью.

Также индуктивность можно рассчитать по формуле:

где Ф – магнитный поток через контур, I – сила тока в контуре.

Единицы измерения индуктивности в системе СИ:

 

Индуктивность катушки зависит от:
числа витков, размеров и формы катушки и от относительной магнитной проницаемости среды 
( возможен сердечник).

ЭДС САМОИНДУКЦИИ

ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока при включении цепи и убыванию силы тока при размыкании цепи.

ЭНЕРГИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ТОКА

Вокруг проводника с током существует магнитное поле, которое обладает энергией. Откуда она берется? Источник тока, включенный в эл. цепь, обладает запасом энергии. В момент замыкания эл. цепи источник тока расходует часть своей энергии на преодоление действия возникающей ЭДС самоиндукции. Эта часть энергии, называемая собственной энергией тока, и идет на образование магнитного поля.

Энергия магнитного поля равна собственной энергии тока.

Собственная энергия тока численно равна работе, которую должен совершить источник тока для преодоления ЭДС самоиндукции, чтобы создать ток в цепи.

Энергия магнитного поля, созданного током, прямо пропорциональна квадрату силы тока.
Куда пропадает энергия магнитного поля после прекращения тока? – выделяется ( при размыкании цепи с достаточно большой силой тока возможно возникновение искры или дуги)

ВОПРОСЫ К ПРОВЕРОЧНОЙ РАБОТЕ 
по теме “Электромагнитная индукция”

1. Перечислить 6 способов получения индукционного тока. 2. Явление электромагнитной индукции (определение). 3. Правило Ленца. 4. Магнитный поток ( определение, чертеж, формула, входящие величины, их ед. измерения). 5. Закон электромагнитной индукции (определение, формула). 6. Свойства вихревого электрического поля. 7. ЭДС индукции проводника, движущегося в однородном магнитном поле ( причина появления, чертеж, формула, входящие величины, их ед. измерения). 7. Самоиндукция (кратко проявление в электротехнике, определение). 8. ЭДС самоиндукции (ее действие и формула). 9. Индуктивность (определение, формулы, ед. измерения).10. Энергия магнитного поля тока (формула, откуда появляется энергия м. поля тока, куда пропадает при прекращении тока).

Источник: http://msk.edu.ua/ivk/Fizika/Konspekt/samoind1.htm

Самоиндукция. Индуктивность. Видеоурок. Физика 11 Класс

На данном уроке мы узнаем, как и кем было открыто явление самоиндукции, рассмотрим опыт, с помощью которого продемонстрируем это явление, определим, что самоиндукция – это частный случай электромагнитной индукции. В конце урока введем физическую величину, показывающую зависимость ЭДС самоиндукции от размеров и формы проводника и от среды, в которой находится проводник, т. е. индуктивность.

На прошлом уроке мы установили закон электромагнитной индукции:

При изменении магнитного потока, пронизывающего плоскость контура, в этом контуре возникает электродвижущая сила, численно равная скорости изменения магнитного потока, взятого со знаком минус:

Знак минус отражает тот факт, что индукционный поток направлен таким образом, чтобы своим магнитным полем препятствовать изменению магнитного потока, вызывающего этот ток. 

Основы электродинамики были заложены Ампером в 1820 году. Работы Ампера вдохновили многих инженеров на конструирование различных технических устройств, таких как электродвигатель (конструктор Б.С. Якоби), телеграф (С. Морзе), электромагнит, конструированием которого занимался известный американский ученый Генри.

Джозеф Генри прославился благодаря созданию серии уникальных мощнейших электромагнитов с подъемной силой от 30 до 1500 кг при собственной массе магнита 10 кг. Создавая различные электромагниты, в 1832 году ученый открыл новое явление в электромагнетизме – явление самоиндукции. Именно этому явлению посвящен данный урок.

Рис. 1. Джозеф Генри (Источник)

Генри изобретал плоские катушки из полосовой меди, с помощью которых добивался силовых эффектов, выраженных более ярко, чем при использовании проволочных соленоидов. Ученый заметил, что при нахождении в цепи мощной катушки ток в этой цепи достигает своего максимального значения гораздо медленнее, чем без катушки.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки Д. Генри

На рис. 2 изображена электрическая схема экспериментальной установки, на основе которой можно продемонстрировать явление самоиндукции.

