3.2. Явление самоиндукции.
Вокруг любого проводника с током существует собственное магнитное поле, которое пронизывает этот проводник. При изменении тока в контуре также меняется и собственный магнитный поток через сам этот контур. Отсюда следует, что в контуре индуцируется э.д.с. и появляется дополнительный индукционный ток. Возникающая в таких случаях э.д.с., называется э.д.с. самоиндукции, а само явление – явлением самоиндукции.
Самоиндукция – это частный случай электромагнитной индукции. В соответствии с законом Био-Савара-Лапласа магнитная индукция В пропорциональна силе тока, вызывающего это поле. Отсюда следует, что полный магнитный поток Фm, сцепленный с контуром, должен быть пропорционален силе тока I в контуре: Фm = LI. Коэффициент пропорциональности L между силой тока и магнитным потоком называется индуктивностью контура. Индуктивность зависит от геометрии контура (от его формы и размеров), а также от магнитной проницаемости окружающей контур среды. Если контур жесткий и поблизости от него нет ферромагнетиков, то его индуктивность – постоянная величина L=const. Единицей измерения индуктивности в СИ является генри (Г): 1Г - индуктивность такого контура, у которого при силе текущего в нем тока 1А возникает сцепленный с ним полный магнитный поток, равный 1Вб.
Наиболее значительной индуктивностью обладает катушка индуктивности, состоящая из изолированного проводника, свернутого в спираль. Она используется в качестве одного из основных элементов колебательных контуров, накопителей электрической энергии и источников магнитного поля. Катушки индуктивности наводят импульсное (переменное) магнитное поле при магнитно-импульсной обработке продуктов питания, находящихся в стеклянных, бумажных или полиэтиленовых контейнерах. Этот современный метод позволяет, например, пастеризовать пиво так, что его срок хранения увеличивается в 7 раз. Единичный магнитный импульс уменьшает популяцию микроорганизмов, содержащихся в продуктах, на три порядка.
В качестве примера вычислим индуктивность соленоида. Пусть длина соленоида будет во много раз больше диаметра его витков, тогда его можно считать практически бесконечным. При протекании по виткам тока Iвнутри соленоида появляется однородное магнитное поле, индукция которого равна В = μμ0Ιn, гдеn- число витков на единицу длины соленоида. Магнитный поток через каждый из витков по отдельности равен Фm1= ВS, гдеS– площадь витка. Тогда полный магнитный поток через соленоид составит:
Фm=NФm=nℓBS=nℓμμ0nIS=n2ℓμμ0ΙS
Произведение n·ℓ дает полное число витков соленоидаN. Сопоставив полученное выражение с Фm=LI, получим, что индуктивность соленоидаL=n2ℓμμ0S=n2μμ0V(гдеV= ℓ·S– это объем соленоида). Следовательно, индуктивность соленоида пропорциональна квадрату числа витков на единицу длины, объему соленоида и магнитной проницаемости среды, в которой он находится.
Э.д.с. самоиндукции вычисляется следующим образом:
По правилу Ленца дополнительные токи
самоиндукции всегда направлены так,
чтобы противодействовать изменениям
основного тока в цепи. Это приводит к
тому, что установление тока при замыкании
цепи (т.е. его возрастание от нуля) и
убывание при размыкании происходит
не мгновенно, а постепенно. В данной
ситуации процессам возрастания и
убывания тока препятствует ток
самоиндукции и индуктивность контура
является мерой его инертности по
отношению к изменению тока. При быстром
размыкании электрической цепи возникает
большая э.д.с. самоиндукции, которая
может вызвать пробой воздушного зазора
(искру) между контактами выключателя и
вывести его из строя.
2.13 Явление взаимной индукции.