Что такое экстратоки самоиндукции

40. Экстратоки замыкания и размыкания.

П ри всяком изменении силы тока в контуре возникает ЭДС индукции, которая вызывает дополнительный ток в контуре. Это явление называется самоиндукцией, а токи, вызываемые ЭДС самоиндукции, — экстратоки самоиндукции. Экстратоки можно наблюдать с помощью опыта на данной схеме. Катушка L включена в цепь, которая содержит батарею Б, реостат R и ключ К. Параллельно катушке подключён гальванометр. При замкнутом ключе ток в цепи делится на I₁ (через гальванометр) и ток I (через катушку). Если разомкнуть ключ, то магнитный поток в катушке будет исчезать и в ней возникнет экстраток самоиндукции (экстраток размыкания). По закону Ленца он будет препятствовать убыванию магнитного потока, то есть будет направлен в катушке так же, как и убывающий ток. Этот экстраток пройдёт через гальванометр, где его направление будет противоположно первоначальному току.

При замыкании ключа (установлении тока) в катушке тоже возникает экстраток (экстра ток размыкания). Его направление противоположно нарастающему току батареи и совпадает с током I₁. Поэтому экстраток замыкания заметен гораздо хуже.

Если в катушку поместить железный сердечник, то экстратоки значительно усиливаются. В этом случае гальванометр можно заменить лампой накалывания, которая при размыкании ключа будет давать яркую вспышку.

Экстратоки можно найти зная ЭДС самоиндукции и сопротивление контура:

41. Энергия магнитного поля соленоида. Плотность энергии в магнитном поле.

Соленоид – цилиндрическая катушка, состоящая из большого числа витков проволоки образующих винтовую линию. Индуктивность соленоида равна . Зная, что найдём энергию магнитного поля соленоида: , а так как N∙i/l=H и V=S∙l, то получим . Учитывая, что объёмная плотность магнитного поля равна , получим формулу для соленоида . Если магнитное поле неоднородно, то его можно разбить на бесконечно малые элементы объёмом dV, в каждом из которых поле можно считать однородным. Энергия, заключённая в элементе объёма, есть w∙dV. Поэтому полная энергия магнитного поля равна: , где w- объёмная плотность энергии магнитного поля.

Объёмная плотность энергии электромагнитного поля – есть сумма объёмных плотностей магнитного и электрического полей:

42. Магнитное поле вещества. Вектор намагничивания. Магнитная восприимчивость вещества.

Магнитное поле — форма проявления электромагнитного поля. Это поле действует на движущиеся частицы, обладающие электрическим зарядом, а так же на намагниченные тела независимо от их движения.

Магнитное поле, которое создаётся атомами вещества называется собственным или внутренним полем. Это поле обусловлено существованием у атомов магнитных моментов и характеризуется вектором магнитной индукции. Магнитная индукция внутреннего поля пропорциональна вектору интенсивности намагничивания . Где I –вектор суммы магнитных моментов атомов, находящихся в единице объёма: . Где N- число частиц, содержащихся в объёме V. P_mi— магнитный момент i-ой молекулы.

Единица намагничивания – ампер на метр (А/м). Это такая намагниченность, при которой вещество объёмом 1м 3 имеет магнитный момент 1 А∙м 2

Для магнетиков, находящихся в не сильных магнитных полях I=x_m∙H, где x_m –магнитная восприимчивость вещества— величина аналогичная μ, зависящая от рода магнетика, его состояния (температура и др.). , где С – постоянная Кюри, а Т – температура. Для диамагнетиков x_m — меньше нуля, для парамагнетиков — больше нуля.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Экстратоки самоиндукции в соответствии с законом Ленца всегда препятствуют изменениям тока, их вызвавшим. При включении в цепь источника тока экстратоки направлены противоположно току, создаваемому источником. При выключении из цепи источника тока экстратоки имеют то же направление, что и ослабевающий ток источника. Поэтому индуктивность цепи проявляется в замедлении процессов исчезновения и установления тока. Рассмотрим это явление подробнее. [1]

