สาระสำคัญทางกายภาพของปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำตนเอง ที่สาม

เราได้ศึกษาแล้วว่าสนามแม่เหล็กเกิดขึ้นใกล้กับตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน นอกจากนี้เรายังศึกษาว่าสนามแม่เหล็กสลับสร้างกระแส (ปรากฏการณ์ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า) ลองพิจารณาวงจรไฟฟ้า เมื่อความแรงของกระแสเปลี่ยนแปลงในวงจรนี้ สนามแม่เหล็กจะเปลี่ยนไปซึ่งเป็นผลมาจากการเพิ่มเติม กระแสเหนี่ยวนำ- ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า การเหนี่ยวนำตนเองและกระแสที่เกิดขึ้นในกรณีนี้เรียกว่า กระแสเหนี่ยวนำตัวเอง.

ปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำตนเอง- นี่คือการเกิดขึ้นของ EMF ในวงจรตัวนำซึ่งสร้างขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงความแรงของกระแสในวงจรนั้นเอง

ตัวเหนี่ยวนำลูปขึ้นอยู่กับรูปร่างและขนาด คุณสมบัติทางแม่เหล็กของสิ่งแวดล้อม และไม่ขึ้นอยู่กับความแรงของกระแสในวงจร

แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำตัวเองถูกกำหนดโดยสูตร:

ปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำตนเองนั้นคล้ายคลึงกับปรากฏการณ์ความเฉื่อย เช่นเดียวกับในกลศาสตร์ เป็นไปไม่ได้ที่จะหยุดวัตถุที่กำลังเคลื่อนไหวทันที ดังนั้นกระแสจึงไม่สามารถรับค่าที่แน่นอนได้ในทันทีเนื่องจากปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำตัวเอง หากขดลวดเชื่อมต่อแบบอนุกรมกับหลอดไฟดวงที่สองในวงจรที่ประกอบด้วยหลอดไฟสองดวงที่เหมือนกันซึ่งเชื่อมต่อขนานกับแหล่งกำเนิดกระแสไฟฟ้า จากนั้นเมื่อปิดวงจรหลอดไฟดวงแรกจะสว่างขึ้นเกือบจะในทันทีและดวงที่สองจะมีความล่าช้าอย่างเห็นได้ชัด

เมื่อเปิดวงจร ความแรงของกระแสจะลดลงอย่างรวดเร็ว และแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำตัวเองที่เกิดขึ้นจะป้องกันการลดลงของฟลักซ์แม่เหล็ก ในกรณีนี้กระแสเหนี่ยวนำจะถูกส่งไปในลักษณะเดียวกับกระแสเดิม แรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เกิดจากตัวเองอาจมีค่ามากกว่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าภายนอกหลายเท่า ดังนั้นหลอดไฟมักจะไหม้เมื่อปิดไฟ

เนื่องจากเป็นกรณีพิเศษ)

ทิศทางของ EMF การเหนี่ยวนำตัวเองมักจะเป็นเช่นนั้นเมื่อกระแสในวงจรเพิ่มขึ้น EMF ของการเหนี่ยวนำตัวเองจะป้องกันการเพิ่มขึ้นนี้ (มุ่งตรงต่อกระแส) และเมื่อกระแสลดลงก็จะลดลง (กำกับร่วม กับกระแส) คุณสมบัติของแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำตัวเองนี้คล้ายกับแรงเฉื่อย

ขนาดของ EMF การเหนี่ยวนำตัวเองเป็นสัดส่วนกับอัตราการเปลี่ยนแปลงของกระแส:

.

เรียกว่าปัจจัยสัดส่วน ค่าสัมประสิทธิ์การเหนี่ยวนำตนเองหรือ ตัวเหนี่ยวนำวงจร (คอยล์)

การเหนี่ยวนำตัวเองและกระแสไซน์ซอยด์

ในกรณีที่กระแสไหลผ่านขดลวดตรงเวลาขึ้นอยู่กับไซน์ซอยด์ แรงเคลื่อนไฟฟ้าแบบเหนี่ยวนำตัวเองในขดลวดจะล่าช้ากว่ากระแสในเฟส (นั่นคือ 90°) และแอมพลิจูดของแรงเคลื่อนไฟฟ้านี้เป็นสัดส่วนกับ แอมพลิจูดของกระแส ความถี่ และความเหนี่ยวนำ () ท้ายที่สุดแล้ว อัตราการเปลี่ยนแปลงของฟังก์ชันคืออนุพันธ์อันดับหนึ่งของฟังก์ชัน นั่นคือ a

เพื่อคำนวณวงจรที่ซับซ้อนไม่มากก็น้อยที่มีองค์ประกอบอุปนัย เช่น การหมุน ขดลวด ฯลฯ อุปกรณ์ที่สังเกตการเหนี่ยวนำตัวเอง (โดยเฉพาะวงจรเชิงเส้นที่สมบูรณ์ นั่นคือ ไม่มีองค์ประกอบที่ไม่เชิงเส้น) ในกรณีของกระแสไซน์ซอยด์และ แรงดันไฟฟ้าใช้วิธีการอิมพีแดนซ์ที่ซับซ้อนหรือในกรณีที่ง่ายกว่านั้นวิธีไดอะแกรมเวกเตอร์ที่ทรงพลังน้อยกว่า แต่มีการมองเห็นมากกว่าคือตัวเลือกที่มองเห็นได้ชัดเจนกว่า