Электрическая цепь состоит из двух параллельно соединенных лампочек, подключенных через ключ к источнику постоянного тока. Последовательно с одной из лампочек подключена катушка.

После замыкания цепи видно, что лампочка, которая соединена последовательно с катушкой, загорается медленнее, чем вторая лампочка (рис. 3).

Рис. 3. Различный накал лампочек в момент включения цепи

При отключении источника лампочка, подключенная последовательно с катушкой, гаснет медленнее, чем вторая лампочка.

Почему лампочки гаснут не одновременно

Рис. 4. Замыкание ключа

При размыкании ключа (рис. 5) возникающая ЭДС самоиндукции мешает убыванию тока. Поэтому ток еще некоторое время продолжает течь. Для существования тока нужен замкнутый контур. Такой контур в цепи есть, он содержит обе лампочки. Поэтому при размыкании цепи лампочки должны некоторое время светиться одинаково, и наблюдаемое запаздывание может быть вызвано другими причинами.

Рис. 5. Размыкание ключа

Рассмотрим процессы, происходящие в данной цепи при замыкании и размыкании ключа.

1. Замыкание ключа.

В цепи находится токопроводящий виток. Пусть ток в этом витке течет против часовой стрелки. Тогда магнитное поле будет направлено вверх (рис. 6).

Рис. 6. Направление тока и магнитного поля в витке

Таким образом, виток оказывается в пространстве собственного магнитного поля. При возрастании тока виток окажется в пространстве изменяющегося магнитного поля собственного тока. Если ток возрастает, то созданный этим током магнитный поток также возрастает.

Как известно, при возрастании магнитного потока, пронизывающего плоскость контура, в этом контуре возникает электродвижущая сила индукции и, как следствие, индукционный ток.

По правилу Ленца, этот ток будет направлен таким образом, чтобы своим магнитным полем препятствовать изменению магнитного потока, пронизывающего плоскость контура.

То есть для рассматриваемого на рис. 6 витка индукционный ток должен быть направлен по часовой стрелке (рис. 7), тем самым препятствуя нарастанию собственного тока витка. Следовательно, при замыкании ключа ток в цепи возрастает не мгновенно благодаря тому, что в этой цепи возникает тормозящий индукционный ток, направленный в противоположную сторону.

Рис. 7. Направление индукционного тока

2. Размыкание ключа

При размыкании ключа ток в цепи уменьшается, что приводит к уменьшению магнитного потока сквозь плоскость витка. Уменьшение магнитного потока приводит к появлению ЭДС индукции и индукционного тока. В этом случае индукционный ток направлен в ту же сторону, что и собственный ток витка. Это приводит к замедлению убывания собственного тока.

Вывод: при изменении тока в проводнике возникает электромагнитная индукция в этом же проводнике, что порождает индукционный ток, направленный таким образом, чтобы препятствовать любому изменению собственного тока в проводнике (рис. 8). В этом заключается суть явления самоиндукции. Самоиндукция – это частный случай электромагнитной индукции.

Рис. 8. Момент включения и выключения цепи

где  – магнитная индукция;  – магнитная постоянная; – сила тока;  – расстояние от проводника до точки.

Поток магнитной индукции через площадку равен:

где  – площадь поверхности, которая пронизывается магнитным потоком.

Таким образом, поток магнитной индукции пропорционален величине тока в проводнике.

Для катушки, в которой  – число витков, а  – длина, индукция магнитного поля определяется следующим соотношением:

Магнитный поток, созданный катушкой с числом витков N, равен:

Подставив в данное выражение формулу индукции магнитного поля, получаем:

Отношение числа витков к длине катушки обозначим числом :

Получаем окончательное выражение для магнитного потока:

Из полученного соотношения видно, что значение потока зависит от величины тока и от геометрии катушки (радиус, длина, число витков). Величина, равная , называется индуктивностью:

Единицей измерения индуктивности является генри:

Следовательно, поток магнитной индукции, вызванный током в катушке, равен:

С учетом формулы для ЭДС индукции, получаем, что ЭДС самоиндукции равна произведению скорости изменения тока на индуктивность, взятому со знаком «–»:

Самоиндукция – это явление возникновения электромагнитной индукции в проводнике при изменении силы тока, протекающего сквозь этот проводник.

