Samoindukcia: definícia, vzorec, praktická aplikácia

"Samoindukcia zastaví nárast napätia v indukčných obvodoch." Ak je vaša práca alebo záľuba spojená s elektrinou, určite ste už takéto výroky počuli. V skutočnosti je tento jav vlastný indukčným obvodom, a to explicitne, napríklad cievky, aj implicitne, ako sú parazitné parametre kábla. V tomto článku si jednoducho vysvetlíme, čo je to samoindukcia a kde sa uplatňuje.

Definícia

Samoindukcia je výskyt elektromotorickej sily (EMF) nasmerovanej v opačnom smere vzhľadom na napätie zdroja energie, keď prúdi prúd. Navyše k tomu dochádza v okamihu, keď sa mení prúd v obvode. Meniaci sa elektrický prúd generuje meniace sa magnetické pole, ktoré následne indukuje EMF vo vodiči.

Je to podobné formulácii Faradayovho zákona elektromagnetickej indukcie, ktorý hovorí:

Keď magnetický tok prechádza vodičom, vzniká v ňom EMF. Je úmerná rýchlosti zmeny magnetického toku (mat. časová derivácia).

To je:

E = dФ / dt,

Kde E je EMF samoindukcie, merané vo voltoch, F je magnetický tok, jednotka merania je Wb (weber, rovná sa tiež V / s)

Indukčnosť

Už sme povedali, že samoindukcia je vlastná indukčným obvodom, preto budeme uvažovať o fenoméne samoindukcie na príklade induktora.

Induktor je prvok, ktorý je izolovanou cievkou vodiča. Na zvýšenie indukčnosti sa zvýši počet závitov alebo sa vnútri cievky umiestni jadro vyrobené z mäkkého magnetického alebo iného materiálu.

Mernou jednotkou indukčnosti je Henry (H). Indukčnosť sa vzťahuje na to, ako silne vodič odoláva elektrickému prúdu. Keďže okolo každého vodiča, ktorým preteká prúd, vzniká magnetické pole a ak vodič umiestnite do striedavého poľa, vznikne v ňom prúd. Na druhej strane sa pridávajú magnetické polia každého závitu cievky. Potom okolo cievky, cez ktorú preteká prúd, vznikne silné magnetické pole. Keď sa v cievke zmení jej sila, zmení sa aj magnetický tok okolo nej.

Podľa Faradayovho zákona elektromagnetickej indukcie, ak do cievky prenikne striedavý magnetický tok, potom v nej vznikne prúd a EMF samoindukcie. Zabránia toku prúdu v induktore z napájacieho zdroja do záťaže. Nazývajú sa tiež samoindukčné extraprúdy EMF.

Vzorec EMF vlastnej indukčnosti na indukčnosti je:

To znamená, že čím väčšia je indukčnosť a čím viac a rýchlejšie sa prúd mení, tým silnejší bude nárast EMF.

So zvýšením prúdu v cievke vzniká EMF samoindukcie, ktorá je nasmerovaná proti napätiu napájacieho zdroja, respektíve nárast prúdu sa spomalí. To isté sa stane pri znižovaní - samoindukcia povedie k vzniku EMF, ktorý bude udržiavať prúd v cievke v rovnakom smere ako predtým. Z toho vyplýva, že napätie na svorkách cievky bude opačné ako je polarita napájacieho zdroja.

Na obrázku nižšie môžete vidieť, že keď je indukčný obvod zapnutý / vypnutý, prúd nevzniká náhle, ale postupne sa mení. Hovoria o tom aj zákony komutácie.

Ďalšia definícia indukčnosti znie takto: magnetický tok je úmerný prúdu, ale vo svojom vzorci pôsobí indukčnosť ako koeficient úmernosti.

Ф = L * I

Transformátor a vzájomná indukcia

Ak umiestnite dve cievky v tesnej blízkosti napríklad na jedno jadro, bude pozorovaný jav vzájomnej indukcie. Prejdeme striedavý prúd cez prvý, potom jeho striedavý prúd prenikne do závitov druhého a na jeho výstupoch sa objaví EMF.