โปรดทราบว่าทุกสิ่งที่อธิบายไว้นั้นไม่เพียงแต่ใช้ได้กับกระแสและแรงดันไฟฟ้าไซน์ซอยด์โดยตรงเท่านั้น แต่ยังใช้ได้กับกระแสและแรงดันไฟแบบอิสระด้วย เนื่องจากกระแสและแรงดันไฟฟ้าแบบหลังสามารถขยายเป็นอนุกรมฟูริเยร์หรืออินทิกรัลได้เกือบตลอดเวลาจึงลดลงเป็นไซน์ซอยด์

ในการเชื่อมโยงโดยตรงกับสิ่งนี้ไม่มากก็น้อย เราสามารถพูดถึงการใช้ปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำตัวเอง (และตามนั้น ตัวเหนี่ยวนำ) ในวงจรการสั่น ตัวกรอง เส้นหน่วงเวลา และวงจรอิเล็กทรอนิกส์และวงจรไฟฟ้าต่างๆ

การเหนี่ยวนำตัวเองและกระแสไฟกระชาก

เนื่องจากปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำตัวเองในวงจรไฟฟ้าที่มีแหล่งกำเนิด EMF เมื่อวงจรปิดอยู่กระแสจะไม่เกิดขึ้นทันที แต่หลังจากผ่านไประยะหนึ่ง กระบวนการที่คล้ายกันเกิดขึ้นเมื่อวงจรเปิดและ (ด้วยการเปิดแหลม) ค่าของ EMF การเหนี่ยวนำตัวเองในขณะนี้อาจเกิน EMF แหล่งที่มาอย่างมีนัยสำคัญ

บ่อยที่สุดในชีวิตประจำวันสิ่งนี้ใช้ในคอยล์จุดระเบิดรถยนต์ แรงดันไฟฟ้าจุดระเบิดทั่วไปที่มีแรงดันไฟฟ้าแบตเตอรี่ 12V คือ 7-25 kV อย่างไรก็ตาม EMF ส่วนเกินในวงจรเอาต์พุตเหนือ EMF ของแบตเตอรี่ที่นี่ไม่เพียงเกิดจากการหยุดชะงักของกระแสอย่างกะทันหัน แต่ยังเกิดจากอัตราส่วนการเปลี่ยนแปลงด้วย เนื่องจากส่วนใหญ่มักจะไม่ใช่ขดลวดเหนี่ยวนำธรรมดาที่ใช้ แต่เป็นขดลวดหม้อแปลง ขดลวดทุติยภูมิซึ่งโดยปกติจะมีจำนวนรอบหลายเท่า (นั่นคือ ในกรณีส่วนใหญ่ วงจรค่อนข้างซับซ้อนกว่าวงจรที่จะอธิบายการทำงานได้อย่างสมบูรณ์ผ่านการเหนี่ยวนําตัวเอง อย่างไรก็ตาม ฟิสิกส์ การดำเนินการในเวอร์ชันนี้ส่วนหนึ่งเกิดขึ้นพร้อมกับฟิสิกส์ของการทำงานของวงจรที่มีขดลวดธรรมดา)

ปรากฏการณ์นี้ยังใช้ในการจุดไฟหลอดฟลูออเรสเซนต์ในวงจรดั้งเดิมมาตรฐาน (ในที่นี้เรากำลังพูดถึงวงจรที่มีตัวเหนี่ยวนำแบบธรรมดา - โช้กโดยเฉพาะ)

นอกจากนี้ จะต้องคำนึงถึงเสมอเมื่อเปิดหน้าสัมผัส หากกระแสไหลผ่านโหลดโดยมีความเหนี่ยวนำที่เห็นได้ชัดเจน: การกระโดดที่เกิดขึ้นใน EMF สามารถนำไปสู่การพังทลายของช่องว่างระหว่างหน้าสัมผัสและ/หรือผลกระทบที่ไม่พึงประสงค์อื่น ๆ เพื่อระงับซึ่งในนี้ ตามกฎแล้วจำเป็นต้องใช้มาตรการพิเศษหลายประการ

หมายเหตุ

ลิงค์

• เกี่ยวกับการเหนี่ยวนำตนเองและการเหนี่ยวนำร่วมกันจาก “โรงเรียนช่างไฟฟ้า”

มูลนิธิวิกิมีเดีย

2010.

ดูว่า "การชักนำตนเอง" ในพจนานุกรมอื่น ๆ คืออะไร: การเหนี่ยวนำตนเอง...

หนังสืออ้างอิงพจนานุกรมการสะกดคำ การปรากฏตัวของแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำในวงจรนำไฟฟ้าเมื่อความแรงของกระแสเปลี่ยนไป กรณีพิเศษของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า เมื่อกระแสในวงจรเปลี่ยนแปลง ฟลักซ์แม่เหล็กจะเปลี่ยนไป การเหนี่ยวนำผ่านพื้นผิวที่ถูกจำกัดด้วยรูปทรงนี้ ส่งผลให้ ...

สารานุกรมทางกายภาพ การกระตุ้นแรงเคลื่อนไฟฟ้าของการเหนี่ยวนำ (emf) ในวงจรไฟฟ้าเมื่อกระแสไฟฟ้าในวงจรนี้เปลี่ยนแปลง กรณีพิเศษของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า แรงเคลื่อนไฟฟ้าของการเหนี่ยวนำตัวเองเป็นสัดส่วนโดยตรงกับอัตราการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้า... ...

