Изменение магнитного поля в катушке приводит к появлению индукционного тока, который создает магнитное поле, противодействующее этому изменению.
Рис. 16.9 – Самоиндукция в катушке
Между (а) и (b) сила тока в катушке увеличивается (переменный ток), то есть магнитное поле увеличивается. Это изменение B→; приводит к появлению индукционного электрического поля, которое препятствует изменению тока (с). Накопление зарядов на концах катушки, которое за этим следует, образует напряжение, пропорциональное изменению силы тока за единицу времени.
Подключим теперь к катушке переменный ток (достаточно соединить ее, например, с генератором). Сила тока в катушке имеет поочередно положительные и отрицательные значения: таким образом, магнитное поле, созданное этим током, тоже переменное.
Когда сила тока увеличивается в сторону положительных значений, магнитное поле увеличивается вправо (➙ рис. 16.9). То есть это равносильно тому, как если бы мы приблизили северный полюс магнита слева. Катушка реагирует на увеличение магнитного поля, которое она сама создала. Там возникает сила индукции, препятствующая увеличению магнитного поля, то есть препятствующая усилению тока.
Речь идет о явлении самоиндукции: запомним, что катушка препятствует любому изменению тока, проходящего через нее, с помощь индукции.
Если точнее: сила индукции относится к «электрическому» типу, то есть изменение магнитного поля вызывает появление электрического поля в катушке. Это электрическое поле стремится накапливать положительные заряды на одном конце катушки и отрицательные – на другом. Таким образом, создается потенциал, то есть напряжение на концах катушки.
Напряжение пропорционально электрическому полю, которое, в свою очередь, пропорционально изменению магнитного поля за единицу времени (явление электромагнитной индукции), которое, в свою очередь, пропорционально изменению силе тока за единицу времени.
Таким образом, напряжение пропорционально изменению силы тока в катушке за единицу времени. Коэффициент пропорциональности называется индуктивностью и обозначается L.
Чем больше в центре катушки создается магнитное поле, тем мощнее сила индукции и, следовательно, тем сильнее она стремится помешать любому изменению тока: индуктивность катушки становится сильнее.
Чтобы увеличить индуктивность катушки, необходимо, во‐первых, увеличить число колец: они имитируют единое кольцо, по которому проходит очень мощный ток, то есть это усиливает магнитное поле катушки.
Другая хитрость для повышения индуктивности состоит в том, чтобы поместить внутрь катушки какой-нибудь парамагнетик. Напомним, что такое вещество намагничивается в присутствии внешнего магнитного поля, потому что все электроны начинают вращаться в одном направлении. Таким образом, вещество становится магнитом и создает магнитное поле, направленное точно в сторону внешнего магнитного поля (➙ рис. 16.10). Таким образом, общее магнитное поле становится больше. Это позволяет увеличить магнитное поле, созданное катушкой, а следовательно, увеличить ее индуктивность.
Рис. 16.10 – Расширение магнитного поля с помощью парамагнетика
(а) – все маленькие магниты, которыми являются атомы вещества, направлены в одну сторону под влиянием внешнего магнита. Это создает дополнительное магнитное поле, направленное в ту же сторону, что и поле внешнего магнита.
(b) – аналогично магнитное поле, созданное катушкой, намагничивает парамагнитное вещество. Это создает дополнительное магнитное поле, направленное в ту же сторону, что и поле, созданное катушкой. В итоге общее магнитное поле усиливается.
ЭНЕРГИЯ КАТУШКИ
Когда катушка соединена с батареей, внутри ее создается постоянный ток. Если мы остановим движение тока, открыв ключ, мы увидим искру, возникшую в ключе (➙ рис. ниже).
Эта искра возникает из-за того, что катушка препятствует любому внезапному уменьшению силы тока: она заставляет свободные электроны продолжать двигаться по цепи, хотя она была прервана. Теперь электроны могут только накапливаться на ключе. За долю секунды заряд становится таким большим, что возникает молния (см. главу 13): воздух ионизируется и становится проводником, способствуя резкому прохождению тока.
Эту молнию создает катушка, то есть она обладает энергией, которая затем рассеивается в молнии. Энергия, накопленная в катушке, выражается:
E = ½Li ² (где L – индуктивность, а i – сила тока).
Действительно, мощность, полученная катушкой, равна P = ui. Между тем напряжение u пропорционально изменению силы тока i за единицу времени: u = L(di/dt) (явление самоиндукции). Полученная мощность записывается как P = Li(di/dt), объединив обе формулы, получаем = ½Li ².
СЛЕДУЕТ ЗАПОМНИТЬ
• Индукционный ток – это ток, созданный магнитным полем. Различают, с одной стороны, индукцию, созданную движением зарядов в статическом поле, с другой стороны, индукцию, созданную изменяемым магнитным полем.
• Любое изменение магнитного поля вызывает «силу индукции», которая приводит в движение заряды. Эта сила относится к «электрическому типу», потому что она не зависит от движения зарядов, на которые воздействует.
• Индукционный ток в катушке создает магнитное поле, которое препятствует изменению магнитного поля, его породившего.
• Электромагнитная индукция лежит в основе работы генераторов переменного тока, сердца электростанций. Генератор создает переменное напряжение, которое образует переменный ток, как только его подключают к цепи.
• Эффективное напряжение соответствует амплитуде, поделенной на √2, для переменного сигнала: по определению, постоянное напряжение такого значения рассеяло бы такую же среднюю мощность в сопротивлении. Такое же определение имеет и эффективная сила тока.
• Переменный ток в катушке создает переменное магнитное поле: сила индукции появляется, чтобы помешать изменению этого поля. Таким образом, создается переменное напряжение на концах катушки, которая стремится помешать изменению тока. Это явление называется самоиндукцией.
• Напряжение катушки пропорционально изменению силы тока за единицу времени. Коэффициент пропорциональности называется индуктивностью.
• Чтобы увеличить индуктивность катушки, можно увеличить число ее колец или поместить парамагнетик в ее центр.