Что такое ЭДС самоиндукции и как она возникает. Какие факторы влияют на величину ЭДС самоиндукции. Как рассчитать энергию магнитного поля катушки индуктивности. Где применяется явление самоиндукции в технике.
Природа и механизм возникновения ЭДС самоиндукции
ЭДС самоиндукции — это электродвижущая сила, возникающая в проводящем контуре при изменении силы тока в нем. Данное явление было открыто Майклом Фарадеем в 1831 году и лежит в основе работы многих электротехнических устройств.
Механизм возникновения ЭДС самоиндукции состоит в следующем:
- При протекании тока в проводнике вокруг него возникает магнитное поле
- Изменение силы тока приводит к изменению магнитного поля
- Изменяющееся магнитное поле создает вихревое электрическое поле
- Вихревое электрическое поле индуцирует ЭДС в том же проводнике
Таким образом, ЭДС самоиндукции всегда стремится противодействовать изменению тока, создавшего ее. Это проявление закона электромагнитной инерции.
Факторы, влияющие на величину ЭДС самоиндукции
Величина возникающей ЭДС самоиндукции зависит от ряда факторов:
- Скорость изменения силы тока — чем быстрее меняется ток, тем больше ЭДС
- Индуктивность цепи — характеризует способность цепи накапливать энергию магнитного поля
- Геометрические размеры и форма проводника
- Магнитные свойства окружающей среды
Математически ЭДС самоиндукции выражается формулой:
ε = -L * dI/dt
где L — индуктивность, dI/dt — скорость изменения тока.
Индуктивность как мера электромагнитной инерции
Индуктивность характеризует способность электрической цепи накапливать энергию магнитного поля при протекании тока. Чем больше индуктивность, тем большая ЭДС самоиндукции возникает при изменении тока.
От чего зависит индуктивность катушки:
- Количество витков — прямо пропорциональная зависимость
- Площадь поперечного сечения — прямо пропорциональная зависимость
- Длина катушки — обратно пропорциональная зависимость
- Магнитная проницаемость сердечника — прямо пропорциональная зависимость
Индуктивность измеряется в Генри (Гн). 1 Гн — это индуктивность, в которой при изменении тока на 1 А за 1 с возникает ЭДС 1 В.
Энергия магнитного поля катушки индуктивности
При протекании тока через катушку индуктивности вокруг нее возникает магнитное поле, обладающее энергией. Эта энергия может быть рассчитана по формуле:
W = L * I^2 / 2
где L — индуктивность катушки, I — сила тока.
Энергия магнитного поля катушки может достигать значительных величин. Например, при индуктивности 1 Гн и токе 10 А энергия составит 50 Дж.
Как рассчитать энергию магнитного поля катушки индуктивности?
- Определить индуктивность катушки L
- Измерить или рассчитать силу тока I
- Подставить значения в формулу W = L * I^2 / 2
- Провести вычисления и получить результат в джоулях
Применение явления самоиндукции в технике
Явление самоиндукции нашло широкое применение в различных областях техники:
Электроэнергетика
- Дроссели — для сглаживания пульсаций тока
- Трансформаторы — для передачи электроэнергии на большие расстояния
- Реакторы — для ограничения токов короткого замыкания
Радиотехника
- Колебательные контуры — основа радиоприемников и передатчиков
- Фильтры — для выделения сигналов определенных частот
- Линии задержки — для временной задержки сигналов
Электропривод
- Электромагнитные тормоза — для быстрой остановки двигателей
- Пусковые реостаты — для плавного пуска двигателей
ЭДС самоиндукции в цепях постоянного и переменного тока
Проявление ЭДС самоиндукции в цепях постоянного и переменного тока имеет свои особенности:
В цепях постоянного тока
- ЭДС самоиндукции возникает только в моменты включения и выключения тока
- При установившемся режиме ЭДС самоиндукции отсутствует
- Может вызывать искрение контактов при размыкании цепи
В цепях переменного тока
- ЭДС самоиндукции действует постоянно из-за непрерывного изменения тока
- Создает индуктивное сопротивление, зависящее от частоты тока
- Вызывает сдвиг фаз между током и напряжением
Влияние ЭДС самоиндукции на работу электрических цепей
ЭДС самоиндукции оказывает существенное влияние на работу электрических цепей:
- Замедляет нарастание тока при включении цепи
- Препятствует мгновенному исчезновению тока при выключении
- Создает перенапряжения при быстром изменении тока
- Вызывает потери энергии на вихревые токи в магнитопроводах
Эти эффекты необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации электротехнических устройств.