พจนานุกรมสารานุกรมขนาดใหญ่ การเหนี่ยวนำตนเอง การเหนี่ยวนำตนเอง เพศหญิง (ทางกายภาพ). 1.เฉพาะยูนิตเท่านั้น ปรากฏการณ์ที่เมื่อกระแสไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงในตัวนำ แรงเคลื่อนไฟฟ้าจะปรากฏขึ้น เพื่อป้องกันการเปลี่ยนแปลงนี้ ขดลวดเหนี่ยวนำตัวเอง 2. อุปกรณ์ที่มี... ...

พจนานุกรมอธิบายของ Ushakov

- (การเหนี่ยวนำตนเอง) 1. อุปกรณ์ที่มีปฏิกิริยารีแอคแตนซ์ 2. ปรากฏการณ์ที่เมื่อกระแสไฟฟ้าเปลี่ยนขนาดและทิศทางในตัวนำ จะมีแรงเคลื่อนไฟฟ้าเกิดขึ้นภายในตัวนำ ป้องกันไม่ให้เกิดสิ่งนี้... ... Marine Dictionary การเหนี่ยวนำแรงเคลื่อนไฟฟ้าในสายไฟ เช่นเดียวกับในขดลวดไฟฟ้า เครื่องจักร หม้อแปลงไฟฟ้า เครื่องมือ และเครื่องมือ เมื่อขนาดหรือทิศทางของกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านมีการเปลี่ยนแปลง ปัจจุบัน กระแสที่ไหลผ่านสายไฟและขดลวดเกิดขึ้นรอบตัว... ...

พจนานุกรมเทคนิคการรถไฟการเหนี่ยวนำตนเอง - การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กที่ประสานกับวงจรซึ่งเกิดจากกระแสไฟฟ้าในวงจรนี้... ที่มา: วิศวกรรมไฟฟ้า. ข้อกำหนดและคำจำกัดความของแนวคิดพื้นฐาน GOST R 52002 2003 (อนุมัติ... ...

คำศัพท์ที่เป็นทางการ คำนามจำนวนคำพ้องความหมาย: 1 การกระตุ้นแรงเคลื่อนไฟฟ้า (1) พจนานุกรมคำพ้องความหมาย ASIS วี.เอ็น. ทริชิน. 2013…

พจนานุกรมคำพ้องความหมาย- การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดจากการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กที่ประสานกับวงจรซึ่งเกิดจากกระแสไฟฟ้าในวงจรนี้ [GOST R 52002 2003] EN การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าแบบเหนี่ยวนำตัวเองในหลอดกระแสไฟฟ้าเนื่องจากการแปรผัน… … คู่มือนักแปลทางเทคนิค

การชักนำตนเอง- กรณีพิเศษของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า (ดู (2)) ประกอบด้วยการเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ (เหนี่ยวนำ) ในวงจร และเกิดจากการเปลี่ยนแปลงเวลาของสนามแม่เหล็กที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของกระแสที่ไหลในวงจรเดียวกัน .. ... สารานุกรมโพลีเทคนิคขนาดใหญ่

หนังสือ

• การชักนำ การชักนำซึ่งกันและกัน การชักนำตนเอง - มันง่ายมาก ทฤษฎีความสัมบูรณ์, Gurevich Harold Stanislavovich, Kanevsky Samuell Naumovich, กระบวนการปฏิสัมพันธ์ของอิเล็กตรอนของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงกับอิเล็กตรอนของตัวนำที่อยู่ในสนามแม่เหล็กไฟฟ้านี้เรียกว่าการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า เป็นผลให้... หมวดหมู่: ฟิสิกส์ ซีรี่ส์: ธรรมชาติแห่งตะวันออกไกล สำนักพิมพ์: ที่ประตู Nikitsky, ผู้ผลิต:

คำว่าเหนี่ยวนำในวิศวกรรมไฟฟ้าหมายถึงการเกิดกระแสไฟฟ้าในวงจรไฟฟ้าแบบปิดหากอยู่ในสถานะเปลี่ยนแปลง ค้นพบโดย Michael Faraday เมื่อสองร้อยปีก่อน สิ่งนี้สามารถทำได้ก่อนหน้านี้มากโดย Andre Ampère ซึ่งทำการทดลองที่คล้ายกัน เขาสอดแท่งโลหะเข้าไปในขดลวด และโชคไม่ดีที่เขาเข้าไปในอีกห้องหนึ่งเพื่อดูเข็มกัลวาโนมิเตอร์ - จะเกิดอะไรขึ้นถ้ามันขยับ และลูกธนูก็ทำหน้าที่ของมันเป็นประจำ - มันเบี่ยงเบน แต่ในขณะที่แอมแปร์เดินไปตามห้องต่างๆ มันก็กลับมาที่เครื่องหมายศูนย์ นี่คือวิธีที่ปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำตัวเองรออีกสิบปีจนกระทั่งคอยล์อุปกรณ์และผู้วิจัยอยู่ในตำแหน่งที่ถูกต้องพร้อมกัน