Tento EMF bude závisieť od dĺžky drôtu, respektíve od počtu závitov, ako aj od veľkosti magnetickej permeability média. Ak ich umiestnite tesne vedľa seba, EMF bude nízke a ak vezmete jadro vyrobené z mäkkej magnetickej ocele, EMF bude oveľa vyššie. V skutočnosti takto funguje transformátor.

zaujímavé: tento vzájomný vplyv cievok na seba sa nazýva indukčná väzba.

Úžitok a škoda

Ak rozumiete teoretickej časti, stojí za zváženie, kde sa v praxi uplatňuje fenomén samoindukcie. Pozrime sa na príklady toho, čo vidíme v každodennom živote a technológiách. Jednou z najužitočnejších aplikácií je transformátor, už sme diskutovali o princípe jeho fungovania. Teraz sa ich nachádza čoraz menej, ale predtým sa v lampách denne používali žiarivky. Princíp ich práce je založený na fenoméne samoindukcie. Jej schémy si môžete pozrieť nižšie.

Po priložení napätia prúdi obvodom: fáza - tlmivka - špirála - štartér - špirála - nula.

Alebo naopak (fáza a nula). Po spustení štartéra sa jeho kontakty otvoria plyn (cievka s veľkou indukčnosťou) sa snaží udržať prúd v rovnakom smere, indukuje samoindukciu EMF veľkej hodnoty a lampy sa zapália.

Podobne sa tento jav týka zapaľovacieho okruhu automobilu alebo motocykla, ktorý je poháňaný benzínom. V nich je v medzere medzi induktorom a mínusom (hmotnosť) inštalovaný mechanický (prerušovač) alebo polovodičový spínač (tranzistor v ECU). Tento kľúč v momente, keď sa vo valci musí vytvoriť iskra na zapálenie paliva, preruší napájací obvod cievky. Potom energia uložená v jadre cievky spôsobí zvýšenie EMF samoindukcie a napätia naprieč elektróda sviečky sa zväčšuje, kým nedôjde k poruche iskriska, alebo kým nedohorie cievka.

V napájacích zdrojoch a audio zariadeniach je často potrebné zo signálu odstrániť nadmerné zvlnenie, šum alebo frekvenciu. Na tento účel sa používajú filtre rôznych konfigurácií. Jednou z možností sú LC, LR filtre. Zabránením rastu prúdu, respektíve odporu striedavého prúdu je možné dosiahnuť stanovené ciele.

Samoindukčné EMF poškodenie kontaktov spínačov, ističov, zásuviek, ističov a iných vecí. Možno ste si všimli, že keď vytiahnete zástrčku fungujúceho vysávača zo zásuvky, veľmi často sa v nej objaví záblesk. Toto je odpor voči zmene prúdu v cievke (v tomto prípade vinutie motora).

V polovodičových spínačoch je situácia kritickejšia - dokonca aj malá indukčnosť v obvode môže viesť k ich poruche, keď sa dosiahnu špičkové hodnoty Uke alebo Usi. Na ich ochranu sú nainštalované tlmiace obvody, na ktorých sa rozptýli energia indukčných výbojov.

Záver

Poďme si to zhrnúť. Podmienky pre vznik samoindukčného EMF sú: prítomnosť indukčnosti v obvode a zmena prúdu v záťaži. K tomu môže dôjsť ako v prevádzke, pri zmene režimov alebo rušivých vplyvov, tak aj pri spínaní zariadení. Tento jav môže poškodiť kontakty relé a štartérov, čo vedie k iskrenie pri otváraní indukčných obvodov, ako sú elektromotory. Na zníženie negatívneho vplyvu je väčšina spínacích zariadení vybavená oblúkovými žľabmi.

Na užitočné účely sa jav EMF používa pomerne často, od filtra až po vyhladenie zvlneného prúdu a frekvenčný filter v audio zariadeniach, k transformátorom a vysokonapäťovým zapaľovacím cievkam v automobiloch.

Na záver odporúčame pozrieť si užitočné video na túto tému, ktoré stručne a podrobne rozoberá fenomén samoindukcie:

Dúfame, že teraz pochopíte, čo je samoindukcia, ako sa prejavuje a kde sa dá použiť. Ak máte nejaké otázky, opýtajte sa ich v komentároch pod článkom!

Súvisiace materiály:

• Vlastnosti a charakteristiky elektrického poľa
• Faradayove zákony v chémii a fyzike
• Rozloženie nábojov vo vodiči