Определить силу тока в катушке (21 мая 2010)
где L — индуктивность катушки, I — сила тока.
где Q — выделенное количество теплоты (закон Джоуля-Ленца), R — сопротивление проводника.
По условию, Q = W
⇒ I 2 Rt = LI 2 /2,
сокращаем на I 2 ,
получаем Rt = L/2,
N — число витков в катушке; S — площадь поперечного сечения проводника; l — длина проводника.
где d — диаметр провода.
⇒ в формулу L = μoN 2 S / l вместо N подставим l/d.
Заряд индуктивности электрической цепи
Индуктивность – параметр электрической цепи, который определяет электродвижущую силу самоиндукции.
Подобный термин применяется обычно для определения элемента цепи. Индуктивность является характеристикой эффекта самоиндукции. Это физическое явление было открыто Майклом Фарадеем.
Понятие индуктивности
Индуктивность необходима для составления характеристики магнитных свойств электрической цепи. Индуктивность можно определить в качестве коэффициента пропорциональности между магнитным потоком, который находится в замкнутом контуре и электрическим током. Причем сам магнитный поток создается непосредственно текущим током, который проходит через поверхность контура.
Индуктивность связывают с дополнительными показателями:
- размером контура;
- значением магнитной проницаемости окружающей среды;
- формой.
Величина в системе измерений СИ обозначается латинской буквой $L$ (генри).
Индуктивность – величина, которая равняется отношению магнитного потока к силе тока, причем поток должен проходить по всем виткам контура.
- $F$ – магнитный поток,
- $I$ – это ток в контуре.
Самоиндукция
Исходя из указанной формулы, можно сказать, что индуктивность контура будет зависеть от его размеров, формы, а также магнитных свойств окружающей среды. При течении электрического тока в замкнутом контуре возникает магнитное поле, которое постоянно изменяется. Такой процесс порождает через некоторое время возникновение электродвижущей силы.
Самоиндукция – процесс рождения индукционного тока в условиях замкнутого контура.
Самоиндукция не позволяет току в контуре изменяться. При обнаружении явления самоиндукции можно использовать иной способ подключения и применения электрической цепи. В этом случае готовят цепь с включенным резистором и катушкой с железным сердечником. Также подключают последовательно и электрические лампы. В подобной ситуации сопротивление резистора будет иметь идентичные показатели с сопротивлением катушки на постоянном токе. В итоге получается яркое горение электрических осветительных приборов.
Самоиндукция широко используется в настоящее время в электротехнике.
Наиболее простой формулой для нахождения индуктивности является:
При помощи индуктивности выражают иные величины, в том числе электродвижущую силу самоиндукции. Для этого принято использовать следующее написание формулы:
Такая формула дает ответ о численном равенстве индукции с электродвижущей силой. Она должна возникать при изменении силы тока в контуре на 1 амперметр за секунду времени.
$W = \frac
Катушка индуктивности
Намотанная медная изолированная со всех сторон металлическая проволока является катушкой индуктивности. В качестве изоляционного материала обычно используют:
- различные ткани;
- лаки;
- проводные изоляции.
Величина магнитного потока лежит в зависимости от площади цилиндра. При увеличении тока в катушке магнитное поле также будет увеличиваться. При подаче электрического тока на катушку возникает напряжение, которое действует в противоположном направлении напряжению тока. Однако подобное напряжение может внезапно исчезнуть и быть нестабильным. В этом состоит явление электродвижущей силы самоиндукции. При подаче напряжения на катушку электрической цепи сила тока изменит свое значение до определенного числа.
По закону Ома напряжение в этот момент времени также изменит показатели, так как $I = \frac
В катушке обнаруживается еще одна особенность. Электродвижущая сила прибавляется к напряжению, если разомкнуть электрическую цепь. Тогда сила тока в катушке индуктивности изменит свои показания немедленно.
В настоящее время используют катушки двух основных видов:
- с магнитным наконечником;
- с железной сердцевиной.
Сердечники эффективно увеличивают уровень индуктивности. Также катушки принято различать по внешнему виду и внутреннему строению. Индивидуальные параметры катушек влияют на индуктивность заряда электрической цепи.
Индуктивность для однослойной и многослойной катушки определяется разными способами.
Индуктивность соленоида
Для поиска индуктивности в соленоиде применяют следующую формулу:
$L= \mu0n^ <2>V$, где вводятся дополнительные показатели в виде магнитной проницаемости вакуума $\mu0$, количества совершенных витков $n^<2>$, а также объема тела соленоида $V$.
Для расчета индуктивности соленоида также используют величину площади поперечного сечения соленоида и его длину.
Магнитное поле, созданное внутри катушки, направлено вдоль оси, поэтому при расчете индуктивности при постоянном и переменном токе используется формула $B= \mu0nI$.
