Samoindukcja: definicja, formuła, praktyczne zastosowanie

„Indukcja własna zatrzymuje wzrost napięcia w obwodach indukcyjnych”. Jeśli Twoja praca lub hobby związane jest z elektrycznością, to zapewne słyszałeś takie stwierdzenia. W rzeczywistości zjawisko to jest nieodłącznie związane z obwodami indukcyjnymi, zarówno jawnie, np. cewki, jak i niejawnie, np. pasożytnicze parametry kabla. W tym artykule wyjaśnimy w prosty sposób, czym jest autoindukcja i gdzie jest stosowana.

Definicja

Indukcja własna to pojawienie się w przewodzie siły elektromotorycznej (EMF) skierowanej w przeciwnym kierunku w stosunku do napięcia źródła zasilania, gdy płynie prąd. Co więcej, występuje w momencie zmiany prądu w obwodzie. Zmieniający się prąd elektryczny generuje zmienne pole magnetyczne, które z kolei indukuje pole elektromagnetyczne w przewodniku.

Jest to podobne do sformułowania prawa indukcji elektromagnetycznej Faradaya, które mówi:

Kiedy strumień magnetyczny przechodzi przez przewodnik, w tym drugim powstaje pole elektromagnetyczne. Jest proporcjonalna do szybkości zmian strumienia magnetycznego (mat. pochodna czasu).

To jest:

E = dФ / dt,

Gdzie E jest polem elektromagnetycznym indukcji własnej, mierzonym w woltach, F jest strumieniem magnetycznym, jednostką miary jest Wb (weber, jest również równy V / s)

Indukcyjność

Powiedzieliśmy już, że samoindukcja jest nieodłączna w obwodach indukcyjnych, dlatego rozważymy zjawisko samoindukcji na przykładzie cewki indukcyjnej.

Cewka indukcyjna to element będący izolowaną cewką przewodnika. Aby zwiększyć indukcyjność, zwiększa się liczbę zwojów lub umieszcza się rdzeń z miękkiego magnesu lub innego materiału wewnątrz cewki.

Jednostką miary indukcyjności jest Henry (H). Indukcyjność odnosi się do tego, jak silnie przewodnik opiera się prądowi elektrycznemu. Ponieważ wokół każdego przewodnika, przez który przepływa prąd, powstaje pole magnetyczne, a jeśli umieścisz przewodnik w polu przemiennym, pojawi się w nim prąd. Z kolei pola magnetyczne każdego zwoju cewki są dodawane. Wtedy wokół cewki, przez którą przepływa prąd, powstanie silne pole magnetyczne. Kiedy zmienia się jego siła w cewce, zmienia się również strumień magnetyczny wokół niej.

Zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej Faradaya, jeśli zmienny strumień magnetyczny przeniknie cewkę, wówczas powstanie w niej prąd i pole elektromagnetyczne indukcji własnej. Zapobiegają przepływowi prądu w cewce z zasilacza do obciążenia. Nazywa się je również samoindukującymi się dodatkowymi prądami EMF.

Wzór EMF na indukcyjność własną na indukcyjność to:

Oznacza to, że im większa indukcyjność i im szybciej zmienia się prąd, tym silniejszy będzie wzrost pola elektromagnetycznego.

Wraz ze wzrostem prądu w cewce powstaje pole elektromagnetyczne samoindukcji, które jest skierowane odpowiednio przeciwko napięciu źródła zasilania, wzrost prądu ulegnie spowolnieniu. To samo dzieje się przy zmniejszaniu - indukcja własna doprowadzi do pojawienia się pola elektromagnetycznego, które utrzyma prąd w cewce w tym samym kierunku, co poprzednio. Wynika z tego, że napięcie na zaciskach cewki będzie przeciwne do biegunowości zasilacza.

Na poniższym rysunku widać, że gdy obwód indukcyjny jest włączany / wyłączany, prąd nie pojawia się nagle, ale zmienia się stopniowo. Mówią o tym również prawa komutacji.

Inna definicja indukcyjności brzmi tak: strumień magnetyczny jest proporcjonalny do prądu, ale w swojej formule indukcyjność działa jako współczynnik proporcjonalności.

Ф = L * I

Transformator i wzajemna indukcja

Jeśli umieścisz dwie cewki w bliskiej odległości, na przykład na jednym rdzeniu, to zostanie zaobserwowane zjawisko wzajemnej indukcji. Przepuśćmy prąd przemienny przez pierwszy, a następnie jego prąd przemienny przeniknie przez zwoje drugiego, a na jego wyjściach pojawi się pole elektromagnetyczne.