Экстратоки самоиндукции в соответствии с законом Ленца всегда препятствуют изменениям тока, их вызвавшим. [3]

Здесь второе слагаемое представляет собой экстраток самоиндукции . Он затухает со временем и по прошествии времени порядка г LIR может не учитываться. [6]

В дальнейшие моменты времени магнитное поле будет исчезать, так как не имеется токов, его поддерживающих. Это исчезающее поле вызовет экстраток самоиндукции , который в соответствии с законом Ленца будет стремиться поддержать ток разряда конденсатора и будет, следовательно, направлен так же, как и этот последний. [7]

Эта работа затрачивается источником при намагничивании магнетика. При размагничивании магнетика в цепь источника возвращается энергия, запасенная в магнитном поле, в виде работы экстратока самоиндукции . Если гистерезис отсутствует, то обе ветви кривой совпадают, и при размагничивании возвращается та же работа, которая была затрачена при намагничивании. [9]

Эта работа затрачивается источником при намагничивании магнетика. При размагничивании магнетика в цепь источника возвращается энергия, запасенная в магнитном поле, в виде работы экстратока самоиндукции . Она по-прежнему выражается величиной площади, ограниченной кривой намагничивания и отрезком ординаты ОВ. Если гистерезис отсутствует, то обе ветви кривой совпадают, и при размагничивании возвращается та же работа, которая была затрачена при намагничивании. [11]

V до 70 едля рту т — у, равняется 0 5 W / св. Зажигание осуществляется подобно ртутной лампе экстратоком самоиндукции при размыкании цепи с помощью вакуумного прерывателя U ( фиг. При переменном токе трубки выполняются с двумя анодами, схема включения аналогична в этом случае схеме включения ртутной лампы переменного тока ( фиг. [12]

Явление электромагнитной индукции наблюдается во всех случаях, когда изменяется магнитный поток, пронизывающий контур. В частности, этот поток может создаваться током, текущим в самом рассматриваемом контуре. Поэтому при всяком изменении силы тока в каком-либо контуре в нем возникает ЭДС индукции, которая вызывает дополнительный ток в контуре. Это явление называется самоиндукцией, а дополнительные токи, вызываемые ЭДС самоиндукции, — экстратоками самоиндукции . [13]

Лампы низкого давления выполняются из стекла. Напряжение на концах трубки соответственно равняется 40 — 80 V. При включении в цепь необходимо применять добавочное балластное сопротивление, величина которого в данном случае зависит от рабочего напряжения сети. Схема включения ртутной лампы постоянного тока приведена на фиг. Здесь R-добавочное балластное сопротивление, L-самоиндукция, создающая при размыкании с помощью прерывателя Р экстраток самоиндукции , вызывающий зажигание. [14]

Постоянная времени пропорциональна индуктивности и обратно пропорциональна сопротивлению, поэтому чем больше индуктивность и чем меньше сопротивление, тем постоянная больше. На рис. 10.2, а изображен ход зависимости силы тока от времени. Постепенное изменение тока связано с наличием индуктивности и вызвано появлением в контуре ЭДС самоиндукции. Мы видим, что роль ЭДС самоиндукции сводится к тому, что в контуре наряду с током SIR протекает еще ток iL ( рис. 10.2 б), который вначале компенсирует ток SIR, а затем постепенно затухает. Этот ток называют экстратоком самоиндукции . [15]

Катушка индуктивности. Явление амоиндукции

Индуктивность, или коэффициент самоиндукции (от лат. inductio — наведение, возбуждение) — это параметр электрической цепи, который определяет ЭДС самоиндукции, наводимой в цепи при изменении протекающего по ней тока или (и) ее деформации.

Термином «индуктивность» обозначают также катушку самоиндукции, которая определяет индуктивные свойства цепи.

Самоиндукция — возникновение ЭДС индукции в проводящем контуре при изменении в нем силы тока. Самоиндукция была открыта в 1832 г. американским ученым Дж. Генри. Независимо от него в 1835 г. это явление открыл М. Фарадей.

