В чем заключается явление самоиндукции кратко

Обновлено: 02.07.2024

Результатом взаимного влияния друг на друга электрического и магнитного полей является закон электромагнитной индукции, открытый великим физиком М. Фарадеем. На этом законе основан принцип взаимоиндукции, который широко используется на практике, например, в трансформаторах переменного тока. Частный случай явления электромагнитной индукции — самоиндукция. Дадим определение понятию самоиндукции.

Самоиндукция — явление возникновения электродвижущей силы в проводнике в результате изменения тока, протекающего по проводнику.

Возникающую при этом явлении ЭДС называют ЭДС самоиндукции, а ток — индукционным.

Взаимоиндукция (взаимная индукция) — возникновение тока в одной из двух индукционно связанных обмоток при изменении тока в другой.

Так же как и закон электромагнитной индукции, явление самоиндукции наблюдается в замкнутом контуре и не наблюдается в прямом проводнике.

Описание явления самоиндукции: суть явления, пояснение на примерах

Направление возникающего при самоиндукции тока определяется по правилу Ленца.

Индукционный ток в цепи направлен так, чтобы уменьшить действие вызвавшего его внешнего поля.

Кратко опишем процесс появления самоиндукции в проводнике. Возьмем простой замкнутый контур, состоящий из катушки, двух ламп накаливания и источника тока.

Если подключить схему к источнику, можно наблюдать, как при замыкании цепи лампа за катушкой будет загораться позже другой лампы. При размыкании цепи лампа за катушкой также потухнет позже.

После замыкания ключа по цепи начинает проходить ток, при этом сила тока будет постепенно нарастать в течение некоторого времени. В результате через витки катушки начинает проходить равномерный магнитный поток, также нарастающий со временем.

По закону электромагнитной индукции под действием меняющегося во времени магнитного поля образуется вихревое поле и, следовательно, индукционный ток. По правилу Ленца направление индукционного тока будет противоположным направлению тока источника, именно по этой причине лампа загорается не сразу после замыкания ключа.

Теперь отключим источник тока. Сила тока в цепи начнет убывать, как и магнитный поток, проходящий через обмотку катушки. Индукционный ток при этом будет сонаправлен с током источника. Лампа, находящаяся за катушкой, потухнет спустя некоторое время после размыкания ключа.

При резком размыкании цепи можно столкнуться с таким явлением, как скачок тока. Значение величины ЭДС самоиндукции в этот момент может значительно превышать ЭДС источника энергии.

Не стоит путать ЭДС индукции и ЭДС самоиндукции. Основное отличие этих двух явлений состоит в том, что ЭДС индукции возникает при изменении магнитного потока, пронизывающего проводящий контур. Первичная причина появления ЭДС самоиндукции заключается в изменении тока, проходящего по контуру.

Единицы измерения самоиндукции

Самоиндукцию характеризуют такие величины, как индукционный ток, собственный магнитный поток витка или витков и ЭДС самоиндукции.

Сила индукционного тока измеряется в Амперах (А), магнитный поток — Веберах (Вб).

Единица измерения ЭДС — вольты (В).

ЭДС самоиндукции

ЭДС самоиндукции в общем виде зависит от величины изменения магнитного потока Ф, пронизывающего контур, то есть от скорости его изменения:

Знак минус в выражении для ЭДС отображает правило Ленца для направления индукционного тока.

Магнитный поток можно определить по формуле:

где i — ток в контуре, А;

L — коэффициент самоиндукции или индуктивность, Гн (Генри).

На величину индуктивности влияют следующие параметры проводника:

геометрии контура;
размеров контура;
магнитной проницаемости среды.

Чтобы найти величину ЭДС без учета направления тока, берут модуль от представленного выше выражения:

ε = - ∆ Ф ∆ t = ∆ Ф ∆ t

Параметры контура и среды не меняются во времени в отличие от тока. Тогда, поставив вместо магнитного потока Ф выражение L\cdot i, получим формулу для нахождения ЭДС:

ε = - ∆ Ф ∆ t = - L ∆ i ∆ t

Скорость изменения тока есть первая производная от функции тока.

Если ток в цепи меняется по синусоидальному закону, ЭДС будет равна:

ε = - L d i d t = - L · i m a x · d d t ( sin ( ω t ) ) = - L · i m a x · ω · cos ( ω t ) = - - L · i m a x · ω · sin ( ω t + π / 2 ) .

