Samoindukce: definice, vzorec, praktická aplikace

"Samoindukce zastavuje nárůst napětí v indukčních obvodech." Pokud je vaše práce nebo koníček spjatý s elektřinou, pravděpodobně jste takové výroky slyšeli. Ve skutečnosti je tento jev vlastní indukčním obvodům, a to jak explicitně, například cívky, tak implicitně, jako jsou parazitní parametry kabelu. V tomto článku si jednoduše vysvětlíme, co je to samoindukce a kde se uplatňuje.

Definice

Samoindukce je výskyt elektromotorické síly (EMF) ve vodiči nasměrované v opačném směru vzhledem k napětí zdroje energie, když teče proud. Navíc k němu dochází v okamžiku, kdy se mění proud v obvodu. Měnící se elektrický proud generuje měnící se magnetické pole, které zase indukuje EMF ve vodiči.

To je podobné formulaci Faradayova zákona elektromagnetické indukce, který říká:

Když magnetický tok prochází vodičem, vzniká v něm EMF. Je úměrná rychlosti změny magnetického toku (mat. derivace času).

to je:

E = dФ / dt,

Kde E je EMF samoindukce, měřeno ve voltech, F je magnetický tok, jednotka měření je Wb (weber, je také rovna V / s)

Indukčnost

Již jsme řekli, že samoindukce je vlastní indukčním obvodům, proto budeme uvažovat o jevu samoindukce na příkladu induktoru.

Induktor je prvek, který je izolovanou cívkou vodiče. Pro zvýšení indukčnosti se zvýší počet závitů nebo se uvnitř cívky vloží jádro z měkkého magnetického nebo jiného materiálu.

Měrnou jednotkou pro indukčnost je Henry (H). Indukčnost označuje, jak silně vodič odolává elektrickému proudu. Jelikož kolem každého vodiče, kterým protéká proud, vzniká magnetické pole a pokud vodič umístíte do pole střídavého, vznikne v něm proud. Na druhé straně se sčítají magnetická pole každého závitu cívky. Poté kolem cívky, kterou protéká proud, vznikne silné magnetické pole. Když se v cívce změní její síla, změní se i magnetický tok kolem ní.

Podle Faradayova zákona elektromagnetické indukce, pokud cívkou pronikne střídavý magnetický tok, pak v ní vznikne proud a EMF samoindukce. Zabrání tomu, aby proud v induktoru procházel z napájecího zdroje do zátěže. Nazývají se také samoindukční EMF extraproudy.

Vzorec EMF pro vlastní indukčnost na indukčnosti je:

To znamená, že čím větší je indukčnost a čím více a rychleji se proud měnil, tím silnější bude ráz EMF.

Se zvýšením proudu v cívce vzniká EMF samoindukce, která je namířena proti napětí napájecího zdroje, respektive nárůst proudu se zpomalí. Totéž se děje při snižování - samoindukce povede ke vzniku EMF, který bude udržovat proud v cívce ve stejném směru jako předtím. Z toho vyplývá, že napětí na svorkách cívky bude opačné než je polarita napájecího zdroje.

Na obrázku níže můžete vidět, že když je indukční obvod zapnut / vypnut, proud nevzniká náhle, ale mění se postupně. Hovoří o tom i zákony komutace.

Další definice indukčnosti zní takto: magnetický tok je úměrný proudu, ale ve svém vzorci působí indukčnost jako koeficient úměrnosti.

Ф = L * I

Transformátor a vzájemná indukce

Pokud umístíte dvě cívky v těsné blízkosti např. na jedno jádro, pak bude pozorován jev vzájemné indukce. Necháme projít střídavý proud prvním, pak jeho střídavý proud pronikne do závitů druhého a na jeho výstupech se objeví EMF.

Toto EMF bude záviset na délce drátu, respektive počtu závitů, a také na velikosti magnetické permeability média. Pokud je umístíte těsně vedle sebe, EMF bude nízké, a pokud vezmete jádro z měkké magnetické oceli, EMF bude mnohem vyšší. Ve skutečnosti takto funguje transformátor.