ประเด็นหลักของการทดลองนี้คือแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้นเฉพาะเมื่อสนามแม่เหล็กที่ผ่านวงปิดเปลี่ยนแปลงเท่านั้น แต่คุณสามารถเปลี่ยนมันในลักษณะใดก็ได้ที่คุณต้องการ - เปลี่ยนขนาดของสนามแม่เหล็กเองหรือเพียงแค่ย้ายแหล่งกำเนิดของสนามสัมพันธ์กับวงปิดเดียวกัน แรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในกรณีนี้เรียกว่า "แรงเคลื่อนไฟฟ้าอุปนัยร่วมกัน" แต่นี่เป็นเพียงจุดเริ่มต้นของการค้นพบในสาขาการปฐมนิเทศเท่านั้น ที่น่าแปลกใจยิ่งกว่านั้นคือปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำตัวเองซึ่งถูกค้นพบในช่วงเวลาเดียวกัน ในการทดลองของเขา พบว่าขดลวดไม่เพียงแต่เหนี่ยวนำกระแสไฟฟ้าในขดลวดอื่นเท่านั้น แต่เมื่อกระแสในขดลวดนี้เปลี่ยนไป ยังทำให้เกิด EMF เพิ่มเติมในนั้นด้วย นี่คือสิ่งที่พวกเขาเรียกว่า EMF ของการเหนี่ยวนำตนเอง สิ่งที่น่าสนใจอย่างยิ่งคือทิศทางของกระแส ปรากฎว่าในกรณีของ EMF การเหนี่ยวนำตัวเอง กระแสของมันจะพุ่งตรงต่อ "พาเรนต์" - กระแสที่เกิดจาก EMF หลัก

เป็นไปได้ไหมที่จะสังเกตปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำตนเอง? อย่างที่พวกเขาพูดไม่มีอะไรง่ายไปกว่านี้ มาประกอบสองอันแรก - ตัวเหนี่ยวนำที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมและหลอดไฟและตัวที่สอง - เฉพาะหลอดไฟเท่านั้น มาเชื่อมต่อกับแบตเตอรี่ผ่านสวิตช์ทั่วไป เมื่อคุณเปิดเครื่อง คุณจะเห็นว่าหลอดไฟในวงจรที่มีคอยล์สว่างขึ้น "ไม่เต็มใจ" และหลอดไฟดวงที่สองซึ่งเร็วกว่า "กำลังขึ้น" จะเปิดขึ้นทันที เกิดอะไรขึ้น? ในทั้งสองวงจร หลังจากเปิดสวิตช์ กระแสจะเริ่มไหล และจะเปลี่ยนจากศูนย์เป็นค่าสูงสุด และแน่นอนว่าเป็นการเปลี่ยนแปลงของกระแสที่ตัวเหนี่ยวนำรอ ซึ่งจะสร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำตัวเอง มี EMF และวงจรปิดซึ่งหมายความว่ายังมีกระแสอยู่ แต่จะตรงข้ามกับกระแสหลักของวงจรซึ่งในที่สุดจะถึงค่าสูงสุดที่กำหนดโดยพารามิเตอร์ของวงจรและหยุดการเติบโตและตั้งแต่นั้นมา ไม่มีการเปลี่ยนแปลงในปัจจุบัน ไม่มี EMF การเหนี่ยวนำตัวเอง มันง่ายมาก ภาพที่คล้ายกัน แต่ "ตรงกันข้าม" จะถูกสังเกตเมื่อกระแสไฟดับ ตาม "นิสัยที่ไม่ดี" ของมันในการต่อต้านการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ในปัจจุบัน แรงเคลื่อนไฟฟ้าแบบเหนี่ยวนำตัวเองจะรักษาการไหลในวงจรหลังจากปิดเครื่องแล้ว

คำถามก็เกิดขึ้นทันที - อะไรคือปรากฏการณ์ของการชักนำตนเอง? พบว่า EMF การเหนี่ยวนำตัวเองได้รับผลกระทบจากอัตราการเปลี่ยนแปลงของกระแสในตัวนำและสามารถเขียนได้:

จากนี้จะเห็นได้ว่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำตัวเอง E เป็นสัดส่วนโดยตรงกับอัตราการเปลี่ยนแปลงของกระแส dI/dt และสัมประสิทธิ์สัดส่วน L เรียกว่าตัวเหนี่ยวนำ จอร์จ เฮนรีได้รับรางวัลจากการมีส่วนร่วมในการศึกษาคำถามที่ว่าปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำตัวเองประกอบด้วยอะไร โดยที่หน่วยวัดความเหนี่ยวนำ เฮนรี (H) เป็นชื่อของเขา เป็นตัวเหนี่ยวนำของวงจรกระแสไหลที่กำหนดปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำตัวเอง ใคร ๆ ก็สามารถจินตนาการได้ว่าตัวเหนี่ยวนำนั้นเป็น "การกักเก็บ" พลังงานแม่เหล็กชนิดหนึ่ง หากกระแสในวงจรเพิ่มขึ้น พลังงานไฟฟ้าจะถูกแปลงเป็นพลังงานแม่เหล็ก ชะลอการเพิ่มขึ้นของกระแส และเมื่อกระแสลดลง พลังงานแม่เหล็กของขดลวดจะถูกแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้าและรักษากระแสในวงจร