То есть ЭДС самоиндукции в этом случае отстает от тока по фазе на π / 2 .

Примеры решения задач

Имеется контур, индуктивность которого постоянна и равна 0,004 Гн. Известно, что через пять секунд после подключения источника тока магнитный поток, пронизывающий контур, изменился от 0 до 0,008 Вб. Найти изменение тока и ЭДС самоиндукции через пять секунд после включения цепи.

Из формулы для магнитного потока выразим силу тока и найдем ее значение.

Ф = L · i → i = Ф L = 0 , 008 0 , 004 = 2 A

ЭДС самоиндукции равна:

За 5 секунд сила тока изменилась на 2 А. Подставив значения в выражение для ЭДС, найдем ее значение:

ε = - 0 , 004 · 2 5 = - 0 , 0016 В

Ответ: Δi=2 A; ЭДС=1,6 мВ.

Ток в цепи меняется по синусоидальному закону. Известно, что среднее квадратическое значение силы тока в цепи равно 4 / 2 . Найти амплитуду ЭДС, если индуктивность цепи равна 0,001 Гн, а циклическая частота 100 1/с.

Амплитуда ЭДС в случае синусоидального тока равен:

ε m a x = L · i m a x · ω

Среднее квадратическое значение тока (действующее значение) и амплитуда связаны отношением: i д = i m a x 2 .

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

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.

При размыкании эл. цепи ток убывает, возникает уменьшение м. потока в катушке, возникает вихревое эл. поле, направленное как ток ( стремящееся сохранить прежнюю силу тока) , т. е. в катушке возникает ЭДС самоиндукции, поддерживающая ток в цепи.
В результате Л при выключении ярко вспыхивает.

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

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.

Индуктивность - физ. величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1Ампер за 1 секунду.
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 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)

Явление самоиндукции заключается в появлении магнитной индукции в самом проводнике при изменении тока в нем.

явление возникновения в проводнике индукционного тока, вызываемого изменениями силы тока в этом проводнике, называется самоиндукцией. То есть, у нас есть провод и там возникает индукционный ток, если сила тока у нас изменится, то образуется самоиндукция.

Одним из важных явлений, происходящих в катушке индуктивности при прохождении через нее переменного тока, является самоиндукция. Рассмотрим, в чем заключается явление самоиндукции.

ЭДС самоиндукции

В результате электромагнитной индукции, при изменении магнитного потока через проводящий контур, в нем возникает электродвижующая сила (ЭДС), пропорциональная скорости изменения потока.

Рис. 1. Явление электромагнитной индукции.

При этом для возникновения ЭДС нет разницы, какой источник был у магнитного потока, пронизывающего контур. Этот магнитный поток мог наводиться другой катушкой, постоянным магнитом, или даже обычным проводником с током, вокруг которого также возникает магнитное поле.

А теперь проследим, что происходит, если через катушку будет проходить не постоянный, а переменный ток.

Ток, идущий по катушке, создает магнитное поле, пронизывающее витки. Поскольку ток переменный, а индукция магнитного поля прямо пропорциональна силе порождающего тока, то и магнитный поток, порождаемый этим током, будет переменным. Изменение же магнитного потока приводит к возникновению ЭДС, которая будет также переменной.

Рис. 2. Самоиндукция.

Индуктивность

Оценим величину возникающей ЭДС самоиндукции.

Согласно закону электромагнитной индукции:

Изменение же индукции и наведенного магнитного потока пропорционально изменению тока в катушке (если не меняется ориентация катушки и площадь ее сечения):

$$\Delta B \sim \Delta \Phi \sim \Delta I$$

То есть, изменение потока можно приравнять изменению тока, введя коэффициент пропорциональности $L$, и получить следующее выражение для ЭДС самоиндукции:

Коэффициент пропорциональности $L$, входящий в эту формулу, является важной характеристикой катушки, и называется индуктивность. Физический смысл ее в том что это ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1A за 1с.

За единицу индуктивности в СИ принят 1 Генри. (Гн). Такую индуктивность имеет катушка или проводник, в котором при изменении силы тока на 1А возникает ЭДС самоиндукции 1В:

Самоиндукция и инерция

В случае механики приложенная энергия изменяет кинетическую энергию точки. В случае катушки энергия изменяет энергию магнитного поля.