Zajímavý: toto vzájemné ovlivňování cívek na sebe se nazývá indukční vazba.

Prospěch a škoda

Pokud rozumíte teoretické části, stojí za zvážení, kde se fenomén samoindukce uplatňuje v praxi. Podívejme se na příklady toho, co vidíme v každodenním životě a technologii. Jednou z nejužitečnějších aplikací je transformátor, o principu jeho fungování jsme již hovořili. Nyní se jich vyskytuje stále méně a méně, ale dříve se zářivkové trubicové lampy používaly v lampách denně. Princip jejich práce je založen na fenoménu samoindukce. Její schémata si můžete prohlédnout níže.

Po přiložení napětí protéká proud obvodem: fáze - tlumivka - spirála - startér - spirála - nula.

Nebo naopak (fáze a nula). Po spuštění startéru se jeho kontakty rozepnou plynu (cívka s velkou indukčností) se snaží udržet proud ve stejném směru, indukuje samoindukci EMF velké hodnoty a výbojky se zapálí.

Podobně se tento jev týká zapalovacího okruhu automobilu nebo motocyklu, který jezdí na benzín. V nich je v mezeře mezi induktorem a mínusem (hmotnost) instalován mechanický (přerušovač) nebo polovodičový spínač (tranzistor v ECU). Tento klíč v okamžiku, kdy se ve válci musí vytvořit jiskra k zapálení paliva, přeruší napájecí obvod cívky. Pak energie uložená v jádru cívky způsobí zvýšení EMF samoindukce a napětí napříč elektroda svíčky se zvětšuje, dokud nedojde k poruše jiskřiště nebo dokud nedohoří cívka.

U napájecích zdrojů a audio zařízení je často nutné ze signálu odstranit nadměrné zvlnění, šum nebo frekvenci. K tomu se používají filtry různých konfigurací. Jednou z možností jsou LC, LR filtry. Zabráněním růstu proudu, respektive odporu střídavého proudu, lze dosáhnout stanovených cílů.

Samoindukční EMF poškození kontaktů spínačů, jističů, zásuvek, jističů a dalších věcí. Možná jste si všimli, že když vytáhnete zástrčku fungujícího vysavače ze zásuvky, velmi často je uvnitř patrný záblesk. Jedná se o odpor proti změně proudu v cívce (v tomto případě vinutí motoru).

U polovodičových spínačů je situace kritičtější - i malá indukčnost v obvodu může vést k jejich zhroucení, když jsou dosaženy špičkové hodnoty Uke nebo Usi. K jejich ochraně jsou instalovány odlehčovací obvody, na kterých se rozptyluje energie indukčních výbojů.

Závěr

Pojďme si to shrnout. Podmínky pro vznik samoindukčního EMF jsou: přítomnost indukčnosti v obvodu a změna proudu v zátěži. K tomu může dojít jak v provozu, při změně režimů nebo rušivých vlivů, tak při spínání zařízení. Tento jev může poškodit kontakty relé a startérů, jak to vede k jiskření při otevírání indukčních obvodů, jako jsou elektromotory. Pro snížení negativního dopadu je většina spínacích zařízení vybavena zhášecími komorami.

Pro užitečné účely se fenomén EMF používá poměrně často, od filtru k vyhlazení zvlnění proudu a frekvenční filtr v audio zařízení, transformátory a vysokonapěťové zapalovací cívky v automobilech.

Na závěr doporučujeme zhlédnout užitečné video na dané téma, které stručně a podrobně pojednává o fenoménu samoindukce:

Doufáme, že nyní chápete, co je to samoindukce, jak se projevuje a kde ji lze použít. Pokud máte nějaké dotazy, zeptejte se je v komentářích pod článkem!

Související materiály:

• Vlastnosti a charakteristiky elektrického pole
• Faradayovy zákony v chemii a fyzice
• Rozložení nábojů ve vodiči