ทุกคนคงเคยเห็นประกายไฟเมื่อปิดปลั๊กจากเต้ารับ - นี่เป็นอาการที่พบบ่อยที่สุดของ EMF การเหนี่ยวนำตัวเองในชีวิตจริง แต่ในชีวิตประจำวันกระแสน้ำเปิดสูงสุด 10-20 A และเวลาเปิดประมาณ 20 มิลลิวินาที ด้วยการเหนี่ยวนำลำดับ 1 H EMF การเหนี่ยวนำตัวเองในกรณีนี้จะเท่ากับ 500 V ดูเหมือนว่าคำถามที่ว่าปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำตัวเองประกอบด้วยอะไรนั้นไม่ซับซ้อนนัก แต่ในความเป็นจริงแล้ว แรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เกิดจากตัวเองเป็นปัญหาทางเทคนิคที่สำคัญ ประเด็นก็คือเมื่อวงจรแตกเมื่อหน้าสัมผัสแยกออกจากกันการเหนี่ยวนำตัวเองจะรักษาการไหลของกระแสและสิ่งนี้จะนำไปสู่การเหนื่อยหน่ายของหน้าสัมผัสเพราะ ในเทคโนโลยีจะมีการสลับวงจรที่มีกระแสตั้งแต่หลายร้อยถึงหลายพันแอมแปร์ ที่นี่เรามักจะพูดถึงแรงเคลื่อนไฟฟ้าอุปนัยในตัวเองจำนวนนับหมื่นโวลต์ และสิ่งนี้ต้องการวิธีแก้ปัญหาเพิ่มเติมสำหรับปัญหาทางเทคนิคที่เกี่ยวข้องกับแรงดันไฟฟ้าเกินในวงจรไฟฟ้า

แต่ไม่ใช่ทุกอย่างจะมืดมนนัก มันเกิดขึ้นที่ EMF ที่เป็นอันตรายนี้มีประโยชน์มากเช่นในระบบจุดระเบิดของเครื่องยนต์สันดาปภายใน ระบบดังกล่าวประกอบด้วยตัวเหนี่ยวนำในรูปแบบของหม้อแปลงอัตโนมัติและตัวสับ กระแสจะถูกส่งผ่านขดลวดปฐมภูมิซึ่งปิดโดยเบรกเกอร์ จากผลของวงจรเปิด จะเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าแบบเหนี่ยวนำตัวเองที่ระดับหลายร้อยโวลต์ (ในขณะที่แบตเตอรี่จ่ายไฟเพียง 12V) จากนั้นแรงดันไฟฟ้านี้จะถูกแปลงเพิ่มเติมและพัลส์มากกว่า 10 kV จะถูกส่งไปยังหัวเทียน

เราได้ศึกษาแล้วว่าสนามแม่เหล็กเกิดขึ้นใกล้กับตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน นอกจากนี้เรายังศึกษาว่าสนามแม่เหล็กสลับสร้างกระแส (ปรากฏการณ์ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า) ลองพิจารณาวงจรไฟฟ้า เมื่อความแรงของกระแสเปลี่ยนแปลงในวงจรนี้ สนามแม่เหล็กจะเปลี่ยนไปซึ่งเป็นผลมาจากการเพิ่มเติม กระแสเหนี่ยวนำ- ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า การเหนี่ยวนำตนเองและกระแสที่เกิดขึ้นในกรณีนี้เรียกว่า กระแสเหนี่ยวนำตัวเอง.

ปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำตนเอง- นี่คือการเกิดขึ้นของ EMF ในวงจรตัวนำซึ่งสร้างขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงความแรงของกระแสในวงจรนั้นเอง

ตัวเหนี่ยวนำลูปขึ้นอยู่กับรูปร่างและขนาด คุณสมบัติทางแม่เหล็กของสิ่งแวดล้อม และไม่ขึ้นอยู่กับความแรงของกระแสในวงจร

แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำตัวเองถูกกำหนดโดยสูตร:

ปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำตนเองนั้นคล้ายคลึงกับปรากฏการณ์ความเฉื่อย เช่นเดียวกับในกลศาสตร์ เป็นไปไม่ได้ที่จะหยุดวัตถุที่กำลังเคลื่อนไหวทันที ดังนั้นกระแสจึงไม่สามารถรับค่าที่แน่นอนได้ในทันทีเนื่องจากปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำตัวเอง หากขดลวดเชื่อมต่อแบบอนุกรมกับหลอดไฟดวงที่สองในวงจรที่ประกอบด้วยหลอดไฟสองดวงที่เหมือนกันซึ่งเชื่อมต่อขนานกับแหล่งกำเนิดกระแสไฟฟ้า จากนั้นเมื่อปิดวงจรหลอดไฟดวงแรกจะสว่างขึ้นเกือบจะในทันทีและดวงที่สองจะมีความล่าช้าอย่างเห็นได้ชัด

เมื่อเปิดวงจร ความแรงของกระแสจะลดลงอย่างรวดเร็ว และแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำตัวเองที่เกิดขึ้นจะป้องกันการลดลงของฟลักซ์แม่เหล็ก ในกรณีนี้กระแสเหนี่ยวนำจะถูกส่งไปในลักษณะเดียวกับกระแสเดิม แรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เกิดจากตัวเองอาจมีค่ามากกว่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าภายนอกหลายเท่า ดังนั้นหลอดไฟมักจะไหม้เมื่อปิดไฟ

พลังงานสนามแม่เหล็ก

พลังงานของสนามแม่เหล็กของวงจรที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน

หัวข้อของตัวประมวลผลการตรวจสอบ Unified State: การเหนี่ยวนำตัวเอง, ความเหนี่ยวนำ, พลังงานสนามแม่เหล็ก

การเหนี่ยวนำตัวเองเป็นกรณีพิเศษของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ปรากฎว่ากระแสไฟฟ้าในวงจรที่เปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลามีอิทธิพลต่อตัวเองในลักษณะใดลักษณะหนึ่ง