Рис. 3. Аналогия массы и индуктивности.

Что мы узнали?

Явление самоиндукции состоит в том, что при изменении тока через катушку, в нем возникает ЭДС самоиндукции, сопротивляющаяся изменениям. Данное явление аналогично инерции в механике.

1. Какое явление изучалось на опыте?

В опыте изучается явление самоиндукции.
Рассматривается частный случай электромагнитной индукции, т.е. возникновение индукционного тока в катушке при изменении силы тока в ней.

2. Как объясняются наблюдаемые явления в опыте по самоиндукции?

При замыкании цепи:

Лампа Л1 загорится сразу, а Л2 - с опозданием.
Почему с опозданием?
При замыкании цепи все токи цепи начинают расти.
Поэтому увеличиваются индукции магнитных полей, создаваемых каждым током,
Увеличиваются и магнитные потоки, пронизывающие витки реостата и катушки.
Проходящие сквозь реостат и катушку изменяющиеся магнитные потоки создаются благодаря изменению токов в этих устройствах.
Согласно явлению электромагнитной индукции, в реостате и в катушке возникают индукционные токи.
Эти индукционные токи препятствующие увеличению токов, созданных источником тока..
В катушке индукционный ток будет значительно больше, чем в реостате, т.к. катушка имеет большее число витков и сердечник (обладает большей индуктивностью), чем реостат.
Чем больше сила индукционного тока, тем большее противодействие он оказывает изменению силы тока, созданного источником.
Ток в ветви с катушкой возрастает медленнее чем в ветви с реостатом.
В результате лампа Л2 загорается с опозданием.

При размыкании цепи:

При замыкании цепи загорится только лампа Л2.
Лампа Лн не включается, т.к. напряжение для ее зажигания требуется больше, чем дает источник тока.
Разомкнем цепь - Л2 гаснет, зато неоновая Лн дает яркую вспышку.
Уменьшение тока при размыкании цепи создает мощный индукционный ток, противодействующий уменьшению тока в катушке.
При этом напряжение на катушке становится больше напряжения источника и достаточным для зажигания Лн.

3. Что называется индуктивностью? Единицы измерения индуктивности?

Индуктивность (иначе коэффициент самоиндукции) - это физическая величина, введенная для оценивания способности катушки противодействовать изменению силы тока в ней.

Индуктивность обозначается буквой L.

Индуктивность катушки зависит от ее формы, размеров, числа витков и наличия или отсутствия сердечника.

Единицей индуктивности в СИ является 1 Генри (1 Гн).

4. В чем заключается явление самоиндукции?

Явление самоиндукции заключается в возникновении индукционного тока в катушке при изменении силы тока в ней.

При этом возникающий индукционный ток называется током самоиндукции.

5. Может ли возникнуть ток самоиндукции в прямом проводнике с током? Если нет, то объясните почему; если да, то при каком условии.

Ток самоиндукции возникает не только в катушках, но и в любых других проводниках, если сила тока изменяется.

Но, в катушках с небольшим числом витков, и не имеющих сердечника, и тем более в прямых проводниках (т. е. в элементах цепи, обладающих малой индуктивностью) ток самоиндукции обычно невелик и не оказывает практического влияния на процессы в электрической цепи.

6. Что такое энергия магнитного поля тока? Как она возникает?

Магнитное поле тока в катушке обладает энергией.
Доказательство этому - появление мощного индукционного тока при размыкании цепи.
За счет уменьшения энергии магнитного поля совершается работа по созданию индукционного тока.

Накапливается энергия магнитного поля тока при замыкании цепи.
При этом за счет энергии источника тока совершается работа по преодолению тока самоиндукции, который препятствует увеличению тока в цепи и его магнитного поля.

7. Как рассчитать энергию магнитного поля тока?

Энергия магнитного поля тока определяется по формуле:

где
Е - энергия магнитного поля тока (Дж),
L - индуктивность проводника (Гн),
i - сила тока в этом проводнике (А).

8. За счет уменьшения какой энергии совершалась работа по созданию индукционного тока при размыкании цепи?

Работа по созданию индукционного тока при размыкании цепи совершается за счет энергии магнитного поля катушки.

Читайте также: