Изменяющийся по величине ток всегда создаёт изменяющееся магнитное поле, которое, в свою очередь, всегда индуктирует ЭДС. При всяком изменении тока в катушке (или вообще в проводнике) в ней самой индуктируется ЭДС самоиндукции, она зависит от скорости изменения тока. Чем больше скорость изменения тока, тем больше ЭДС самоиндукции.
Величина ЭДС самоиндукции зависит также от числа витков катушки и её размеров. Чем больше диаметр катушки и число её витков, тем больше ЭДС самоиндукции. Эта зависимость имеет большое значение в электротехнике. Направление ЭДС самоиндукции определяет Закон Ленца :
ЭДС самоиндукции имеет всегда такое направление, при котором она препятствует изменению вызвавшего её тока.
Иначе говоря, убывание тока в катушке влечёт за собой появление ЭДС самоиндукции, направленной по направлению тока, т. е. препятствующей его убыванию. И, наоборот, - при возрастании тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, направленная против тока, т. е. препятствующая его возрастанию. Если ток в катушке не изменяется, то никакой ЭДС самоиндукции не возникает. Явление самоиндукции особенно резко проявляется в цепи, содержащей в себе катушку со стальным сердечником, так как сталь значительно увеличивает магнитный поток катушки, а следовательно, и величину ЭДС самоиндукции.
Продемонстрировать явление самоиндукции можно, проведя следующий эксперимент. Соберём электрическую цепь, состоящую из аккумулятора, разъединителя и двух параллельных цепей: в первой - лампочка и резистор, а во второй - лампочка и катушка, причём сопротивление обеих лампочек одинаковое, и сопротивление резистора и катушки также одинаково.
1. При включении разъединителя лампа Л1 загорится с задержкой, так как ЭДС самоиндукции катушки препятствует быстрому нарастанию тока в цепи лампы Л1 (рис. 1а и 1б).
2. При отключении разъединителя обе лампы кратковременно вспыхнут, так как ЭДС самоиндукции катушки выше ЭДС батареи. Когда ЭДС самоиндукции иссякает, то обе лампы одновременно гаснут (рис. 2а и 2б).
Явление самоиндукции имеет как положительные, так и отрицательные свойства, причём и те и другие проявляются при работе аппаратов и электрических цепей подвижного состава метрополитена:
- Индуктивный шунт , подключённый параллельно обмоткам возбуждения тяговых электродвигателей, сглаживает колебания высокого напряжения на контактном рельсе (либо при кратковременном отрыве токоприёмников). Индуктивность этого шунта сравнима с индуктивностью обмоток возбуждения, а его ЭДС направлена всегда против ЭДС ОВ ТЭД. Таким образом, при снижении или снятии высокого напряжения с контактного рельса ЭДС индуктивного шунта препятствует снижению тока, а при повышении напряжения – препятствует нарастанию тока, что препятствует возникновению аварийного режима в силовой цепи и образованию кругового огня по коллектору электродвигателей.
- Если разомкнуть цепь, содержащую катушку с большой индуктивностью, то при размыкании контактов будет образовываться электрическая дуга, способная привести к разрушению коммутационного аппарата, поэтому в подобных случаях необходимо применять устройство дугогашения или (для низковольтных цепей) подключать параллельно контактам конденсатор.
Самоиндукция это процесс возникновения ЭДС в цепи обладающей индуктивностью в результате изменения тока в ней. Рассмотрим этот процесс по подробней. Самоиндукция это частный случай электромагнитной индукции. Для появления ЭДС в цепи обладающей индуктивностью необходимо чтобы эту индуктивность пронизывал переменный магнитный поток. Тогда в цепи появится ЭДС пропорциональное индуктивности и скорости изменения магнитного потока.
Рисунок 1 — ЭДС самоиндукции
ЭДС самоиндукции всегда направлено встречно изменяющемуся току. То есть при увеличении тока в цепи она стремиться препятствовать нарастанию тока. Соответственно при уменьшении тока самоиндукция препятствует этому и стремится сохранить ток в контуре.
Проведем такой эксперимент. Возьмём две одинаковые лампы накаливания, подключённые к источнику тока. Одна лампа подключена к источнику непосредственно, то есть напрямую. Вторая лампа подключена через большую индуктивность.
Рисунок 2 — схема опыта
При замыкании выключателя в цепи появится ток. Первая лампа загорится сразу. Поскольку току в этой цепи ничего не препятствует. Вторая же лампа загорится не сразу, а спустя некоторое время. Так как к источнику она будет подключена через большую индуктивность. Которая будет препятствовать нарастанию тока в цепи.
