4.4 Основные понятия электродинамики: электромагнитная индукция, самоиндукция, индуктивность, катушка индуктивности

Опыты Фарадея по электромагнитной индукции были выполнены в 30-е годы 19 века.

Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре (катушке) при изменении магнитного потока, пронизывающего катушку.

Магнитным потоком Ф через площадь S контура называют величину

Ф = B·S·cosα, (16)

где B - модуль вектора магнитной индукции, α - угол между вектором и нормалью к плоскости контура.

В случае длинной катушки полный магнитный поток складывается из магнитных потоков, пронизывающих отдельные витки катушки.

Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум причинам.

1. Магнитный поток изменяется вследствие перемещения контура или его частей в неизменяемом во времени магнитном поле. Это случай, движущихся в магнитном поле проводников. Возникновение ЭДС индукции объясняется действием силы Лоренца на электроны в движущихся проводниках, которая играет роль сторонней силы.

2. Вторая причина изменения магнитного потока, пронизывающего контур - изменение во времени магнитного поля при неподвижном контуре. В этом случае возникновение ЭДС индукции уже нельзя объяснить действием силы Лоренца. Электроны в неподвижном проводнике могут приводиться в движение только электрическим полем, и это поле непосредственно порождается изменяющимся магнитным полем. Это электрическое поле является вихревым.

В обоих случаях явление электромагнитной индукции протекает одинаково.

Работа вихревого электрического поля по перемещению единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна ЭДС индукции в неподвижном проводнике.

Представление о вихревом электрическом поле, порожденном изменяющимся магнитным полем, было введено в физику великим английским физиком Фарадеем.

Им же был открыт в 1831 г закон электромагнитной индукции.

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взятой со знаком минус.

(17)

Направление индукционного тока может быть определено по правилу Ленца: индукционный ток всегда имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток.

Источником магнитного поля, создающего магнитный поток через индикаторную катушку, может служить постоянный магнит или другая катушка с током.

Индукционный ток возникает при относительном движении индикаторной катушки и источника магнитного поля. Если магнитное поле создается второй катушкой, то индукционный ток в индикаторной катушке возникает также в момент замыкания или размыкания ключа в цепи второй катушки.

Самоиндукция является важным частным случаем электромагнитной индукции, когда изменяющийся магнитный поток, вызывающий ЭДС индукции, создается током в самом контуре. Если ток в рассматриваемом контуре по каким-то причинам изменяется, то изменяется и магнитное поле этого тока, а, следовательно, и собственный магнитный поток, пронизывающий контур. В контуре возникает ЭДС самоиндукции, которая согласно правилу Ленца препятствует изменению тока в контуре.

Собственный магнитный поток Φ, пронизывающий контур или катушку с током, пропорционален силе тока I:

Φ = LI. (18)

Коэффициент пропорциональности L в этой формуле называется коэффициентом самоиндукции или индуктивностью катушки. Единица индуктивности в СИ называется генри (Гн). Индуктивность контура или катушки равна 1 Гн, если при силе постоянного тока 1 А собственный поток равен 1 Вб:

1 Гн = 1 Вб / 1 А.

Катушка индуктивности — обычно представляет собой винтовую, спиральную или винтоспиральную катушку из одножильного, реже многожильного, изолированного провода, намотанного на каркас из диэлектрика цилиндрической, тороидальной или прямоугольной формы; существуют также бескаркасные катушки индуктивности. Намотка бывает однослойная (рядовая и с шагом) и многослойная (рядовая, внавал, универсальная). Намотка "универсал" имеет меньшую паразитную ёмкость. Такая система способна запасать магнитную энергию при протекании электрического тока. Катушка индуктивности (индуктивность) — несколько витков проволоки (запасает энергию магнитного поля). Характеризуется индуктивностью - величина, численно равная ЭДС самоиндукции, которая возникает в контуре при изменении силы тока в нём на 1А за одну секунду (Гн). Для увеличения индуктивности применяют сердечники из ферромагнитных материалов: электротехнической стали, пермаллоя, карбонильного железа, ферритов. Также сердечники используют для изменения индуктивности катушек в больших пределах. Значение индуктивности катушки индуктивности пропорционально линейным размерам катушки, квадрату числа витков намотки и магнитной проницаемости сердечника и изменяется от десятых долей мкГн до десятков Гн. К основным параметрам катушки индуктивности относятся сопротивление потерь, добротность, температурный коэффициент индуктивности, собственная ёмкость. Катушки индуктивности широко применяют в качестве элементов фильтров и колебательных контуров, в трансформаторах, в качестве дросселей, в реле, магнитных усилителях, электромагнитах и др.

  Разновидностью катушки индуктивности являются плоские печатные катушки индуктивности, применяемые в микромодулях, а также обмотки электрических машин, рамочные и ферритовые антенны.

Рисунок 11 Катушки индуктивности: а - цилиндрическая однослойная; б - тороидальная многослойная; в - с цилиндрическим сердечником; г - с П-образным сердечником; д - образцовая индуктивность на керамическом тороиде; 1 - намотка (провод); 2 - каркас; 3 - сердечник