Методы расчета и измерения ЭДС самоиндукции
Для определения ЭДС самоиндукции используются следующие методы:
Расчетные методы
- На основе закона электромагнитной индукции Фарадея
- С использованием понятия индуктивности
- Методом эквивалентных схем замещения
Экспериментальные методы
- Осциллографирование переходных процессов
- Измерение индуктивности мостовым методом
- Резонансный метод определения добротности контура
Выбор метода зависит от конкретной задачи и требуемой точности.
Заключение
ЭДС самоиндукции играет важную роль в работе многих электротехнических устройств. Понимание природы этого явления и умение его рассчитывать необходимо для грамотного проектирования и эксплуатации электрических цепей. Применение ЭДС самоиндукции позволяет создавать эффективные системы накопления и преобразования электромагнитной энергии.
определение, основные понятия и примеры решений
Содержание:
- Расчет индуктивности
- Определение энергии магнитного поля катушки индуктивности
Определение 1
Рассмотрим проводящий контур. Если проходящий по контуру ток будет меняться во времени, то в том же контуре возникнет электродвижущая сила. Такое явление называется самоиндукция.
Самоиндукция возникает за счёт взаимосвязи переменных электрического и магнитного полей. Если по контуру идёт переменный ток, то он создаёт переменное магнитное поле. Оно в свою очередь обуславливает изменение потока вектора магнитной индукции через поверхность, ограниченную контуром. Изменяющийся поток, согласно закону электромагнитной индукции вызывает появление ЭДС (электродвижущей силы)
При этом, магнитный поток контура Φ находится в прямой зависимости от величины тока. Выполняется соотношение: Φ=LI.
Определение 2
Коэффициент самоиндукции (L), также называемый индуктивностью контура или катушки, является коэффициентом пропорциональности в формуле Φ=LI.
Определение 3
Также мера инерции электрического контура (катушки), то есть способность сопротивляться изменению (повышению, понижению, возникновению) электрического тока в нём, характеризуется через ЭДС самоиндукции. Параметр зависит от характеристик вещества проводника. Записывает следующим образом:
$\delta _{инд}=\delta_L = -\frac{\triangle Ф}{\triangle t} = -L \frac{\triangle I}{\triangle t} $
ЭДС самоиндукции имеет зависимость не только от скорости приращения или убывания магнитного потока, но и от того как быстро происходит изменение тока, протекающего в проводящем контуре.
В случае подключения катушки, созданное ею магнитное поле играет роль накопителя энергии. Проверить это утверждение не трудно, достаточно включить в схему параллельно катушке лампу. При отключении схемы от питания, лампа ненадолго зажжётся — это убывающее магнитное поле создало ЭДС, сгенерировало непродолжительный электрический ток.
В целом же энергия запасаемая катушкой и вовсе никуда не исчезает.
2}{ 2 μ_0 ⋅ μ} $
Согласно исследованиям Максвелла, формула верно описывает физическую величину применительно к любым магнитным полям.
236
проверенных автора готовы помочь в написании работы любой сложности
Мы помогли уже 4 396 ученикам и студентам сдать работы от решения задач до дипломных на отлично! Узнай стоимость своей работы за 15 минут!
Индуктивность. Катушка индуктивности
Индуктивность
Индуктивность (или коэффициент самоиндукции ) — коэффициент пропорциональности между электрическим током, текущим в каком-либо замкнутом контуре, и полным магнитным потоком, называемым также потокосцеплением, создаваемым этим током через поверхность, краем которой является этот контур
Индуктивность является электрической инерцией, подобной механической инерции тел. А вот мерой этой электрической инерции как свойства проводника может служить ЭДС самоиндукции.
Характеризуется свойством проводника противодействовать появлению, прекращению и всякому изменению электрического тока в нём.
В формуле
Через индуктивность выражается ЭДС самоиндукции в контуре, возникающая при изменении в нём тока [4] :
Из этой формулы следует, что индуктивность численно равна ЭДС самоиндукции (в вольтах ), возникающей в контуре при изменении силы тока на 1 А за 1 с.
При заданной силе тока индуктивность определяет энергию магнитного поля, создаваемого этим током
Число витков провода в катушке: При прочих равных условиях, увеличение числа витков приводит к увеличению индуктивности;уменьшение числа витков приводит к уменьшению индуктивности.
Пояснение: чем больше количество витков, тем больше будет магнитодвижущая сила для заданной величины тока.
Площадь поперечного сечения катушки: При прочих равных условиях, катушка с большей площадью поперечного сечения будет иметь большую индуктивность; а катушка с меньшей площадью поперечного сечения — меньшую индуктивность.
Пояснение: Катушка с большей площадью поперечного сечения оказывает меньшее сопротивление формированию магнитного потока для заданной величины магнитодвижущей силы.
Длина катушки: При прочих равных условиях, чем больше длина катушки, тем меньше ее индуктивность; чем меньше длина катушки, тем больше ее индуктивность.
Пояснение: Чем больше длина катушки, тем большее сопротивление она оказывает формированию магнитного потока для заданной величины магнитодвижущей силы.
Материал сердечника: При прочих равных условиях, чем больше магнитная проницаемость сердечника, вокруг которого намотана катушка, тем больше индуктивность; чем меньше магнитная проницаемость сердечника — тем меньше индуктивность.
Пояснение: Материал сердечника с большей магнитной проницаемостью способствует формированию большего магнитного потока для заданной величины магнитодвижущей силы.
Энергия магнитного поля
Магнитное поле обладает энергией. Подобно тому, как в заряженном конденсаторе имеется запас электрической энергии, в катушке, по виткам которой протекает ток, имеется запас магнитной энергии. Если включить электрическую лампу параллельно катушке с большой индуктивностью в электрическую цепь постоянного тока, то при размыкании ключа наблюдается кратковременная вспышка лампы. Ток в цепи возникает под действием ЭДС самоиндукции. Источником энергии, выделяющейся при этом в электрической цепи, является магнитное поле катушки.
Гипотеза Максвелла
Изменяющееся во времени электрическое поле вызывает появление вихревого магнитного поля. Согласно этой гипотезе, магнитное поле после замыкания цепи образуется не только вследствие протекания тока в проводнике, но и вследствие наличия переменного электрического поля между обкладками конденсатора.
Это переменное электрическое поле порождает магнитное поле в той же области между обкладками конденсатора. Причём, это магнитное поле точно такое же, как будто бы между обкладками конденсатора протекал ток, равный току во всей остальной цепи. В основе теории лежат четыре уравнения Максвелла, из которых следует, что изменение электрического и магнитного полей в пространстве и во времени происходят согласованным образом. Так, электрическое и магнитное поле образуют единое целое. Электромагнитные волны распространяются в пространстве в виде поперечных волн с конечной скоростью.
Итоги
Анализируя прохождение переменного тока через цепи, содержащие диэлектрики, Максвелл пришёл к выводу, что переменное электрическое поле может порождать магнитное поле за счёт тока смещения. Электрическое и магнитное поле – компоненты единого электромагнитного поля, которое распространяется в пространстве в виде поперечных волн с конечной скоростью.
Как работает электродвижущая сила, ЭДС в катушках индуктивности
Базовая электроника
Энгр Фахад Отправить письмо 6 ноября 2020 г.