Хотелось бы уточнить один момент. Вторая лампа, которая должна включиться с задержкой, не вспыхнет резко спустя какое-то время от момента включения. А будет, плавно разгорятся, выходя на полную яркость. Поскольку ток в индуктивности не может измениться скачком. Он в ней изменяется плавно.
Теперь можно предположить, что при размыкании выключателя лампа номер два погаснет со временем, а номер один сразу. Но это не так. Обе лампы вспыхнут ярче, на коротки промежуток времени. Давайте разберемся почему.
При отключении тока в катушке возникнет ЭДС самоиндукции, которая будет стремиться сохранить ток в цепи. Но поскольку обе лампы находятся в одной цепи это видно из рисунка. Они подключены друг к другу через индуктивность. Эта ЭДС будет приложена к обеим лампам. Вследствие чего они обе вспыхнут.
Уточню еще один момент. После выключения лампы вспыхнут несколько ярче, чем они горели при замкнутом выключателе. Это произойдет из-за того что ЭДС самоиндукции пропорционально скорости изменения магнитного потока пронизывающего контур. Магнитный поток вызывается током в контуре. При размыкании выключателя ток изменится резко от максимального значения до нуля. Таки образом ЭДС самоиндукции может превышать ЭДС источника в разы.
На данном уроке мы узнаем, как и кем было открыто явление самоиндукции, рассмотрим опыт, с помощью которого продемонстрируем это явление, определим, что самоиндукция - это частный случай электромагнитной индукции. В конце урока введем физическую величину, показывающую зависимость ЭДС самоиндукции от размеров и формы проводника и от среды, в которой находится проводник, т. е. индуктивность.
Генри изобретал плоские катушки из полосовой меди, с помощью которых добивался силовых эффектов, выраженных более ярко, чем при использовании проволочных соленоидов. Ученый заметил, что при нахождении в цепи мощной катушки ток в этой цепи достигает своего максимального значения гораздо медленнее, чем без катушки.
Рис. 2. Схема экспериментальной установки Д. Генри
На рис. 2 изображена электрическая схема экспериментальной установки, на основе которой можно продемонстрировать явление самоиндукции. Электрическая цепь состоит из двух параллельно соединенных лампочек, подключенных через ключ к источнику постоянного тока. Последовательно с одной из лампочек подключена катушка. После замыкания цепи видно, что лампочка, которая соединена последовательно с катушкой, загорается медленнее, чем вторая лампочка (рис. 3).
Рис. 3. Различный накал лампочек в момент включения цепи
При отключении источника лампочка, подключенная последовательно с катушкой, гаснет медленнее, чем вторая лампочка.
Почему лампочки гаснут не одновременно
При замыкании ключа (рис. 4) из-за возникновения ЭДС самоиндукции ток в лампочке с катушкой нарастает медленнее, поэтому эта лампочка загорается медленнее.
Рис. 4. Замыкание ключа
При размыкании ключа (рис. 5) возникающая ЭДС самоиндукции мешает убыванию тока. Поэтому ток еще некоторое время продолжает течь. Для существования тока нужен замкнутый контур. Такой контур в цепи есть, он содержит обе лампочки. Поэтому при размыкании цепи лампочки должны некоторое время светиться одинаково, и наблюдаемое запаздывание может быть вызвано другими причинами.
Рис. 5. Размыкание ключа
Рассмотрим процессы, происходящие в данной цепи при замыкании и размыкании ключа.
1. Замыкание ключа.
В цепи находится токопроводящий виток. Пусть ток в этом витке течет против часовой стрелки. Тогда магнитное поле будет направлено вверх (рис. 6).
Таким образом, виток оказывается в пространстве собственного магнитного поля. При возрастании тока виток окажется в пространстве изменяющегося магнитного поля собственного тока. Если ток возрастает, то созданный этим током магнитный поток также возрастает. Как известно, при возрастании магнитного потока, пронизывающего плоскость контура, в этом контуре возникает электродвижущая сила индукции и, как следствие, индукционный ток. По правилу Ленца, этот ток будет направлен таким образом, чтобы своим магнитным полем препятствовать изменению магнитного потока, пронизывающего плоскость контура.
То есть для рассматриваемого на рис. 6 витка индукционный ток должен быть направлен по часовой стрелке (рис. 7), тем самым препятствуя нарастанию собственного тока витка. Следовательно, при замыкании ключа ток в цепи возрастает не мгновенно благодаря тому, что в этой цепи возникает тормозящий индукционный ток, направленный в противоположную сторону.
2. Размыкание ключа
При размыкании ключа ток в цепи уменьшается, что приводит к уменьшению магнитного потока сквозь плоскость витка. Уменьшение магнитного потока приводит к появлению ЭДС индукции и индукционного тока. В этом случае индукционный ток направлен в ту же сторону, что и собственный ток витка. Это приводит к замедлению убывания собственного тока.