Ta siła elektromotoryczna będzie zależeć od odpowiednio długości drutu, liczby zwojów, a także od wielkości przepuszczalności magnetycznej ośrodka. Jeśli umieścisz je tuż obok siebie, pole elektromagnetyczne będzie niskie, a jeśli weźmiesz rdzeń z miękkiej stali magnetycznej, pole elektromagnetyczne będzie znacznie wyższe. Właściwie tak działa transformator.

Interesujący: to wzajemne oddziaływanie cewek na siebie nazywa się sprzężeniem indukcyjnym.

Korzyści i szkody

Jeśli rozumiesz część teoretyczną, warto zastanowić się, gdzie w praktyce znajduje zastosowanie zjawisko samoindukcji. Spójrzmy na przykłady tego, co widzimy w życiu codziennym i technologii. Jedną z najbardziej przydatnych aplikacji jest transformator, omówiliśmy już zasadę jego działania. Obecnie jest ich coraz mniej, ale wcześniej świetlówki rurowe były używane codziennie w lampach. Zasada ich pracy opiera się na zjawisku autoindukcji. Możesz zobaczyć jej schematy poniżej.

Po podaniu napięcia prąd płynie przez obwód: faza - dławik - spirala - rozrusznik - spirala - zero.

Lub odwrotnie (faza i zero). Po uruchomieniu rozrusznika jego styki otwierają się, a następnie przepustnica (cewka o dużej indukcyjności) dąży do utrzymania prądu w tym samym kierunku, indukuje samoindukcyjne pole elektromagnetyczne o dużej wartości i lampy zapalają się.

Podobnie zjawisko to dotyczy obwodu zapłonowego samochodu lub motocykla napędzanego benzyną. W nich przełącznik mechaniczny (wyłącznik) lub półprzewodnikowy (tranzystor w ECU) jest zainstalowany w szczelinie między cewką indukcyjną a minusem (masą). Kluczyk ten w momencie, gdy w cylindrze musi wytworzyć się iskra, aby zapalić paliwo, przerywa obwód zasilania cewki. Wtedy energia zgromadzona w rdzeniu cewki powoduje wzrost sem indukcji własnej i napięcia na poprzek elektroda świecy rośnie do momentu przebicia iskiernika lub do jego przepalenia cewka.

W zasilaczach i sprzęcie audio często konieczne jest usunięcie nadmiernych tętnień, szumów lub częstotliwości z sygnału. W tym celu stosuje się filtry o różnych konfiguracjach. Jedną z opcji są filtry LC, LR. Zapobiegając odpowiednio wzrostowi prądu i rezystancji prądu przemiennego, możliwe jest osiągnięcie wyznaczonych celów.

EMF samoindukcyjne uszkadza styki przełączników, wyłączników, gniazd, wyłączników i innych rzeczy. Być może zauważyłeś, że po odłączeniu wtyczki działającego odkurzacza z gniazdka bardzo często zauważalny jest błysk w jego wnętrzu. Jest to odporność na zmianę prądu w cewce (w tym przypadku uzwojenia silnika).

W przełącznikach półprzewodnikowych sytuacja jest bardziej krytyczna – nawet niewielka indukcyjność w obwodzie może doprowadzić do ich awarii, gdy zostaną osiągnięte wartości szczytowe Uke lub Usi. Aby je chronić, instalowane są obwody tłumiące, na których rozpraszana jest energia impulsów indukcyjnych.

Wniosek

Podsumujmy. Warunkami wystąpienia pola elektromagnetycznego samoindukcyjnego są: obecność indukcyjności w obwodzie i zmiana prądu w obciążeniu. Może się to zdarzyć zarówno podczas pracy, podczas zmiany trybów lub zakłócających wpływów, jak i podczas przełączania urządzeń. Zjawisko to może uszkodzić styki przekaźników i rozruszników, ponieważ prowadzi do: łukowaty podczas otwierania obwodów indukcyjnych, takich jak silniki elektryczne. Aby zmniejszyć negatywny wpływ, większość aparatury łączeniowej jest wyposażona w komory łukowe.

W użytecznych celach zjawisko EMF jest używane dość często, od filtra do wygładzenia tętnień prądu i filtr częstotliwości w sprzęcie audio, do transformatorów i cewek zapłonowych wysokiego napięcia w samochodach.

Na koniec zalecamy obejrzenie przydatnego filmu na ten temat, który krótko i szczegółowo omawia zjawisko samoindukcji:

Mamy nadzieję, że teraz stało się dla Ciebie jasne, czym jest autoindukcja, jak się manifestuje i gdzie można ją wykorzystać. Jeśli masz jakieś pytania, zadaj je w komentarzach pod artykułem!

Powiązane materiały:

• Właściwości i charakterystyka pola elektrycznego
• Prawa Faradaya w chemii i fizyce
• Rozkład ładunków w przewodzie