สถานการณ์ที่ 1. สมมติว่ากระแสในวงจรเพิ่มขึ้น ปล่อยให้กระแสไหลทวนเข็มนาฬิกา จากนั้นสนามแม่เหล็กของกระแสนี้จะพุ่งขึ้นและเพิ่มขึ้น (รูปที่ 1)

ข้าว. 1. สนามกระแสน้ำวนป้องกันไม่ให้กระแสเพิ่มขึ้น

ดังนั้นวงจรของเราจึงพบว่าตัวเองอยู่ในสนามแม่เหล็กสลับของกระแสไฟฟ้าในตัวมันเอง สนามแม่เหล็กในกรณีนี้จะเพิ่มขึ้น (พร้อมกับกระแส) ดังนั้นจึงสร้างสนามไฟฟ้ากระแสน้ำวน ซึ่งมีเส้นกำกับตามเข็มนาฬิกาตามกฎของเลนซ์

ดังที่เราเห็น สนามไฟฟ้ากระแสน้ำวนนั้นพุ่งเข้าหากระแส เพื่อป้องกันไม่ให้มันเพิ่มขึ้น ดูเหมือนว่าจะ "ช้าลง" กระแส ดังนั้นเมื่อปิดวงจรใดๆ กระแสไฟฟ้าจะไม่เกิดขึ้นทันที - ต้องใช้เวลาพอสมควรจึงจะเอาชนะผลการเบรกของสนามไฟฟ้ากระแสน้ำวนที่เกิดขึ้น

สถานการณ์ที่ 2- สมมติว่ากระแสในวงจรลดลง สนามแม่เหล็กของกระแสไฟฟ้าจะลดลงและสร้างสนามไฟฟ้ากระแสน้ำวนที่หมุนทวนเข็มนาฬิกา (รูปที่ 2)

ข้าว. 2. สนามกระแสน้ำวนจะรักษากระแสที่ลดลง

ตอนนี้สนามไฟฟ้ากระแสน้ำวนมีทิศทางเดียวกับกระแส มันรักษากระแสไว้ป้องกันไม่ให้ลดลง

ดังที่เราทราบ การทำงานของสนามไฟฟ้าเอ็ดดี้ในการเคลื่อนย้ายหน่วยประจุบวกรอบวงจรคือแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ดังนั้นเราจึงให้คำจำกัดความนี้ได้

ปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำตัวเองคือเมื่อกระแสในวงจรเปลี่ยนแปลง แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะเกิดขึ้นในวงจรเดียวกัน.

เมื่อความแรงของกระแสเพิ่มขึ้น (ในสถานการณ์ที่ 1) สนามไฟฟ้ากระแสน้ำวนจะทำงานเป็นลบ และทำให้ประจุไร้เบรก ดังนั้นแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำในกรณีนี้จึงเป็นลบ

เมื่อความแรงของกระแสลดลง (ในสถานการณ์ที่ 2) สนามไฟฟ้ากระแสน้ำวนจะทำงานในเชิงบวก โดย "ผลัก" ประจุอิสระและป้องกันไม่ให้กระแสลดลง แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำในกรณีนี้ก็เป็นค่าบวกเช่นกัน (ง่ายต่อการตรวจสอบว่าสัญญาณของแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำซึ่งกำหนดในลักษณะนี้สอดคล้องกับกฎในการเลือกสัญลักษณ์สำหรับแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำซึ่งกำหนดไว้ในแผ่น "การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า" ).

ตัวเหนี่ยวนำ

เรารู้ว่าฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านวงจรเป็นสัดส่วนกับการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็ก: นอกจากนี้ จากประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าขนาดของการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กของวงจรที่มีกระแสไฟฟ้าเป็นสัดส่วนกับความแรงของกระแสไฟฟ้า: ดังนั้น ฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านพื้นผิวของวงจรซึ่งสร้างขึ้นโดยสนามแม่เหล็กของกระแสในวงจรนี้ จึงเป็นสัดส่วนกับความแรงของกระแส:

ค่าสัมประสิทธิ์สัดส่วนถูกกำหนดและเรียก ตัวเหนี่ยวนำรูปร่าง:

(1)

ตัวเหนี่ยวนำขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางเรขาคณิตของวงจร (รูปร่างและขนาด) เช่นเดียวกับคุณสมบัติทางแม่เหล็กของตัวกลางที่วางวงจรไว้ (คุณเข้าใจความคล้ายคลึงหรือไม่ ความจุของตัวเก็บประจุขึ้นอยู่กับลักษณะทางเรขาคณิตของมัน เช่น เช่นเดียวกับค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของตัวกลางระหว่างแผ่นของตัวเก็บประจุ) หน่วยวัดความเหนี่ยวนำคือ เฮนรี่(จีเอ็น).