533
Электродвижущая сила ЭДС – Электродвижущая сила или ЭДС относится к напряжению, создаваемому батареей или изменяющимся магнитным полем. Встречная ЭДС, также называемая обратной ЭДС, — это родственное явление, которое мы проиллюстрируем в этой анимации, разработанной National MagLab. Вот простая схема с батарейкой, хорошим выключателем и лампочкой. Эта схема также снабжена проволочной катушкой, которая служит катушкой индуктивности.
Катушки индуктивности хранят энергию в виде магнитных полей, которые генерируются вокруг них, когда через них проходит ток. Их называют индукторами, потому что они индуцируют напряжение в своих катушках, когда это магнитное поле изменяется.
Когда цепь включена, ток начинает течь, электроны в токе создают магнитное поле вокруг провода, когда они движутся по нему, как показано этими синими стрелками, которые вы можете видеть на изображении ниже .
если провод сформирован в катушку, подобную этой катушке индуктивности, силовые линии магнитного поля сходятся в центре.
Вы знаете о катушке индуктивности? Это пассивный двухконтактный электрический компонент, который накапливает энергию в магнитном поле, когда через него проходит ток. По мере того, как ток течет через индуктор, он начинает накапливать энергию, и, конечно, требуется время, чтобы они постепенно нарастали до максимального магнитного поля, которое намного сильнее, чем поле вокруг прямой длины провода.
Давайте посмотрим на это снова, но на этот раз мы обратим более пристальное внимание на то, что происходит в проволочном проводнике в этой параллельной цепи ток может проходить либо через катушку индуктивности, либо через лампочку.
Когда ток достигает этого соединения, он разделяется и течет как к катушке индуктивности, так и к лампочке. Сначала ток течет гораздо сильнее к лампочке. Происходит это потому, что по мере роста магнитного поля в индукторе оно индуцирует собственное напряжение по закону Фарадея, это называется электромагнитной индукцией.
Таким образом, индуктор здесь создает обратную ЭДС, представленную этой желтой стрелкой, обратная ЭДС всегда противостоит изменению, которое ее создало. поэтому в этом случае обратная ЭДС противостоит изменению, вызванному включением цепи.
Он противостоит току. Как видите, обратная ЭДС эффективно отводит ток от катушки индуктивности к лампочке. Это заставляет лампочку загораться, но только на короткое время, когда магнитное поле вокруг индуктора достигает своего максимального поля, обратная ЭДС исчезает, и теперь ток благоприятствует прохождению через индуктор, потому что лампочка создает некоторое сопротивление току. то же самое явление происходит, когда магнитное поле сжимается.
Что происходит, когда мы размыкаем переключатель и останавливаем ток от батареи, обратная ЭДС снова противостоит изменению, которое ее создало. В этом случае изменение представляет собой прекращение тока, поэтому, противодействуя этому изменению, обратная ЭДС хочет поддерживать ток, который снова течет к лампочке, заставляя ее мигать, прежде чем она полностью исчезнет.
электромагнетизм — направление ЭДС индуктора
спросил
Изменено 1 год, 10 месяцев назад
Просмотрено 297 раз
$\begingroup$
У меня серьезные проблемы с пониманием ЭДС в катушке индуктивности. Предположим, мы меняем ток от значения $I_0$ до нуля, вращая тумблер источника. Тогда почему мы должны считать, что ЭДС, наведенная индуктором, будет действовать так, как показано на правом рисунке, а не так, как на левом? Существуют противоположные случаи распределения электрических потенциалов, и они, по-видимому, приводят к одинаковому протеканию тока. Но первый не реализуется в жизни
Или почему мы не рассматриваем случай, когда ток индуцируется, как на 3-м нижнем рисунке?
- электромагнетизм
- электрические цепи
- электромагнитно-индукционные
- батареи
- индуктивность
$\endgroup$
$\begingroup$
Не используйте знаки плюс/минус для указания направления электродвижущей силы или индукционного тока.