ЭДС индукции возникает при изменении магнитного потока. Если это изменение вызывается собственным током, то говорят об ЭДС самоиндукции:

где $L$ — индуктивность контура, или его коэффициент самоиндукции.

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

Индуктивность, как и электроемкость, зависит от геометрии проводника — его размеров и формы, но не зависит от силы тока в проводнике. Так, индуктивность прямого провода гораздо меньше индуктивности того же провода, свернутого в спираль.

Расчеты показывают, что индуктивность описанного выше соленоида в воздухе определяется по формуле:

где $μ_0$ — магнитная постоянная, $N$ — число витков соленоида, $l$ — длина соленоида, $S$ — площадь поперечного сечения.

Кроме того, индуктивность зависит от магнитных свойств среды, в которой находится проводник, а именно от его магнитной проницаемости, которая определяется по формуле:

где $L_0$ — индуктивность контура в вакууме, $L$ — индуктивность контура в однородном веществе, заполняющем магнитное поле.

Единицей индуктивности в СИ является генри (Гн): $1$ Гн$ =1$В$·$с/А.

Токи замыкания и размыкания

При любом включении и выключении тока в цепи наблюдаются так называемые экстратоки самоиндукции (экстратоки замыкания и размыкания), возникающие в цепи вследствие явления самоиндукции и препятствующие, согласно правилу Ленца, нарастанию либо убыванию тока в цепи. На рисунке показана схема соединения двух одинаковых ламп. Одна из них подключена к источнику через резистор $R$, а другая — последовательно соединена с катушкой $L$ с железным сердечником.

При замыкании цепи первая лампа вспыхивает практически мгновенно, а вторая — с заметным опозданием. Это вызвано тем, что ЭДС самоиндукции в цепи этой лампы велика, и сила тока не сразу достигает своего максимального значения.

При размыкании ключа в катушке $L$ возникает ЭДС самоиндукции, поддерживающая первоначальный ток. В результате в момент размыкания через гальванометр течет ток (светлая стрелка), направленный против начального тока до размыкания (черная стрелка). При этом ЭДС самоиндукции может быть гораздо больше ЭДС батареи элементов, что будет проявляться в том, что экстраток размыкания будет существенно превышать стационарный ток при замкнутом ключе.

Индуктивность характеризует инерционность цепи по отношению к изменению в ней тока, и ее можно рассматривать как электродинамический аналог массы тела в механике, являющейся мерой инертности тела. При этом ток $I$ играет роль скорости тела.

Энергия магнитного поля

По аналогии с кинетической энергией тела для цепей постоянного тока энергия магнитного поля $W_м$ записывается в форме, аналогичной выражению для кинетической энергии $/<2>$

При этом индуктивность включает часть, связанную с энергией магнитного поля, сосредоточенную в проводниках, внутреннюю индуктивность $L_i$ и внешнюю $L_e$, связанную с внешним магнитным полем: $L=L_i+L_e$.

Экстратоки замыкания и размыкания

Явления при замыкании и размыкании тока обусловлены индуктивностью цепи или самоиндукцией. Если изменять ток в цепи, то собственный магнитный поток изменяется, и в цепи, помимо ЭДС источника, начнет действовать электродвижущая сила самоиндукции. При этом в дополнение к питающему току источника пойдет ток, вызванный ЭДС самоиндукции. Этот ток называется экстратоком или индукционным током. По правилу Ленца индукционный ток должен препятствовать причине (изменению начального тока в катушке), его вызвавшей. Следовательно, при увеличении тока в цепи индукционный ток потечет навстречу, а при уменьшении – в том же направлении, что и первичный ток.

1) Замыкание электрической цепи

, при t = 0 I ₀ = 0, (2)

где - установившийся ток;

— время установления тока (время, за которое ток увеличивается в e раз).

2) Размыкание электрической цепи

, при t = 0 e = 0, (4)

В цепях с большими индуктивностями при резком замыкании и размыкании ЭДС самоиндукции резко возрастает (e_с >> e), что ведет к появлению экстратоков. Возрастание тока в цепи ведет к пробою изоляции и порче электроприборов, электрооборудования.