Электродвижущая сила самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения тока, протекающего сквозь проводник, взятой со знаком минус. Коэффициент пропорциональности называется индуктивностью, которая зависит от геометрических параметров проводника.

С явлением самоиндукции человек сталкивается ежедневно. Каждый раз, включая или выключая свет, мы тем самым замыкаем или размыкаем цепь, при этом возбуждая индукционные токи. Иногда эти токи могут достигать таких больших величин, что внутри выключателя проскакивает искра, которую мы можем увидеть.

Список литературы

1. Мякишев Г.Я. Физика: Учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений. – М.: Просвещение, 2010.
2. Касьянов В.А. Физика. 11 кл.: Учеб. для общеобразоват. учреждений. – М.: Дрофа, 2005.
3. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И., Физика 11. – М.: Мнемозина.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал Myshared.ru (Источник).
2. Интернет-портал Physics.ru (Источник).
3. Интернет-портал Festival.1september.ru (Источник).

Домашнее задание

1. Вопросы в конце параграфа 15 (стр. 45) – Мякишев Г.Я. Физика 11 (см. список рекомендованной литературы)
2. Индуктивность какого проводника равна 1 Генри?

Источник: https://interneturok.ru/lesson/physics/11-klass/belektromagnitnaya-indukciyab/samoinduktsiya-induktivnost

Самоиндукция. Индуктивность. Энергия магнитного поля тока – Класс!ная физика

«Физика – 11 класс»

Самоиндукция

Если по катушке идет переменный ток, то: магнитный поток, пронизывающий катушку, меняется во времени,

а в катушке возникает ЭДС индукции.

Это явление называют самоиндукцией.

По правилу Ленца при увеличении тока напряженность вихревого электрического поля направлена против тока, т.е. вихревое поле препятствует нарастанию тока.
При уменьшения тока напряженность вихревого электрического поля и ток направлены одинаково, т.е.вихревое поле поддерживает ток.

На вышеприведенном рисунке:
при замыкании ключа первая лампа вспыхивает практически сразу, а вторая — с заметным запозданием, т.к. ЭДС самоиндукции в цепи второй лампы велика, и сила тока не сразу достигает своего максимального значения.

Сила тока при размыкании может быть больше начального тока, т.е. ЭДС самоиндукции больше ЭДС источника тока.

Величина индукции магнитного поля, создаваемого током, пропорционален силе тока, а магнитный поток пропорционален магнитной индукции.

Следовательно

Ф = LI

где L — индуктивность контура (иначе коэффициентом самоиндукции), т.е. это коэффициент пропорциональности между током в проводящем контуре и магнитным потоком.

Используя закон электромагнитной индукции, получаем равенство

Индуктивность — это физическая величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока в нем на 1 А за 1 с.

Индуктивность зависит от размеров проводника, его формы и магнитных свойств среды, в которой находится проводник, но не зависит от силы тока в проводнике.

Индуктивность катушки (соленоида) зависит от количества витков в ней.

Единицу индуктивности в СИ называется генри (1Гн).
Индуктивность проводника равна 1 Гн, если в нем при равномерном изменении силы тока на 1 А за 1 с возникает ЭДС самоиндукции 1 В.

Аналогия между самоиндукцией и инерцией.

Явление самоиндукции подобно явлению инерции в механике.

В механике: Инерция приводит к тому, что под действием силы тело приобретает определенную скорость постепенно.

Тело нельзя мгновенно затормозить, как бы велика ни была тормозящая сила.

В электродинамике: При замыкании цепи за счет самоиндукции сила тока нарастает постепенно.

При размыкании цепи самоиндукция поддерживает ток некоторое время, несмотря на сопротивление цепи.

Явление самоиндукции выполняет очень важную роль в электротехнике и радиотехнике.

Энергия магнитного поля тока

По закону сохранения энергии энергия магнитного поля, созданного током, равна той энергии, которую должен затратить источник тока (например, гальванический элемент) на создание тока.
При размыкании цепи эта энергия переходит в другие виды энергии.