Вывод: при изменении тока в проводнике возникает электромагнитная индукция в этом же проводнике, что порождает индукционный ток, направленный таким образом, чтобы препятствовать любому изменению собственного тока в проводнике (рис. 8). В этом заключается суть явления самоиндукции. Самоиндукция - это частный случай электромагнитной индукции.
Рис. 8. Момент включения и выключения цепи
Формула для нахождения магнитной индукции прямого проводника с током:
где - магнитная индукция; - магнитная постоянная; - сила тока; - расстояние от проводника до точки.
Поток магнитной индукции через площадку равен:
где - площадь поверхности, которая пронизывается магнитным потоком.
Таким образом, поток магнитной индукции пропорционален величине тока в проводнике.
Для катушки, в которой - число витков, а - длина, индукция магнитного поля определяется следующим соотношением:
Магнитный поток, созданный катушкой с числом витков N , равен:
Подставив в данное выражение формулу индукции магнитного поля, получаем:
Отношение числа витков к длине катушки обозначим числом :
Получаем окончательное выражение для магнитного потока:
Из полученного соотношения видно, что значение потока зависит от величины тока и от геометрии катушки (радиус, длина, число витков). Величина, равная , называется индуктивностью:
Единицей измерения индуктивности является генри:
Следовательно, поток магнитной индукции, вызванный током в катушке, равен:
С учетом формулы для ЭДС индукции , получаем, что ЭДС самоиндукции равна произведению скорости изменения тока на индуктивность, взятому со знаком «-»:
Самоиндукция - это явление возникновения электромагнитной индукции в проводнике при изменении силы тока, протекающего сквозь этот проводник.
Электродвижущая сила самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения тока, протекающего сквозь проводник, взятой со знаком минус. Коэффициент пропорциональности называется индуктивностью , которая зависит от геометрических параметров проводника.
Проводник имеет индуктивность, равную 1 Гн, если при скорости изменения тока в проводнике, равной 1 А в секунду, в этом проводнике возникает электродвижущая сила самоиндукции, равная 1 В.
С явлением самоиндукции человек сталкивается ежедневно. Каждый раз, включая или выключая свет, мы тем самым замыкаем или размыкаем цепь, при этом возбуждая индукционные токи. Иногда эти токи могут достигать таких больших величин, что внутри выключателя проскакивает искра, которую мы можем увидеть.
Список литературы
- Мякишев Г.Я. Физика: Учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений. - М.: Просвещение, 2010.
- Касьянов В.А. Физика. 11 кл.: Учеб. для общеобразоват. учреждений. - М.: Дрофа, 2005.
- Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И., Физика 11. - М.: Мнемозина.
- Интернет-портал Myshared.ru ().
- Интернет-портал Physics.ru ().
- Интернет-портал Festival.1september.ru ().
Домашнее задание
- Вопросы в конце параграфа 15 (стр. 45) - Мякишев Г.Я. Физика 11 (см. список рекомендованной литературы)
- Индуктивность какого проводника равна 1 Генри?
Изобретение относится к электротехнике, в частности к конструкциям индукционных генераторов тока, и может быть использовано в электромагнитных установках и электрических машинах, таких как двигатели, генераторы, трансформаторы, в частности, в качестве повышающего трансформатора. Технический результат состоит в повышении эдс на выходе за счет использования импульсных напряжений на вторичной обмотке и осуществления конструкции вторичной обмотки, которая бы позволяла производить непосредственный съем с генератора возникающего импульсного напряжения, и одновременно суммарной мощности первичной и вторичной обмоток. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.
Рисунки к патенту РФ 2524387
Изобретение относится к электротехнике, в частности к конструкциям импульсных индукционных генераторов тока.
Назначением данного изобретения является использование импульсного генератора ЭДС самоиндукции для обеспечения импульсного энергопитания различных электромагнитных установок и электрических машин, что позволяет существенно расширить арсенал импульсных источников энергии. Из уровня техники известен «Индукционный синхронный генератор», Заявка RU 9811934 7, опубл. 10.09.2000, МПК H02K 21/14, использующий токи обмотки статора, на якоре которого токи пульсируют, и индуктор (ротор), выполненный защищенным от магнитного поля токов обмотки якоря статора. Позволяет расширить режимы работы генератора. Однако в генераторе присутствуют вращающиеся части, а следовательно, он обладает всеми недостатками таких генераторов, т.е. не решены проблемы, связанные с коммутацией электроэнергии. В предложенной конструкции невозможно получение требуемого высокого напряжения.