สมมติว่ารูปร่างของวงจร ขนาด และคุณสมบัติทางแม่เหล็กของตัวกลางยังคงที่ (เช่น วงจรของเราคือขดลวดที่ไม่ได้สอดแกนเข้าไป) การเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กผ่านวงจรนั้นเกิดจากการเปลี่ยนแปลงของกระแสเท่านั้น จากนั้น กฎของฟาราเดย์จะอยู่ในรูปแบบ:

(2)

ด้วยเครื่องหมายลบใน (2) แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะกลายเป็นลบเมื่อกระแสเพิ่มขึ้นและเป็นบวกเมื่อกระแสลดลง ซึ่งเราเห็นข้างต้น

ลองพิจารณาการทดลองสองครั้งที่แสดงให้เห็นถึงปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำตัวเองเมื่อปิดและเปิดวงจร

ข้าว. 3. การเหนี่ยวนำตัวเองเมื่อปิดวงจร

ในการทดลองครั้งแรก หลอดไฟสองดวงเชื่อมต่อขนานกับแบตเตอรี่ และหลอดที่สองเชื่อมต่อแบบอนุกรมโดยมีขดลวดที่มีความเหนี่ยวนำสูงเพียงพอ (รูปที่ 3)

กุญแจถูกเปิดไว้ในตอนแรก

เมื่อปิดกุญแจแล้ว ไฟดวงที่ 1 จะสว่างขึ้นทันที และไฟดวงที่ 2 จะค่อยๆ สว่างขึ้น ความจริงก็คือแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะปรากฏขึ้นในคอยล์ซึ่งป้องกันไม่ให้กระแสเพิ่มขึ้น ดังนั้นค่ากระแสสูงสุดในหลอดไฟดวงที่สองจะถูกสร้างขึ้นหลังจากเวลาที่สังเกตเห็นได้ชัดเจนหลังจากที่หลอดไฟดวงแรกกะพริบเท่านั้น

เวลาหน่วงนี้ยิ่งมากขึ้น ความเหนี่ยวนำของขดลวดก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น คำอธิบายนั้นง่าย: หลังจากนั้นความเข้มของสนามไฟฟ้ากระแสน้ำวนที่เกิดขึ้นในขดลวดจะมากขึ้นดังนั้นแบตเตอรี่จะต้องทำงานหนักมากเพื่อเอาชนะสนามกระแสน้ำวนที่ทำให้อนุภาคที่มีประจุช้าลง

ในการทดลองครั้งที่สอง ขดลวดและหลอดไฟเชื่อมต่อขนานกับแบตเตอรี่ (รูปที่ 4) ความต้านทานของขดลวดมีค่าน้อยกว่าความต้านทานของหลอดไฟมาก

ข้าว. 4. การเหนี่ยวนำตัวเองเมื่อวงจรเปิด

กุญแจถูกปิดในตอนแรก หลอดไฟไม่สว่าง - แรงดันไฟฟ้าที่ใกล้กับศูนย์เนื่องจากความต้านทานของขดลวดต่ำ กระแสเกือบทั้งหมดที่ไหลในวงจรไม่แยกส่วนจะไหลผ่านขดลวด

เมื่อเปิดกุญแจแล้วไฟจะกระพริบสว่าง! ทำไม กระแสผ่านขดลวดเริ่มลดลงอย่างรวดเร็วและแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่มีนัยสำคัญเกิดขึ้นเพื่อรองรับกระแสไฟฟ้าที่ลดลง (ท้ายที่สุดแล้วแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำดังที่เห็นได้จาก (2) จะเป็นสัดส่วนกับอัตราการเปลี่ยนแปลงของกระแส)

กล่าวอีกนัยหนึ่ง เมื่อเปิดกุญแจ สนามไฟฟ้ากระแสน้ำวนขนาดใหญ่มากจะปรากฏขึ้นในขดลวด เพื่อเร่งประจุอิสระ ภายใต้อิทธิพลของสนามกระแสน้ำวนนี้ กระแสพัลส์จะไหลผ่านหลอดไฟ และเราจะเห็นแสงวาบที่สว่างจ้า หากความเหนี่ยวนำของขดลวดมีขนาดใหญ่เพียงพอ แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำอาจมากกว่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าของแบตเตอรี่อย่างมาก และหลอดไฟจะไหม้จนหมด

คุณอาจไม่ใส่ใจเรื่องหลอดไฟ แต่ในอุตสาหกรรมและพลังงาน ผลกระทบนี้ถือเป็นปัญหาร้ายแรง เนื่องจากเมื่อวงจรถูกเปิด กระแสเริ่มลดลงอย่างรวดเร็ว แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นในวงจรอาจเกินแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดอย่างมีนัยสำคัญและไปถึงค่าที่สูงจนเป็นอันตราย ดังนั้นในหน่วยที่ใช้กระแสไฟฟ้าสูง จึงมีมาตรการป้องกันฮาร์ดแวร์พิเศษ (เช่น สวิตช์น้ำมันในโรงไฟฟ้า) เพื่อป้องกันการเปิดวงจรทันที

การเปรียบเทียบเครื่องกลไฟฟ้า

ไม่ใช่เรื่องยากที่จะสังเกตเห็นความคล้ายคลึงบางอย่างระหว่างการเหนี่ยวนำในพลศาสตร์ไฟฟ้าและมวลในกลศาสตร์

1. ต้องใช้เวลาสักระยะในการเร่งความเร็วของร่างกายให้เป็นความเร็วที่กำหนด - ไม่สามารถเปลี่ยนความเร็วของร่างกายได้ในทันที ด้วยแรงที่กระทำต่อร่างกายอย่างต่อเนื่อง คราวนี้นานขึ้น มวลกายก็จะมากขึ้นตามไปด้วย

ต้องใช้เวลาสักระยะกว่ากระแสในคอยล์จะถึงค่าสูงสุด กระแสไฟฟ้าไม่ได้ถูกสร้างขึ้นทันที ยิ่งความเหนี่ยวนำของคอยล์มากเท่าไร เวลาที่ใช้ในการก่อตัวปัจจุบันก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