При замыкании цепи ток нарастает. В проводнике появляется вихревое электрическое поле, действующее против электрического поля, созданного источником тока. Чтобы сила тока стала равной I, источник тока должен совершить работу против сил вихревого поля.

Эта работа идет на увеличение энергии магнитного поля тока.

При размыкании цепи ток исчезает. Вихревое поле совершает положительную работу. Запасенная током энергия выделяется.

Это обнаруживается, например, по мощной искре, возникающей при размыкании цепи с большой индуктивностью.

Энергия магнитного поля, созданного током, проходящим по участку цепи с индуктивностью L, определяется по формуле

Магнитное поле, созданное электрическим током, обладает энергией, прямо пропорциональной квадрату силы тока.

Плотность энергии магнитного поля (т. е. энергия единицы объема) пропорциональна квадрату магнитной индукции: wм ~ В2,
аналогично тому как плотность энергии электрического поля пропорциональна квадрату напряженности электрического поля wэ ~ Е2.

Источник: «Физика – 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Следующая страница «Электромагнитное поле. Электродинамический микрофон»
Назад в раздел «Физика – 11 класс, учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин»

Электромагнитная индукция. Физика, учебник для 11 класса – Класс!ная физика

Электромагнитная индукция. Магнитный поток — Направление индукционного тока. Правило Ленца — Закон электромагнитной индукции — ЭДС индукции в движущихся проводниках. Электродинамический микрофон — Вихревое электрическое поле — Самоиндукция. Индуктивность. Энергия магнитного поля тока — Электромагнитное поле — Примеры решения задач — Краткие итоги главы

Источник: http://class-fizika.ru/11_12.html

Самоиндукция. Энергия самоиндукции, индуктивность – материалы для подготовки к ЕГЭ по Физике

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: самоиндукция, индуктивность, энергия магнитного поля

Самоиндукция является частным случаем электромагнитной индукции. Оказывается, что электрический ток в контуре, меняющийся со временем, определённым образом воздействует сам на себя.

Ситуация 1 .Предположим, что сила тока в контуре возрастает. Пусть ток течёт против часовой стрелки; тогда магнитное поле этого тока направлено вверх и увеличивается (рис. 1).

Рис. 1. Вихревое поле препятствует увеличению тока

Таким образом, наш контур оказывается в переменном магнитном поле своего собственного тока. Магнитное поле в данном случае возрастает (вместе с током) и потому порождает вихревое электрическое поле, линии которого направлены по часовой стрелке в соответствии с правилом Ленца.

Как видим, вихревое электрическое поле направлено против тока, препятствуя его возрастанию; оно как бы «тормозит» ток. Поэтому при замыкании любой цепи ток устанавливается не мгновенно — требуется некоторое время, чтобы преодолеть тормозящее действие возникающего вихревого электрического поля.

Ситуация 2 . Предположим теперь, что сила тока в контуре уменьшается. Магнитное поле тока также убывает и порождает вихревое электрическое поле, направленное против часовой стрелки (рис. 2).

Рис. 2. Вихревое поле поддерживает убывающий ток

Как мы знаем, работа вихревого электрического поля по перемещению единичного положительного заряда вокруг контура — это ЭДС индукции. Поэтому мы можем дать такое определение.

Явление самоиндукции состоит в том, что при изменении силы тока в контуре возникает ЭДС индукции в этом же самом контуре.

При возрастании силы тока (в ситуации 1) вихревое электрическое поле совершает отрицательную работу, тормозя свободные заряды. Стало быть, ЭДС индукции в этом случае отрицательна.

При убывании силы тока (в ситуации 2) вихревое электрическое поле совершает положительную работу, «подталкивая» свободные заряды и препятствуя убыванию тока. ЭДС индукции в этом случае также положительна (нетрудно убедиться в том, что знак ЭДС индукции, определённый таким образом, согласуется с правилом выбора знака для ЭДС индукции, сформулированным в листке «Электромагнитная индукция»).

Индуктивность

Мы знаем, что магнитный поток, пронизывающий контур, пропорционален индукции магнитного поля: . Кроме того, опыт показывает, что величина индукции магнитного поля контура с током пропорциональна силе тока: . Стало быть, магнитный поток через поверхность контура, создаваемый магнитным полем тока в этом самом контуре, пропорционален силе тока: .