Известен «Генератор электрической энергии», заявка RU 9402533 5, опубл. 10.06.1996, МПК H02K 19/16, содержащий составные кольцевые обмотки с сердечником, индукционную катушку и обмотку возбуждения. Позволяет увеличить производительность генератора электрической энергии, уменьшить индуктивное сопротивление статорной обмотки, уменьшить затраты на механическую работу при преобразовании механической энергии в электрическую и повысить КПД. Однако генератор в силу особенностей конструкции не позволяет использовать ЭДС самоиндукции. В генераторе присутствуют вращающиеся части, а, следовательно, он обладает всеми недостатками таких генераторов, т.е. не решены проблемы, связанные с коммутацией электроэнергии.
Известна полезная модель «Комбинированная электромагнитная обмотка», патент RU 96443, опубл. 27.07.2010, МПК H01F 5/00, в которой имеется два или более проводника с выводами, и проводники разделены диэлектриком. Позволяет расширить режимы работы. Однако оба проводника применяются в качестве первичной обмотки, отсутствует вторичная обмотка высокого напряжения, что не позволяет обмотку использовать в трансформаторах высокого напряжения, а также не обеспечивает съем и использование ЭДС индукции от вторичной обмотки.
Наиболее близкой заявкой на изобретение является «Индуктивно-статический способ генерации электрической энергии и устройство для его осуществления», RU 2004124018, опубл. 27.01.2006, МПК H01F 1/00, в соответствии с которым имеется первичная и вторичная обмотки, образующие катушку индуктивности с переходом свободной магнитной энергии в индуктивно-зависимое состояние, и происходит наведение ЭДС индукции и получение уплотнения магнитных потоков, пропорциональное увеличению электрической мощности. Позволяет использовать вторичную обмотку с меньшей на величину уплотнения магнитных потоков индуктивностью, чем достигается пропорциональное уплотнение и увеличение электрической мощности генератора. В способе используют индукционный и, одновременно, статический способы генерации. Однако не предложена конструкция вторичной обмотки генератора, которая позволяет производить непосредственный съем с генератора возникающее импульсное напряжение и ток ЭДС самоиндукции.
Также наиболее близким решением является классическая электрическая схема для проведения опытов по демонстрации электромагнитной индукции при размыкании цепи. Эта схема (устройство) функционально является импульсным генератором ЭДС самоиндукции. В связи с вышесказанным, в качестве прототипа принимаем установку, показанную на чертеже - рис.424 стр.231, учебник: Курс физики, часть вторая, изд. «Наука», Москва 1970 г. Авторы: Л.С. Жданов, В.А. Маранджан.
Однако в классической схеме сердечник из электротехнической стали конструктивно не способен выполнять в устройстве одновременно две функции: электропроводящей обмотки и классического, как на рис.424 прототипа, магнитопровода, т.е сердечника (М) индукционной катушки. Прототип не позволяет производить непосредственный съем и использование ЭДС самоиндукции, возникающей в сердечнике классической индукционной катушки.
Задачей предложенного изобретения является использование импульсных напряжений и осуществление конструкции вторичной обмотки генератора, которая бы позволяла производить непосредственный съем с генератора возникающего импульсного напряжения.
Техническим результатом, который обеспечивает предложенное техническое решение, является существенное расширение арсенала средств для импульсного генерирования и преобразования электроэнергии. Заявленный технический результат обеспечен за счет того, что импульсный генератор ЭДС самоиндукции конструктивно исполнен в виде первичной и вторичной обмоток однофазного повышающего трансформатора в стандартном техническом исполнении (с учетом того, что вторичная обмотка является одновременно функционально электропроводником и магнитопроводом, то предлагается рассматривать представленную конструкцию как простейшую индукционную катушку с сердечником, конструктивно исполненным в виде спиральной катушки с возможностью съема с него ЭДС самоиндукции) и они снабжены двумя или более проводниками, которые разделены диэлектриком и каждый проводник имеет выводы. Генератор отличается тем, что первичная обмотка (проводник) низкого напряжения выполнена спирально-ленточной и имеет по меньшей мере 2 витка, намотанных плотно или с небольшим зазором, виток к витку, лента обмотки выполнена шириной от 120 до 200 мм и толщиной от 1 до 2 мм; вторичная обмотка (проводник) высокого напряжения также выполнена спирально-ленточной, лента обмотки выполнена из электротехнической стали, покрытой электроизоляцией, и имеет по меньшей мере 100 витков, намотанных плотно или с небольшим зазором, виток к витку, лента выполнена шириной от 120 до 200 мм и толщиной не более 0,1 мм. Первичная обмотка электрически соединена с аккумуляторной батареей низкого напряжения через ключ-прерыватель с образованием замкнутой электрической цепи, где вторичная