2. หากวัตถุชนกับกำแพงที่อยู่นิ่ง ความเร็วของร่างกายจะลดลงอย่างรวดเร็ว ผนังรับแรงกระแทก และผลการทำลายล้างจะแข็งแกร่งขึ้น มวลกายก็จะมากขึ้นตามไปด้วย

เมื่อวงจรที่มีคอยล์เปิดอยู่กระแสจะลดลงเร็วมาก วงจรจะ "ระเบิด" ในรูปของสนามไฟฟ้ากระแสน้ำวนที่เกิดจากสนามแม่เหล็กที่ลดลงของกระแสไฟฟ้า และ "ระเบิด" นี้จะมีความรุนแรงมากขึ้น ความเหนี่ยวนำของขดลวดก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น แรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำสามารถเข้าถึงค่าที่มากจนการพังทลายของช่องว่างอากาศจะทำให้อุปกรณ์เสียหาย

อันที่จริงสิ่งเหล่านี้ การเปรียบเทียบทางไฟฟ้าขยายออกไปค่อนข้างไกล ไม่เพียงแต่เกี่ยวข้องกับความเหนี่ยวนำและมวลเท่านั้น แต่ยังรวมถึงปริมาณอื่นๆ ด้วย และกลายเป็นว่ามีประโยชน์มากในทางปฏิบัติ เราจะพูดถึงเรื่องนี้เพิ่มเติมในแผ่นพับเกี่ยวกับการสั่นสะเทือนทางแม่เหล็กไฟฟ้า

พลังงานสนามแม่เหล็ก

ให้เรานึกถึงการทดลองครั้งที่สองด้วยหลอดไฟที่ไม่สว่างเมื่อปิดกุญแจและจะกะพริบสว่างเมื่อเปิดวงจร เราสังเกตโดยตรงว่าหลังจากเปิดสวิตช์แล้ว พลังงานจะถูกปล่อยออกมาในหลอดไฟ แต่พลังงานนี้มาจากไหน?

แน่นอนว่ามันมาจากคอยล์ - ไม่มีที่ไหนอีกแล้ว แต่พลังงานชนิดใดที่ถูกเก็บไว้ในขดลวดและจะคำนวณพลังงานนี้ได้อย่างไร? เพื่อให้เข้าใจสิ่งนี้ เรามาดำเนินการเปรียบเทียบทางเครื่องกลไฟฟ้าระหว่างความเหนี่ยวนำและมวลกันต่อไป

ในการเร่งความเร็วของวัตถุจากหยุดนิ่งเป็นความเร็ว แรงภายนอกจะต้องทำงาน ร่างกายได้รับพลังงานจลน์ซึ่งเท่ากับงานที่ใช้ไป: .

เพื่อให้กระแสในตัวเหนี่ยวนำไปถึงค่าหลังจากปิดวงจร แหล่งกำเนิดกระแสจะต้องทำงานเพื่อเอาชนะสนามไฟฟ้ากระแสน้ำวนที่พุ่งเข้าหากระแส งานของแหล่งกำเนิดใช้เพื่อสร้างกระแสและถูกแปลงเป็นพลังงานของสนามแม่เหล็กของกระแสที่สร้างขึ้น- พลังงานนี้จะถูกเก็บไว้ในขดลวด พลังงานนี้เองที่ถูกปล่อยออกมาในหลอดไฟหลังจากเปิดกุญแจ (ในการทดลองครั้งที่สอง)

ตัวเหนี่ยวนำทำหน้าที่เป็นอะนาล็อกกับมวล กระแสเป็นอะนาล็อกของความเร็วที่ชัดเจน ดังนั้นจึงเป็นเรื่องปกติที่จะสรุปได้ว่าสำหรับพลังงานของสนามแม่เหล็กของขดลวดอาจมีสูตรคล้ายกับการแสดงออกของพลังงานจลน์:

(3)

(โดยเฉพาะเมื่อด้านขวาของสูตรนี้มีมิติของพลังงาน - ตรวจสอบ!)

สูตร (3) เป็นจริงอย่างแน่นอน ยังไม่จำเป็นต้องหาค่ามาได้ แต่ถ้าคุณรู้ว่าอินทิกรัลคืออะไร คุณจะเข้าใจเหตุผลต่อไปนี้ได้ไม่ยาก

ให้ความแรงของกระแสไฟฟ้าที่ผ่านขดลวดเท่ากับ ลองใช้เวลาช่วงสั้นๆ ในช่วงเวลานี้ ความแรงของกระแสที่เพิ่มขึ้นจะเท่ากับ ค่าถือว่าน้อยมากจนน้อยกว่ามาก

เมื่อเวลาผ่านไป ประจุจะผ่านวงจร สนามไฟฟ้ากระแสน้ำวนทำงานเชิงลบ:

แหล่งกำเนิดกระแสไฟฟ้าทำงานเชิงบวกเหมือนกันในค่าสัมบูรณ์ (โปรดจำไว้ว่า เราละเลยความต้านทานของคอยล์ ดังนั้นการทำงานของแหล่งกำเนิดทั้งหมดจึงทำกับสนามวอร์เท็กซ์):

เมื่อรวมสิ่งนี้จากศูนย์ถึง เราจะพบงานของแหล่งที่มาซึ่งใช้ไปกับการสร้างกระแส:

งานนี้ถูกแปลงเป็นพลังงานของสนามแม่เหล็กของกระแสที่สร้างขึ้นและเรามาถึงสูตร (3)