При вычислении индуктивности, когда ток движется по соленоиду и возникает запас энергии в катушке, используется формула следующего вида:
Электродвижущая сила в этом случае возникает при изменении тока в соленоиде. Переменное магнитное поле появляется в момент начала работы на переменном токе. Направление силы притяжения может меняться или быть в неизменном виде.
Направление силы меняется при использовании соленоида в качестве электромагнита. Если якорь сделан из магнитомягкого материала, то направление неизменно.
Соленоид на переменном токе обладает комплексным сопротивлением, которое состоит из сопротивления обмотки, а также ее индуктивности.
При использовании соленоидов на переменном токе сила зависит от строения сердечника и корпуса. Соленоиды иного типа применяются в качестве индукторов для нагрева в тигельных печах.
При определении индуктивность катушки в колебательных контурах электрической цепи, применяется формула:
$XL = WL$, где $XL$ – показатель реактивного сопротивления катушки, а $W$ — круговая частота.
Что такое индуктивность, её определение и единица измерения
Проводник с электрическим током имеет способность накапливать энергию в магнитном поле. Подобное явление называется индуктивностью. У обычного проводника, имеющего прямую форму, эта величина имеет небольшое значение, но если проводнику придать вид спирали и одинаковую направленность тока с соседними проводниками, то их поля будут взаимодействовать. При этом усилится индуктивность. Но есть факт того, что воздух значительно их ослабляет.
Человеческий мозг предположил следующее: поле должно протекать вокруг проводников не по воздуху, а по железу, сопротивляемость которого магнитному полю намного меньше. Такие катушки являются индуктивными.
Свойства
При подаче напряжения к индуктивной катушке, в ней происходит линейное нарастание тока, а при его снятии начинается его падение. Моментально остановить его протекание в катушке не представляется возможным, как, например, нельзя сразу остановить автомобиль, мчащийся на скорости. При попытке быстро остановить нарастание этого параметра, произойдёт удар напряжения, равный тому, что оно, при этом, может вызвать искровой разряд. Подобное явление получило название самоиндукция. На этом принципе основана работа катушки зажигания в автомобиле.
Коэффициент самоиндукции — это есть индуктивность. Иными словами: величина, которая характеризует связь между находящимся в проводнике электрическим током и магнитным полем, создаваемым при протекании. Эта мера представляет сумму потока индукции. Прямая зависимость её от конфигурации проводника и от проницаемости доказана.
При подаче на катушку электрического тока постоянного напряжения, в катушке возникает напряжение, противоположное напряжению электрического тока (Е =U), которое исчезает через некоторое время. Это противоположное напряжение называется ЭДС (электродвижущей силой самоиндукции). Параметр зависит от индуктивности катушки.
Как найти индуктивность
Формулы индуктивности будут выглядеть следующим образом:
- Ф = LI (магнитный поток в контуре);
- Е= LdI/dt (ЭДС самоиндукции).
ЭДС определяет энергию магнитного поля, от этой величины зависит противодействие системы при изменении тока. При этом ЭДС самоиндукции направлена противоположно последнему.
Перевод слова «индукция» с латинского языка (induct) — побуждение, наведение. Исходя из сказанного, понятно, что это величина, которая характеризует магнитные свойства электрической цепи. Ток проводящего контура создаёт в окружающем его пространстве магнитное поле. При этом, возникающий в контуре поток Ф, имеет прямую ему пропорциональность. Формально записывается это так: Ф=LI, где L — коэффициент пропорциональности или коэффициент самоиндукции контура. Его определяют размеры и формы контура, а также, магнитная проницаемость среды.
Энергия W магнитного поля тока I определяется по формуле: W =LI2/2. При проведении аналогии между электрическим и механическими явлениями, энергия сопоставима с кинетической энергией тела T=mv2/2, где m — масса, v — скорость. Тогда индуктивность подобна массе, а ток — скорости. Это наглядное сравнение помогает лучше понять суть. Эта интересная характеристика определяет инерционные свойства электрического тока.
На практике для увеличения её значения применяют катушки с сердечниками из ферромагнетиков, их свойства имеют зависимость от напряжённости магнитного поля и, следовательно, I. В основном это ферритовые пластины из электротехнической стали. Эффективность применения сердечников довольно значительна: индуктивность катушки возрастает в несколько раз. Помимо цилиндрических, распространены тороидальные варианты, они позволяют достичь большей индуктивности, из-за наличия замкнутого магнитного потока.
Индуктивность соленоида определённой длины, имеющего N витков и площадь поперечного сечения S в среде, имеющей проницаемость m равна:
где m0— магнитная проницаемость вакуума.
Определение индуктивности
Измерение индуктивности катушки можно провести в лабораторных условиях. За единицу индуктивности в системе СИ принимается 1 Генри — она измеряется в контуре с магнитным потоком в 1 Вб, сила тока при этом в контуре равна 1 Амперу. В системе Гаусса индуктивность равняется 1 Гн = 10⁹ см.
Для того, чтобы её определить, нужно измерить действующее значение переменного тока и его частоту, а также, напряжение на катушке и её активное сопротивление:
- R —омическое сопротивление катушки.
- F — частоту переменного тока.
- U — напряжение.
- I — силу тока.
Применение катушек в технике
Явление электромагнитной индукции известно уже давно и широко применяется в технике. Примеры использования:
- сглаживание пульсаций и помех, накопление энергии;
- создание магнитных полей в различных устройствах;
- фильтры цепей обратной связи;
- создание колебательных контуров;
- трансформаторы (устройство из двух катушек, связанных индуктивно);
- силовая электротехника использует для ограничения тока при к. з. на ЛЭП (катушки индуктивности, называются реакторами);
- ограничение тока в сварочных аппаратах — катушки индуктивности делают его работу стабильнее, уменьшая дугу, что позволяет получить ровный сварочный шов, имеющий наибольшую прочность;
- применение катушек в качестве электромагнитов различных исполнительных механизмов;
- обмотки электромагнитных реле;
- индукционные печи;
- установление качества железных руд, исследование горных пород при помощи определения магнитной проницаемости минералов.
Энергия магнитного поля тока
Для того чтобы через катушку индуктивности пошел ток, электрическому полю необходимо затратить некоторую энергию. Эта энергия расходуется на создание магнитного поля в катушке. Поговорим об энергии магнитного поля тока.
Преобразования энергии в катушке индуктивности
Из курса физики в 11 классе известно, что электрический ток, проходящий через катушку индуктивности, создает магнитное поле. В результате самоиндукции изменение этого магнитного поля наводит в этой же катушке ЭДС индукции, которая, согласно правилу Ленца, направлена так, чтобы противодействовать причине, его вызвавшей.
Рис. 1. Правило Ленца.
Можно сказать, катушка индуктивности «сопротивляется» любым изменениям тока через нее, и электрическому полю необходимо затратить энергию для таких изменений (как для увеличения тока, так и для его уменьшения).
Поскольку никаких «приемников энергии» в катушке индуктивности нет, то можно заключить, что энергия электрического поля тратится на «разгон» электронов в катушке и на создание магнитного поля в ней. Если электрическое поле снять, то электроны также не сразу остановятся, а за счет энергии магнитного поля будут еще некоторое время двигаться, возвращая энергию в проводник.
Таким образом, катушка индуктивности обладает способностью накапливать энергию в магнитном поле. При включении тока его энергия затрачивается на создание магнитного поля, а при выключении — энергия магнитного поля тока возвращается в проводник.
Подчеркнем, что энергия магнитного поля имеет существенно иную природу, чем внутренняя энергия проводника, которая выражается законом Джоуля-Ленца. Энергия магнитного поля тока — это кинетическая энергия зарядов, упорядоченно движущихся по ней. Внутренняя энергия проводника — это энергия хаотического движения молекул самого проводника. Энергию магнитного поля легко получить, уменьшая ток в проводнике. В этом случае магнитное поле катушки, уменьшаясь, будет совершать положительную работу. Получить внутреннюю энергию поля без дополнительных затрат энергии запрещает второе начало термодинамики.
Рис. 2. Второе начало термодинамики.
Энергия магнитного поля тока
Фактически индуктивность катушки выступает в роли инерции механических систем. Аналогию можно продолжить. Электрическое поле, так же, как механическая сила, должно совершить работу для «разгона» электронов в проводнике. После чего электроны, так же, как и разогнанные материальные точки, будут обладать некоторой кинетической энергией. Аналогом массы в данном случае будет индуктивность, а аналогом скорости материальной точки — ток в катушке. Аналогом механической кинетической энергии будет являться энергия магнитного поля. Поэтому при возникновении в проводнике катушки электромагнитного поля энергия магнитного поля тока выражается формулой:
Формула полностью аналогична формуле кинетической энергии материальной точки.
Также полезно знать формулу удельной энергии магнитного поля (то есть энергию единицы объема), выраженную через значение индукции. Расчеты показывают, что плотность энергии магнитного поля пропорциональна квадрату индукции. В системе СИ она равна:
Напомним, что величина $\mu_0 = 1,26×10^<-6>$, единица измерения — Гн/м, ее физический смысл — это магнитная проницаемость вакуума.
Рис. 3. Энергия магнитного поля тока.
Что мы узнали?
Для того чтобы по катушке индуктивности пошел ток, электрическому полю требуется совершить работу. Энергия этой работы будет затрачена на создание магнитного поля в катушке. Таким образом, магнитное поле катушки с током обладает некоторой энергией. Фактически это кинетическая энергия упорядоченного движения зарядов по катушке.