обмотка является одновременно электропроводящей обмоткой и магнитопроводом. При этом витки первичной обмотки расположены снаружи витков вторичной обмотки таким образом, что обе обмотки образуют повышающий трансформатор, в котором вторичная обмотка является индукционной катушкой трансформатора высокого напряжения, обеспечивая электропроводность за счет ленты из электротехнической стали, изолированной внешним слоем изоляции и, одновременно, выполняет функцию сердечника для первичной обмотки, ЭДС снимают посредством проводников, электрически подсоединенных к концам ленты вторичной обмотки, и получают за счет периодического срабатывания ключа-прерывателя, причем обеспечивают за счет частоты срабатывания ключа-прерывателя расчетные импульсное напряжение и ток, возникающие во вторичной обмотке, по формуле
где - где L - индуктивность цепи или коэффициент пропорциональности между скоростью изменения силы тока в контуре и возникающей вследствие этого ЭДС самоиндукции,
- скорость изменения силы тока в электрической цепи
В частных случаях первичная обмотка может быть выполнена из медного или алюминиевого проводника, может иметь 3 витка и более, количество витков ограничено трансформаторным отношением: отношение количества витков вторичной обмотки к количеству витков первичной обмотки, что определяет коэффициент трансформации, т.е. насколько напряжение во вторичной обмотке больше, чем в первичной. Например, аккумуляторная батарея низкого напряжения может быть рассчитана на 12-24 вольт и она является источником постоянного тока. В частности, периодическое срабатывание ключа-прерывателя осуществляют с промышленной частотой переменного тока 50 Гц. При этом частоты могут быть любые технически возможные для осуществления, но лучше 50 Гц, так как ее проще преобразовать либо потреблять с помощью имеющихся стандартных преобразователей или электроприборов. Расчетная ЭДС самоиндукции во вторичной обмотке обеспечивается, в частности, геометрией контура и магнитными свойствами сердечника для первичной обмотки. Так она может быть выполнена с формой контура, который выполнен круглым с диаметром 150 мм и более, что зависит от коэффициента трансформации, который и определит диаметр вторичной обмотки в зависимости от применяемой толщины электротехнической стали, или круглой спиральной формой. Поскольку вторичная обмотка является обмоткой высокого напряжения и выполнена из электротехнической стали, то это значит, что ее магнитные свойства определены самим материалом (т.е собственно магнитными свойствами электротехнической стали).
Изобретение в наиболее обобщенном виде иллюстрируется чертежами. Конкретное конструктивное исполнение не ограничивается показанными на чертежах вариантами исполнения.
На Фиг.1 показана схема расположения первичной и вторичной обмоток и аккумуляторная батарея с ключом-прерывателем.
На Фиг.2 - показано сечение А-А по соединенным вторичной и первичной обмоткам.
Данное техническое решение иллюстрируется чертежом, который не охватывает всех возможных конструктивных вариантов исполнения представленной схемы подключения.
Устройство Импульсного генератора ЭДС самоиндукции показано на фиг.1 и фиг.2 (в разрезе), и это устройство конструктивно исполнено в виде однофазного повышающего трансформатора (а также конструктивно является простейшей индукционной катушкой), который состоит из первичной (1) спирально-ленточной обмотки (медный или алюминиевый проводник), 2-3 витка толщиной 1-2 мм, шириной 120 мм, подключенной к аккумуляторной батарее (2) низкого напряжения 12-24 в - источник постоянного тока через ключ-прерыватель (3), образующих замкнутую электрическую цепь.
Вторичная спирально-ленточная обмотка высокого напряжения (4) из электротехнической стали, покрытой электроизоляцией, имеет количество витков от 100 и более, толщина ленты 0,1 мм, ширина 120 мм.
Вторичная обмотка (4) из электротехнической стали выполняет в конструкции две функции одновременно: электропроводящей обмотки и магнитопровода.
В качестве электропроводника вторичная обмотка (4) является индукционной катушкой высокого напряжения повышающего трансформатора.
В качестве магнитопровода вторичная обмотка (4) является сердечником для первичной обмотки (2) классической индукционной катушки.
Первичная (1) и вторичной (4) обмотки однофазного повышающего трансформатора и снабжены двумя или более проводниками (5), проводники вторичной обмотки имеют вывод (6) - т.е. ЭДС снимают посредством проводников (5, 6), электрически подсоединенных к концам ленты вторичной обмотки, и получают за счет периодического срабатывания ключа-прерывателя (3). Причем токи, возникающие во вторичной обмотке, рассчитывают по формуле
где L - индуктивность цепи или коэффициент пропорциональности между скоростью изменения силы тока в контуре первичной обмотки (1) и возникающей вследствие этого ЭДС самоиндукции во вторичной обмотке (2),
- скорость изменения силы тока в электрической цепи первичной обмотки (1) за счет ключа-прерывателя (3).