Коэффициент пропорциональности обозначается и называется индуктивностью контура:

(1)

Индуктивность зависит от геометрических свойств контура (формы и размеров), а также от магнитных свойств среды, в которую помещён контур (Улавливаете аналогию? Ёмкость конденсатора зависит от его геометрических характеристик, а также от диэлектрической проницаемости среды между обкладками конденсатора). Единицей измерения индуктивности служит генри (Гн).

Допустим, что форма контура, его размеры и магнитные свойства среды остаются постоянными (например, наш контур — это катушка, в которую не вводится сердечник); изменение магнитного потока через контур вызвано только изменением силы тока. Тогда , и закон Фарадея приобретает вид:

(2)

Благодаря знаку «минус» в (2) ЭДС индукции оказывается отрицательной при возрастании тока и положительной при убывании тока, что мы и видели выше.

Рассмотрим два опыта, демонстрирующих явление самоиндукции при замыкании и размыкании цепи.

Рис. 3. Самоиндукция при замыкании цепи

В первом опыте к батарейке подключены параллельно две лампочки, причём вторая — последовательно с катушкой достаточно большой индуктивности (рис. 3).

Ключ вначале разомкнут.

При замыкании ключа лампочка 1 загорается сразу, а лампочка 2 — постепенно. Дело в том, что в катушке возникает ЭДС индукции, препятствующая возрастанию тока. Поэтому максимальное значение тока во второй лампочке устанавливается лишь спустя некоторое заметное время после вспыхивания первой лампочки.

Во втором опыте к батарейке подключены параллельно катушка и лампочка (рис. 4). Сопротивление катушки много меньше сопротивления лампочки.

Рис. 4. Самоиндукция при размыкании цепи

Ключ вначале замкнут. Лампочка не горит — напряжение на ней близко к нулю из-за малости сопротивления катушки. Почти весь ток, идущий в неразветвлённой цепи, проходит через катушку.

При размыкании ключа лампочка ярко вспыхивает! Почему? Ток через катушку начинает резко убывать, и возникает значительная ЭДС индукции, поддерживающая убывающий ток (ведь ЭДС индукции, как видно из (2), пропорциональна скорости изменения тока).

Лампочку-то, может, и не жалко, но в промышленности и энергетике данный эффект является серьёзной проблемой.

Так как при размыкании цепи ток начинает уменьшаться очень быстро, возникающая в цепи ЭДС индукции может значительно превышать номинальные напряжения и достигать опасно больших величин.

Поэтому в агрегатах, потребляющих большой ток, предусмотрены специальные аппаратные меры предосторожности (например, масляные выключатели на электростанциях), препятствующие моментальному размыканию цепи.

Электромеханическая аналогия

Нетрудно заметить определённую аналогию между индуктивностью в электродинамике и массой в механике.

1. Чтобы разогнать тело до заданной скорости, требуется некоторое время — мгновенно изменить скорость тела не получается. При неизменной силе, приложенной к телу, это время тем больше, чем больше масса тела.

Чтобы ток в катушке достиг своего максимального значения, требуется некоторое время; мгновенно ток не устанавливается. Время установления тока тем больше, чем больше индуктивность катушки.

При размыкании цепи с катушкой ток уменьшается очень быстро. Цепь принимает на себя «удар» в виде вихревого электрического поля, порождаемого убывающим магнитным полем тока, и этот «удар» тем сильнее, чем больше индуктивность катушки. ЭДС индукции может достичь столь больших величин, что пробой воздушного промежутка выведет из строя оборудование.

На самом деле эти электромеханические аналогии простираются довольно далеко;они касаются не только индуктивности и массы, но и других величин, и оказываются весьма полезными на практике. Мы ещё поговорим об этом в листке про электромагнитные колебания.

Энергия магнитного поля

Вспомним второй опыт с лампочкой, которая не горит при замкнутом ключе и ярко вспыхивает при размыкании цепи. Мы непосредственно наблюдаем, что после размыкания ключа в лампочке выделяется энергия. Но откуда эта энергия берётся?

