Физика
Учебник для 9 класса

§ 41. Явление самоиндукции

Рассмотрим частный случай электромагнитной индукции: возникновение индукционного тока в катушке при изменении силы тока в ней.

Для этого проведём опыт, изображённый на рисунке 128, а и схеме 128, б. При выполнении первой части опыта неоновая лампа Лн нам не понадобится, поэтому вынем её из патрона, оставив только две параллельные ветви: с реостатом Р и катушкой К. (Обратите внимание на условное обозначение катушки с сердечником на схеме 128, б и запомните его.)

Возникновение индукционного тока в катушке при изменении силы тока в ней при замыкании цепи

Рис. 128. Возникновение индукционного тока в катушке при изменении силы тока в ней при замыкании цепи

Замкнём цепь ключом Кл. Лампа Л1 загорится сразу, а Л2 — с опозданием приблизительно в 1 с. Причина запаздывания заключается в следующем. При замыкании цепи силы токов I, I1 и I2 (см. рис. 128, б) начинают расти. Благодаря этому увеличиваются индукции B1 и В2 магнитных полей (создаваемых этими же токами I1 и I2) и магнитные потоки Ф1 и Ф2, пронизывающие соответственно витки реостата и катушки. Получается, что проходящие сквозь реостат и катушку переменные потоки Ф1 и Ф2 создаются не внешними причинами (как было в опытах, рассмотренных в § 39), а благодаря изменению токов в самих этих устройствах.

Согласно явлению электромагнитной индукции, в реостате и в катушке возникают индукционные токи. Они препятствуют увеличению силы тока I1 и I2 (это следует из правила Ленца и правила правой руки). Но в катушке К индукционный ток будет значительно больше, чем в реостате Р, так как катушка имеет гораздо большее число витков и сердечник, т. е. обладает большей индуктивностью, чем реостат.

Индуктивность (коэффициент самоиндукции) — это физическая величина, введённая для оценивания способности катушки противодействовать изменению силы тока в ней. Индуктивность L катушки зависит от её формы, размеров, числа витков и наличия или отсутствия сердечника (например, железного). Единица индуктивности в СИ — генри (Тн).

Чем больше сила индукционного тока, тем большее противодействие он оказывает изменению силы тока, созданного источником. Поэтому ток в ветви с катушкой возрастает медленнее, чем в ветви с реостатом, и лампа Л2 загорается с опозданием (рис. 128, в).

Теперь посмотрим, что будет происходить при размыкании цепи. Для этого неоновую лампу Лн поместим в патрон, а лампу Л1 вывинтим, разомкнув тем самым участок цепи с реостатом (рис. 129).

Демонстрация явления самоиндукции при размыкании цепи

Рис. 129. Демонстрация явления самоиндукции при размыкании цепи

При замыкании цепи загорится только лампа Л2. Неоновая лампа не включается потому, что напряжение, необходимое для её зажигания, значительно больше напряжения, подаваемого от источника тока.

Теперь разомкнём цепь — лампа накаливания гаснет, зато неоновая даёт яркую кратковременную вспышку. Значит, уменьшение тока при размыкании цепи создаёт настолько мощный индукционный ток, противодействующий уменьшению тока в катушке, что напряжение на ней оказывается достаточным для зажигания лампы (и значительно превышающим напряжение источника!).

В проделанном опыте мы наблюдали явление самоиндукции.

Явление самоиндукции заключается в возникновении индукционного тока в катушке при изменении силы тока в ней. При этом возникающий индукционный ток называется током самоиндукции.

Конечно, ток самоиндукции возникает не только в катушках, но и в любых других проводниках, если сила тока изменяется. Но, как уже отмечалось, в катушках с относительно небольшим числом витков, не имеющих сердечника, и тем более в прямых проводниках (т. е. в элементах цепи, обладающих малой индуктивностью) ток самоиндукции обычно невелик и не оказывает существенного влияния на процессы в электрической цепи.

Появление мощного индукционного тока при размыкании цепи свидетельствует о том, что магнитное поле тока в катушке обладает энергией. Именно за счёт уменьшения энергии магнитного поля совершается работа по созданию индукционного тока. А накопилась эта энергия раньше, при замыкании цепи, когда за счёт энергии источника тока совершалась работа по преодолению тока самоиндукции, препятствующего увеличению тока в цепи, и его магнитного поля.

Энергия магнитного поля тока определяется по формуле

где L — индуктивность проводника, i сила тока в этом проводнике.

Вопросы

  1. Какое явление изучалось на опыте, представленном на рисунках 128 и 129?
  2. Расскажите о ходе каждой части опыта. Объясните наблюдаемые явления.
  3. В чём заключается явление самоиндукции?
  4. Может ли возникнуть ток самоиндукции в прямом проводнике с током? Если нет, то объясните почему; если да, то при каком условии.
  5. За счёт уменьшения какой энергии совершалась работа по созданию индукционного тока при размыкании цепи?

Упражнение 38

В электрической цепи (рис. 130) напряжение, получаемое от источника тока, меньше напряжения зажигания неоновой лампы.

Рис. 130

Рис. 130

Как будет себя вести неоновая лампа при замыкании и размыкании ключа?

Что будет происходить с каждым элементом цепи (исключая источник тока и ключ) при замкнутом ключе; при замыкании ключа; при размыкании ключа?

 

Рейтинг@Mail.ru