Периодическое срабатывание ключа-прерывателя (3) осуществляют с промышленной частотой переменного тока 50 Гц. Расчетную ЭДС самоиндукции во вторичной обмотке (4) обеспечивают геометрией контура вторичной обмотки (4) и магнитными свойствами сердечника (4) для первичной обмотки (1).
Форма контура, полученного первичной (1) и вторичной (4) обмотками, в представленном варианте выполнена круглой диаметром 150 мм и более.
Устройство работает следующим образом.
При замыкании ключом (3) электрической цепи первичной обмотки (1) возникает магнитное поле, энергия которого запасается в магнитном поле вторичной обмотки (4).
Размыкание ключа (3) цепи первичной обмотки (1) образует убывающий ток, который по правилу Ленца стремится поддержать ЭДС наведенной индукции вторичной обмотки (4).
В результате запасенная в магнитном поле вторичной обмотки (4) энергия преобразуется в дополнительную энергию тока самоиндукции первичной обмотки (1), запитавшей электрическую цепь вторичной обмотки (4).
В зависимости от количества запасенной в цепи вторичной обмотки (4) магнитной энергии мощность тока самоиндукции может быть различной и определяется по известной формуле:
Таким образом, данным изобретением достигается технический результат, состоящий в том, что конструкция, материал и двойное функциональное назначение вторичной обмотки устройства позволяет снимать и эффективно использовать возникающую ЭДС самоиндукции.
Промышленная применимость предложенного технического решения подтверждается общими правилами физики. Так, эффект самоиндукции описан в учебнике (Л.С. Жданов, В.А. Маранджян, курс физики для средних специальных заведений, ч. 2 электричество, изд. Третье, стереотипное, главная редакция физико-математической литературы, М., 1970 г., стр.231,232,233). Самоиндукция возникает при размыкании цепи, она прямо пропорциональна скорости изменения силы тока в электрической цепи. В традиционных схемах явление самоиндукции всегда сопровождается возникновением искры, возникающей в месте разрыва цепи. Поскольку в предложенной конструкции нет разрыва электрической цепи во вторичной обмотке (4) благодаря ее конструкции, в зависимости от количества запасенной в этой цепи магнитной энергии, ток размыкания не осуществляет искрение, а переходит в генерированную мощность. Таким образом, в конструкции вторичной обмотки (4) при размыкании цепи постоянного тока в первичной обмотке (1) запасенная в магнитном поле этой цепи энергия превращается в энергию тока самоиндукции в цепи вторичной обмотки (4).
Поскольку электродвижущей силой (ЭДС) называют величину, равную работе сторонних сил, в нашем случае - это изменяющееся магнитное поле первичной катушки (1), отнесенной к единице положительного заряда, это и есть ЭДС, действующая в цепи или на ее участке, в нашем случае - это вторичная обмотка (4). Сторонние силы можно охарактеризовать работой, которую они совершают над перемещающимися по цепи зарядами, и размерность ЭДС совпадает с размерностью потенциала и измеряется в тех же единицах. Поэтому векторную величину Е еще называют напряженностью поля сторонних сил. Поле сторонних сил в нашем случае возникает за счет переменного магнитного поля в первичной обмотке (1). Таким образом, ЭДС, действующая в замкнутой цепи, может быть определена как циркуляция вектора напряженности поля сторонних сил, т.е. сторонних сил, возникающих в первичной обмотке (1) за счет прерывания электрического поля ключом-прерывателем (3). Данное правило обеспечивает возникновение ЭДС индукции во вторичной обмотке (4). Это физическое явление описано в в учебнике (И.В. Савельев, Курс физики, том 2, электричество, стр.84,85, изд. Второе стереотипное, изд. Наука, главная редакция физико-математической литературы, М., 1966 г.).
Кроме сторонних сил, на заряд действуют силы электростатического поля, которые возникают непосредственно во вторичной катушке (4).
Устройство также использует явление электромагнитной индукции, описанной в (Р.А. Мустафаев, В.Г. Кривцов, учебник, физика, в помощь поступающим в ВУЗы, изд. М., Высшая школа, 1989 г.).