Берётся она, ясное дело, из катушки — больше неоткуда. Но что за энергия была запасена в катушке и как вычислить эту энергию? Чтобы понять это, продолжим нашу электромеханическую аналогию между индуктивностью и массой.

Чтобы разогнать тело массы из состояния покоя до скорости , внешняя сила должна совершить работу . Тело приобретает кинетическую энергию, которая равна затраченной работе: .

Чтобы после замыкания цепи ток в катушке индуктивности достиг величины , источник тока должен совершить работу по преодолению вихревого электрического поля, направленного против тока.

Работа источника идёт на создание тока и превращается в энергию магнитного поля созданного тока.

Эта энергия запасается в катушке; именно эта энергия и выделяется потом в лампочке после размыкания ключа (во втором опыте).

Индуктивность служит аналогом массы ; сила тока является очевидным аналогом скорости . Поэтому естественно предположить, что для энергии магнитного поля катушки может иметь место формула, аналогичная выражению для кинетической энергии:

(3)

(тем более, что правая часть данной формулы имеет размерность энергии — проверьте!).

Формула (3) действительно оказывается справедливой. Уметь её выводить пока не обязательно, но если вы знаете, что такое интеграл, то вам не составит труда понять следующие рассуждения.

Пусть в данный момент сила тока через катушку равна . Возьмём малый промежуток времени . В течение этого промежутка приращение силы тока равно ; величина считается настолько малой, что много меньше, чем .

Источник тока совершает такую же по модулю положительную работу (сопротивлением катушки, напомним, мы пренебрегаем, так что вся работа источника совершается против вихревого поля):

Интегрируя это от нуля до , найдем работу источника , которая затрачивается на создание тока :

Эта работа превращается в энергию магнитного поля созданного тока, и мы приходим к формуле (3).

Источник: https://ege-study.ru/ru/ege/materialy/fizika/samoindukciya/

Самоиндукция

Физика > Самоиндукция

Изучите явление самоиндукции – сила тока, значение, как возникает. Читайте о связи самоиндукции и закона Фарадея, взаимная индуктивность, схема катушки.

Индукцией именуют процесс, где электродвижущая сила индуцируется из-за перемен в магнитном потоке.

Задача обучения

• Охарактеризовать свойства индуктора.

Основные пункты

• В электронике индуктивность выступает характеристикой проводника, где перемены тока вызывают напряжение в самом проводнике и соседних – взаимная индуктивность.
• В законе Ленца написано, что меняющийся электрический ток сквозь цепь с индуктивностью индуцируется пропорционально напряжению, вступающим в сопротивление к изменению тока.
• Взаимная индуктивность – воздействие двух устройств на индицирование ЭДС. Перемена тока в одном индуцирует ЭДС во втором: ЭДС2 = -M ΔI1/Δt (M – взаимная индуктивность между двумя устройствами).
• Самоиндукция – эффект закона Фарадея индукции на себя. Наведенная ЭДС = – L ΔI/Δt.
• Прибор со значительной самоиндукцией – индуктор.

Термины

• Индуктор – пассивный прибор, вводящий индуктивность в электрическую цепь.
• Самоиндукция – соотношение напряжения и перемены тока.
• Взаимная индуктивность – соотношение напряжения в цепи и перемены тока в соседней.

Обзор

Индукцией именуют процесс, где электродвижущая сила индуцируется из-за перемены магнитного потока.

В электронике это характеристика проводника, где изменение тока формирует напряжение, как в самом проводнике, так и в соседних.

Этот эффект выплывает из двух фундаментальных наблюдений в физике: постоянный ток формирует стабильное магнитное поле и перемены в магнитном поле индуцируют напряжение в соседнем проводнике.

Взаимная индуктивность

Взаимная индуктивность возникает из-за закона индукции Фарадея от одного прибора к другому, вроде передачи энергии от первичной катушки к трансформатору. Ниже представлена схема взаимной индуктивности для катушек тока.

Катушки способны индуцировать ЭДС между собой в качестве неэффективного трансформатора. Взаимная индуктивность (М) указывает на эффективную связь. Перемены тока в первой катушке индуцируют ЭДС во второй

Когда геометрия приборов зафиксирована, то поток меняется переменным током. Поэтому следует заострить внимание на скорости перемены тока как главную причину индукции. В виде формулы:

(M – взаимная индуктивность между двумя устройствами). Минусовый знак выражает закона Ленца. Чем больше взаимная индуктивность M, тем эффективнее сцепление.

