§ 16.2 Самоиндукция

После того как удалось «превратить магнетизм в электричество», Фарадей обнаружил, что при подключении цепи, содержащей катушку с сердечником (рис.16.5), к источнику постоянного напряжения сила тока устанавливается не сразу, а постепенно (рис.16.6). Аналогичное явление наблюдалось и при отключении цепи от источника. В этом случае ток также прекращался постепенно, а не мгновенно (рис.16.7).

Ток, продолжающий идти в цепи и после отключения её от источника напряжения, получил название экстратока размыкания.

В результате проведённых исследований Фарадей понял, что наблюдаемый эффект является частным случаем электромагнитной индукции и представляет собой «индуктивное влияние электрического тока на самого себя».

Современная теория описанных явлений сводится к следующему. Когда электрический ток в цепи изменяется (например, увеличивается при замыкании цепи или уменьшается при её размыкании), то изменяется и создаваемое этим током магнитное поле. Изменяя, это поле порождает вихревое электрическое поле, которое и влияет на силу тока в данной цепи. В этом и заключается «действие электрического тока самого на себя».

Возникновение вихревого электрического поля в проводящем контуре при изменении силы тока в нём же самом называется самоиндукцией.

ЭДС электромагнитной индукции, которая возникает в контуре при изменении силы тока в нём, называется ЭДС самоиндукции.

ЭДС самоиндукции определяется из закона Фарадея:

(16.7)

Магнитный поток, сцеплённый с контуром, всегда пропорционален силе тока в нём:

Ф = LI (16.8)

Коэффициент пропорциональности L называется индуктивностью контура или коэффициентом самоиндукции.

Единица индуктивности – генри.

Индуктивность зависит от формы и размеров соленоида, а также от магнитных свойств окружающей среды.

Поскольку самоиндукция является частным случаем электромагнитной индукции, то эту ЭДС самоиндукции можно найти по закону:

(16.9)

Если контур представляет собой соленоид, содержащий N витков, то

(16.10)

(dψ - потокосцепление)

Таким образом, чем больше индуктивность цепи и чем быстрее изменяется в ней сила тока, тем большая ЭДС самоиндукции и, следовательно, вихревое электрическое поле в ней возникают.

В соответствии с правилом Ленца возникающее при самоиндукции вихревое электрическое поле имеет такое направление, при котором возникает противодействие тому изменению силы тока в цепи, которое его вызвало. Это означает, что при увеличении силы тока (ΔІ˃0) напряжённость появившегося вихревого электрического поля будет направлена противоположно току (мешая ему нарастать), а при уменьшении силы тока (ΔІ˂0) она будет направлена в ту же сторону, что и ток (препятствуя его убыванию)

При размыкании цепи возникает индукционный ток, идущий в том же направлении, что и основной, поэтому сила тока изменяется очень быстро. При значительной индуктивности это может привести к тому, что в цепи возникает ЭДС самоиндукции, значительно превышающая ЭДС источника тока. При этом на концах разомкнутой цепи появится настолько большая разность потенциалов, что наступит электрический пробой воздуха и в месте размыкания цепи проскочит искра. Этим можно объяснить и то, что лампочки перегорают именно в момент выключения света.

Определим индуктивность соленоида.

Напряжённость поля во всех точках внутри соленоида одинакова и равна H=In, где n - число витков N, приходящихся на единицу длины соленоида ℓ (N/ℓ). Если общее число витков соленоида равно N, то . Магнитный поток, пронизывающий один виток соленоида, равен