Таким образом, используемая в предложенном изобретении конструкция генератора как устройство позволяет эффективно генерировать, снимать и использовать ЭДС самоиндукции. Таким образом, устройство может быть изготовлено промышленным способом и внедряться в качестве перспективного эффективного импульсного генератора ЭДС самоиндукции, который позволяет расширить арсенал технических средств для импульсного генерирования и преобразования электроэнергии.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Импульсный генератор эдс самоиндукции, конструктивно исполненный в виде однофазного повышающего трансформатора, состоящего из первичной и вторичной обмоток и снабжен двумя или более проводниками, которые разделены диэлектриком, а проводник имеет выводы, отличающийся тем, что первичная обмотка низкого напряжения выполнена спирально-ленточной и имеет по меньшей мере два витка, намотанных плотно или на небольшом расстоянии друг от друга, лента обмотки выполнена шириной 120-200 мм и толщиной 1-2 мм; вторичная обмотка высокого напряжения также выполнена спирально-ленточной, лента обмотки выполнена из электротехнической стали, покрытой электроизоляцией, имеет по меньшей мере 100 витков, намотанных плотно или на небольшом расстоянии друг от друга, лента выполнена шириной 120-200 мм и толщиной не более 0,1 мм, первичная обмотка электрически соединена с аккумуляторной батареей низкого напряжения через ключ-прерыватель с образованием замкнутой электрической цепи, а вторичная обмотка является одновременно электропроводящей обмоткой и магнитопроводом, при этом витки первичной обмотки расположены снаружи витков вторичной обмотки таким образом, что обе обмотки образуют повышающий трансформатор, в котором вторичная обмотка является индукционной катушкой повышающего трансформатора, обеспечивая электропроводность за счет ленты из электротехнической стали, изолированной внешним слоем изоляции, и одновременно выполняет функцию сердечника для первичной обмотки, эдс снимают посредством проводников, электрически подсоединенных к концам ленты вторичной обмотки, и получают за счет периодического срабатывания ключа-прерывателя.
2. Импульсный генератор эдс самоиндукции по п.1, отличающийся тем, что первичная обмотка выполнена из медного или алюминиевого проводника.
3. Импульсный генератор эдс самоиндукции по п.1, отличающийся тем, что первичная обмотка имеет три витка.
4. Импульсный генератор эдс самоиндукции по п.1, отличающийся тем, что аккумуляторная батарея низкого напряжения рассчитана на 12-24 вольт и является источником постоянного тока.
5. Импульсный генератор эдс самоиндукции по п.1, отличающийся тем, что периодическое срабатывание ключа-прерывателя осуществляют с промышленной частотой переменного тока 50 Гц.
6. Импульсный генератор эдс самоиндукции по п.1, отличающийся тем, что расчетную эдс самоиндукции обеспечивают геометрией контура и магнитными свойствами сердечника для первичной обмотки.
7. Импульсный генератор эдс самоиндукции по п.1, отличающийся тем, что форма контура выполнена круглой диаметром 150 мм и более.
Электромагнитная индукция – генерирование электротоков магнитными полями, изменяющимися во времени. Открытие Фарадеем и Генри этого феномена ввело определенную симметрию в мир электромагнетизма. Максвеллу в одной теории удалось собрать знания об электричестве и магнетизме. Его исследования предсказывали существование электромагнитных волн перед экспериментальными наблюдениями. Герц доказал их существование и открыл человечеству эпоху телекоммуникаций.
Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/1-14-210x140..jpg 614w" sizes="(max-width: 600px) 100vw, 600px">
Эксперименты Фарадея
Законы Фарадея и Ленца
Электрические токи создают магнитные эффекты. А возможно ли, чтобы магнитное поле порождало электрическое? Фарадей обнаружил, что искомые эффекты возникают вследствие изменения МП во времени.
Когда проводник пересекается переменным магнитным потоком, в нем индуцируется электродвижущая сила, вызывающая электроток. Системой, которая генерирует ток, может быть постоянный магнит или электромагнит.
Явление электромагнитной индукции регулируется двумя законами: Фарадея и Ленца.
Закон Ленца позволяет охарактеризовать электродвижущую силу относительно ее направленности.
Важно! Направление индуцированной ЭДС такое, что вызванный ею ток стремится противостоять создающей его причине.
Фарадей заметил, что интенсивность индуцированного тока растет, когда быстрее изменяется число силовых линий, пересекающих контур. Другими словами, ЭДС электромагнитной индукции находится в прямой зависимости от скорости движущегося магнитного потока.
Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/2-10-768x454..jpg 960w" sizes="(max-width: 600px) 100vw, 600px">
ЭДС индукции
Формула ЭДС индукции определена как:
Е = — dФ/dt.
Знак «-» показывает, как полярность индуцированной ЭДС связана со знаком потока и меняющейся скоростью.
Получена общая формулировка закона электромагнитной индукции, из которой можно вывести выражения для частных случаев.
Движение провода в магнитном поле
Когда провод длиной l движется в МП, имеющем индукцию В, внутри него будет наводиться ЭДС, пропорциональная его линейной скорости v. Для расчета ЭДС применяется формула:
- в случае движения проводника перпендикулярно направлению магнитного поля:
Е = — В x l x v;
- в случае движения под другим углом α:
Е = — В x l x v х sin α.