Мы наблюдаем здесь симметричность. Если изменить ток I2 во второй катушке, то индуцируем ЭДС1 в первой:

(М – то же самое, что и для обратного процесса). Трансформаторы перемещаются назад с той же эффективностью или взаимной индуктивностью М.

Возможно, что большая взаимная индуктивность не была желательным явлением. Нам хочется, чтобы у трансформатора наблюдалась подобная взаимная индуктивность. Однако, прибор вроде электрической сушилки способен создать опасную ЭДС на корпусе, если взаимная индуктивность между ним и катушками превышает норму. Чтобы уменьшить ее, нужно использовать противодействие катушкам.

Нагревательные катушки электрической сушилки можно проколоть так, чтобы их магнитные поля отменяли друг друга, что снизит уровень взаимной индуктивности

Существует и явление самоиндукции, когда индукция влияет на само устройство.

К примеру, если ток в катушке увеличивается, то это повторяют поток и магнитное поле, создавая встречную ЭДС, которая сопротивляется уменьшению.

Во многих устройствах наблюдается фиксированная геометрия, поэтому перемена потока полностью основывается на изменении тока. Электродвижущая сила в самоиндукции задается по формуле:

(L – самоиндукция устройства). Если мы замечаем значительную самоиндукцию, то сталкиваемся с индуктором.

Символ индуктора

Минусовый знак указывает на закон Ленца, то есть, ЭДС сопротивляется перемене тока. Чем больше самоиндукция, тем сильнее устройство сопротивляется любой перемене тока. К примеру крупная катушка с витками и железным сердечником обладает большой L и не позволит быстро изменить ток.

Соленоиды

Благодаря геометрии можно определить L соленоида и созданное магнитное поле. Однако поле часто формируется сложным, что создает дополнительные проблемы для вычисления. Обычно индуктивность – заданная величина, но в соленоиде все не так, потому что внутри него находится однородное поле. Формула:

(1

Источник: https://v-kosmose.com/fizika/samoinduktsiya/

Явление самоиндукции. Индуктивность

Вы уже знаете, что основы электродинамики были заложены Андре Мари Ампером в 1820 году. Его работы вдохновили многих инженеров на конструирование различных устройств, с многими из которых вы знакомились в восьмом классе. Среди них электродвигатель, изобретённый Борисом Семёновичем Якоби, телеграф Самюэля Морзе, а также электромагнит, усовершенствованием которого занимался Джозеф Генри.

Удивительно, но уже тогда он смог разработать магниты, способные поднимать массу до полутора тонн при собственной массе магнита около 10 кг. Так вот, создавая различные электромагниты, в 1832 году Генри обнаружил новое явление в электромагнетизме — явление самоиндукции, которое, как оказалось, являлось частным случаем проявления электромагнитной индукции.

Познакомимся с этим явлением поближе. Для этого соберём электрическую цепь, состоящую из источника тока, ключа, двух одинаковых лампочек, катушки с сердечником и резистора, с электрическим сопротивлением, равным сопротивлению обмотки катушки.

Если мы замкнём цепь, то заметим, что лампочка, соединённая последовательно с реостатом, загорается практически моментально. А вот лампочка, соединённая последовательно с электромагнитом, с заметным опозданием (в реальном времени около одной секунды). Следовательно, при замыкании цепи электрический ток в катушке постепенно нарастает от нуля до некоторой постоянной величины.

— Почему же так происходит?

Получается, что проходящий через катушку переменный магнитный поток создаётся не внешними причинами, а в связи с изменением тока в самом устройстве. Мы уже знаем, при изменении магнитного потока в витках катушки возникает индукционный ток.

При этом, согласно правилу Ленца, возникающий индукционный ток будет препятствовать увеличению силы тока в цепи катушки. Когда же ток в катушке достигает постоянной величины, изменение магнитного потока прекращается и индукционный ток исчезает.

Явление возникновения индукционного тока в катушке при изменении силы тока в ней называется самоиндукцией. При этом возникающий индукционный ток называется током самоиндукции.

