1.6 Прохождение переменного тока через катушку с большой индуктивностью.
Быстрое изменение силы тока и его направления, характеризующие переменный ток, приводит к ряду важнейших особенностей, отличающих действие переменного тока от постоянного.
Рассмотрим прохождение переменного тока через катушку с большой индуктивностью.
В цепи есть катушка из медной проволоки с большим числом витков, внутрь которых помещен железный сердечник.
Рис. 3. Лампочка включена в цепь постоянного (а) и переменного (б) тока. Последовательно с лампочкой включена катушка. При постоянном токе лампочка горит ярко, при переменном тускло.
Как известно, такие катушки обладают большой индуктивностью. Сопротивление такой катушки при постоянном токе будет невелико, так как она сделана из довольно толстой проволоки. В случае постоянного тока (рис 300, а) лампочка горит ярко, в случае же переменного тока (рис 300,б) накала почти незаметно. Опыт с постоянным током понятен: так как сопротивление катушки мало, то присутствие ее почти не изменяет тока, и лампочка горит ярко. Почему же катушка ослабляет переменный ток? Будем постепенно вытягивать из катушки железный сердечник. Мы обнаружим, что лампочка накаливается все сильнее и сильнее, т.е. что по мере выдвижения сердечника ток в цепи возрастает. При полном удалении сердечника накал лампочки может дойти почти до нормального, если число витков катушки не очень большое. Но выдвижение сердечника уменьшает индуктивность катушки. Таким образом, мы видим, что катушка с малым сопротивлением, но с большой индуктивностью, включенная в цепь переменного тока, может значительно ослабить этот ток.
Влияние катушки с большой индуктивностью на переменный ток также легко объяснить. Переменный ток представляет собой ток, сила которого быстро изменяется, то увеличиваясь, то уменьшаясь. При этих изменениях в цепи возникает э.д.с. самоиндукции, которая зависит от индуктивности цепи. Направление этой э.д.с. таково, что ее действие препятствует изменению тока, т.е. уменьшает амплитуду тока, а следовательно, и его действующее значение. Пока индуктивность проводов мала, эта добавочная э.д.с. тоже мала и ее действие практически не заметно. Но при наличии большой индуктивности эта добавочная э.д.с. может значительно влиять на силу переменного тока.
2.1. Явление самоиндукции
Протекание электрического тока в проводниках связано с появлением магнитного поля, величина которого в соответствии с законом Био—Савара—Лапласа для бесконечно тонких в поперечном сечении проводников определяется соотношением:
dB=
, (1)
где dB — вектор индукции магнитного поля, создаваемого элементами тока dI в точке, определяемой радиусом вектора r при силе тока I.
Если проводник с током расположен по периметру некоторого замкнутого контура с площадью S, ток в контуре создает пронизывающий этот контур магнитный поток , причем
=
, (2)
где dS – элемент площади контура.
Кинетическая энергия движущихся зарядов в проводнике связана с энергией созданного током магнитного поля. Поэтому при всяком изменении тока в контуре, связанном с изменением скорости движения электрических зарядов, пропорционально меняется и энергия магнитного поля. Известно, что ток I в контуре и создаваемый им полный магнитный поток через контур пропорциональны друг другу:
=LI (3)
где L – коэффициент пропорциональности, называемый индуктивностью контура.
Для описания магнитного поля в физической среде, способной взаимодействовать с этим полем, вводится векторная величина Н, называемая напряженностью магнитного поля. В случае однородной среды векторы магнитной индукции и напряженности магнитного поля связаны между собой соотношением:
B=0H (4)
где 0 — магнитная постоянная в вакууме, а — относительная магнитная проницаемость среды.
В общем случае величина и зависит от Н и поэтому величина L является функцией I.
На практике единичный контур с током не применяют, поскольку создаваемый им магнитный поток мал. Для получения требуемых параметров магнитного поля приходится применять большое количество контуров с током (катушки с большим числом витков). В силу принципа суперпозиции величина магнитного потока (а, следовательно, индуктивность) оказывается пропорциональной квадрату числа витков.
Физическое устройство, содержащее витки проводника, охватывающие некоторый сердечник, применяется в электротехнике как элемент физической цепи, способный запасать энергию магнитного поля, — индуктивное сопротивление.