Индуцированная ЭДС и ток будут направлены в сторону, которую находим, пользуясь правилом правой руки: расположив руку перпендикулярно силовым линиям магнитного поля и указывая большим пальцем в сторону перемещения проводника, можно узнать направление ЭДС по оставшимся четырем распрямленным пальцам.
Jpg?x15027" alt="Перемещение провода в МП" width="600" height="429">
Перемещение провода в МП
Вращающаяся катушка
Работа генератора электроэнергии основана на вращении контура в МП, имеющего N витков.
ЭДС индуцируется в электроцепи всегда, когда магнитный поток ее пересекает, в соответствии с определением магнитного потока Ф = B x S х cos α (магнитная индукция, умноженная на поверхностную площадь, через которую проходит МП, и косинус угла, образованного вектором В и перпендикулярной линией к плоскости S).
Из формулы следует, что Ф подвержен изменениям в следующих случаях:
- меняется интенсивность МП – вектор В;
- варьируется площадь, ограниченная контуром;
- изменяется ориентация между ними, заданная углом.
В первых опытах Фарадея индуцированные токи были получены путем изменения магнитного поля В. Однако можно индуцировать ЭДС, не двигая магнит или не меняя ток, а просто вращая катушку вокруг своей оси в МП. В данном случае магнитный поток меняется из-за изменения угла α. Катушка при вращении пересекает линии МП, возникает ЭДС.
Если катушка вращается равномерно, это периодическое изменение приводит к периодическому изменению магнитного потока. Или количество силовых линий МП, пересекаемых каждую секунду, принимает равные значения с равными интервалами времени.
Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/4-10-768x536..jpg 900w" sizes="(max-width: 600px) 100vw, 600px">
Вращение контура в МП
Важно! Наведенная ЭДС меняется вместе с ориентацией с течением времени от положительной до отрицательной и наоборот. Графическое представление ЭДС представляет собой синусоидальную линию.
Для формулы ЭДС электромагнитной индукции применяется выражение:
Е = В х ω х S x N x sin ωt, где:
- S – площадь, ограниченная одним витком или рамкой;
- N – количество витков;
- ω – угловая скорость, с которой вращается катушка;
- В – индукция МП;
- угол α = ωt.
На практике в генераторах переменного тока часто катушка остается неподвижной (статор), а электромагнит вращается вокруг нее (ротор).
ЭДС самоиндукции
Когда через катушку проходит переменный ток, он генерирует переменное МП, обладающее изменяющимся магнитным потоком, индуцирующим ЭДС. Этот эффект называется самоиндукцией.
Поскольку МП пропорционально интенсивности тока, то:
где L – индуктивность (Гн), определяемая геометрическими величинами: количеством витков на единицу длины и размерами их поперечного сечения.
Для ЭДС индукции формула принимает вид:
Е = — L x dI/dt.
Взаимоиндукция
Если две катушки расположены рядом, то в них наводится ЭДС взаимоиндукции, зависящая от геометрии обеих схем и их ориентации относительно друг друга. Когда разделение цепей возрастает, взаимоиндуктивность снижается, так как уменьшается соединяющий их магнитный поток.
Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/5-5.jpg 680w" sizes="(max-width: 600px) 100vw, 600px">
Взаимоиндукция
Пусть имеется две катушки. По проводу одной катушки, обладающей N1 витками, протекает ток I1, создающий МП, проходящее через катушку с N2 витками. Тогда:
- Взаимоиндуктивность второй катушки относительно первой:
М21 = (N2 x F21)/I1;
- Магнитный поток:
Ф21 = (М21/N2) x I1;
- Найдем индуцированную ЭДС:
Е2 = — N2 x dФ21/dt = — M21x dI1/dt;
- Идентично в первой катушке индуцируется ЭДС:
Е1 = — M12 x dI2/dt;
Важно! Электродвижущая сила, вызванная взаимоиндукцией в одной катушке, всегда пропорциональна изменению электротока в другой.
Взаимную индуктивность можно признать равной:
М12 = М21 = М.
Соответственно, E1 = — M x dI2/dt и E2 = M x dI1/dt.
М = К √ (L1 x L2),
где К – коэффициент связи между двумя индуктивностями.
Явление взаимоиндукции используется в трансформаторах – электроаппаратах, позволяющих изменить значение напряжения переменного электротока. Аппарат представляет собой две катушки, намотанные вокруг одного сердечника. Ток, присутствующий в первой, создает меняющееся МП в магнитопроводе и электроток в другой катушке. Если количество витковых оборотов первой обмотки меньше, чем другой, напряжение увеличивается, и наоборот.