Таким образом, чем больше будет сила тока самоиндукции, тем большее противодействие он оказывает изменению силы тока, созданного источником. Поэтому ток в ветви с катушкой возрастает медленнее, чем в ветви с реостатом.

В 1853 году Уильямом Томсоном для оценивания способности катушки противодействовать изменению силы тока в ней, была введена специальная физическая величина, называемая коэффициентом самоиндукции (или просто индуктивностью). Обозначается она большой латинской буквой L, а единицей индуктивности в СИ является генри (Гн).

В старших классах будет показано, что индуктивность катушки зависит от:

·                   её размеров и формы;

·                   количества витков;

·                   наличия или отсутствия сердечника.

Теперь посмотрим, что происходит при размыкании цепи. Для этого соберём цепь, состоящую из источника постоянного тока, ключа, катушки и лампочки. Параллельно катушке подключим ещё одну лампочку, обладающую большим сопротивлением (например, неоновую).

При замыкании цепи лампа, соединённая последовательно с катушкой, загорается, а неоновая нет, так как напряжение, необходимое для её зажигания, намного больше чем то, которое подаётся от нашего источника тока.

А теперь разомкнём цепь.

Объясняется наблюдаемое явление всё тем же правилом Ленца: при размыкании цепи вместе с током исчезает и его магнитное поле, что вызывает в катушке появление тока самоиндукции, направление которого совпадает с направлением тока, создаваемого источником, и усиливает его.

Чтобы в этом убедиться, проведём такой опыт. В цепь постоянного тока параллельно катушке подключим гальванометр. При замыкании цепи через гальванометр пойдёт ток и стрелка гальванометра отклонится (в нашем случае вправо). Разомкнём цепь и поставим около стрелки «задержку».

Теперь, когда мы вновь замкнём цепь, эта задержка не даст стрелке гальванометра отклониться вправо.

Разомкнув цепь, мы заметим, как стрелка гальванометра отклониться влево, обнаруживая текущий по цепи ток, который не сразу исчезает в катушке, а постепенно.

Этот опыт показывает, что действительно, ток самоиндукции в катушке имеет тоже направление, что и ток, текущий в ней до отключения источника.

Чтобы ответить на этот вопрос давайте проведём небольшой опыт. Итак, у нас есть электрическая цепь, в которой с лампочкой последовательно подключена катушка большой индуктивности.

Через ключ мы можем замыкать эту цепь либо на источник тока, либо на резистор. С помощью амперметра будем следить за током в цепи.

Для начала замкнём нашу цепь на источник тока: амперметр фиксирует появление в цепи тока постоянной силы.

Теперь быстро переключим ключ, замыкая катушку на резистор: амперметр фиксирует ток, который со временем убывает. В течение этого времени всё ещё происходит перенос заряда в цепи катушки и резистора, то есть совершается работа —убывание тока вызывает явление самоиндукции.

Эта работа и равна энергии магнитного поля катушки с током, так как именно энергия характеризует способность тел совершать работу. Энергию магнитного поля можно рассчитать по формуле:

— А что, ток самоиндукции возникает лишь в катушках?

Конечно же нет. Его возникновение возможно в любых проводниках. Однако, в катушках с малым числом витков (а тем более в прямых проводниках), то есть в элементах цепи, обладающих малой индуктивностью, ток самоиндукции совсем небольшой, и поэтому не оказывает какого-либо значимого влияния на процессы в цепи.

А теперь давайте с вами решим одну несложную задачу.

В заключении отметим, что явление самоиндукции имеет место в любых случаях изменения силы тока в цепи, содержащей индуктивность, или изменения самой индуктивности. Вообще, данное явление подобно явлению инерции в механике.

Вы знаете, что, например, автомобиль не может мгновенно набрать скорость, как не может и мгновенно остановиться, как бы велика не была тормозящая сила. Точно так же, за счёт самоиндукции при замыкании цепи, сила тока не сразу достигает своего максимального значения, а нарастает постепенно.

Выключая источник, мы не прекращаем ток сразу — самоиндукция будет поддерживать его некоторое время, даже не смотря на большое сопротивление цепи.

Источник: https://videouroki.net/video/33-yavlenie-samoindukcii-induktivnost.html