Cuộn cảm và từ trường. Phần 2. Cảm ứng điện từ và điện cảm

Phần đầu tiên của bài viết: Cuộn cảm và từ trường

Mối quan hệ của điện trường và từ trường

Hiện tượng điện và từ đã được nghiên cứu trong một thời gian dài, nhưng nó chưa bao giờ xảy ra với bất kỳ ai liên quan đến những nghiên cứu này với nhau. Và chỉ đến năm 1820, người ta mới phát hiện ra rằng một dây dẫn hiện tại tác động lên kim la bàn. Khám phá này thuộc về nhà vật lý người Đan Mạch Hans Christian Oersted. Sau đó, đơn vị đo cường độ từ trường trong hệ thống GHS được đặt theo tên ông: ký hiệu tiếng Nga E (Oersted), ký hiệu tiếng Anh Oe. Từ trường có cường độ như vậy trong chân không trong quá trình cảm ứng 1 Gauss.

Khám phá này cho thấy rằng một từ trường có thể được lấy từ một dòng điện. Nhưng đồng thời, những suy nghĩ nảy sinh về sự biến đổi nghịch đảo, cụ thể là làm thế nào để có được một dòng điện từ một từ trường. Thật vậy, nhiều quá trình trong tự nhiên có thể đảo ngược: băng được lấy từ nước, một lần nữa có thể tan chảy thành nước.

Sau khi phát hiện ra Oersted, nghiên cứu về định luật vật lý rõ ràng hiện nay mất tới hai mươi hai năm. Nhà khoa học người Anh Michael Faraday đã tham gia vào việc lấy điện từ từ trường. Các dây dẫn và nam châm có hình dạng và kích cỡ khác nhau đã được thực hiện, và các lựa chọn cho sự sắp xếp lẫn nhau của chúng đã được tìm kiếm. Và chỉ, rõ ràng, tình cờ, nhà khoa học phát hiện ra rằng để có được EMF ở hai đầu của dây dẫn, cần thêm một thuật ngữ nữa - sự chuyển động của nam châm, tức là từ trường phải thay đổi.

Bây giờ điều này không làm ai ngạc nhiên. Đây là cách tất cả các máy phát điện hoạt động - miễn là nó được quay với một cái gì đó, điện được tạo ra, một bóng đèn chiếu sáng. Dừng lại, dừng quay, và ánh sáng tắt.

Cảm ứng điện từ

Do đó, EMF ở hai đầu của dây dẫn chỉ xảy ra nếu nó được di chuyển theo một cách nhất định trong từ trường. Hay chính xác hơn, từ trường nhất thiết phải thay đổi, có thể thay đổi. Hiện tượng này được gọi là cảm ứng điện từ, trong hướng dẫn điện từ của Nga: trong trường hợp này họ nói rằng EMF được cảm ứng trong dây dẫn. Nếu một tải được kết nối với nguồn EMF như vậy, một dòng điện sẽ chạy trong mạch.

Độ lớn của EMF cảm ứng phụ thuộc vào một số yếu tố: chiều dài của dây dẫn, cảm ứng của từ trường B và ở mức độ lớn về tốc độ chuyển động của dây dẫn trong từ trường. Rôto máy phát càng quay nhanh, điện áp ở đầu ra của nó càng cao.

Lưu ý: không nên nhầm lẫn cảm ứng điện từ (sự xuất hiện của EMF ở hai đầu của dây dẫn trong từ trường xen kẽ) với cảm ứng từ - một đại lượng vật lý vectơ đặc trưng cho từ trường thực tế.

Ba cách để có được EMF

Cảm ứng

Phương pháp này đã được xem xét. trong phần đầu tiên của bài viết. Nó đủ để di chuyển dây dẫn trong từ trường của nam châm vĩnh cửu, hoặc ngược lại để di chuyển (hầu như luôn luôn bằng cách quay) nam châm gần dây dẫn. Cả hai tùy chọn chắc chắn sẽ cho phép bạn có được một từ trường xen kẽ. Trong trường hợp này, phương pháp thu được EMF được gọi là cảm ứng. Đó là cảm ứng được sử dụng để thu được EMF trong các máy phát khác nhau. Trong các thí nghiệm của Faraday vào năm 1831, nam châm dần dần di chuyển bên trong cuộn dây.

Cảm ứng lẫn nhau

Tên này cho thấy hai dây dẫn tham gia vào hiện tượng này. Trong một trong số đó, một dòng điện thay đổi, tạo ra một từ trường xen kẽ xung quanh nó. Nếu có một dây dẫn khác ở gần đó, thì ở đầu của nó có EMF biến.

Phương pháp thu được EMF này được gọi là cảm ứng lẫn nhau.Theo nguyên tắc cảm ứng lẫn nhau, tất cả các máy biến áp đều hoạt động, chỉ có dây dẫn của chúng được chế tạo dưới dạng cuộn dây và lõi làm bằng vật liệu sắt từ được sử dụng để tăng cường cảm ứng từ.

Nếu dòng điện trong dây dẫn thứ nhất dừng (mạch hở), hoặc thậm chí trở nên rất mạnh, nhưng không đổi (không có thay đổi), thì ở hai đầu của dây dẫn thứ hai không thể lấy được EMF. Đó là lý do tại sao máy biến áp chỉ hoạt động trên dòng điện xoay chiều: nếu pin điện được nối với cuộn sơ cấp, thì chắc chắn sẽ không có bất kỳ điện áp nào ở đầu ra của cuộn thứ cấp.

EMF trong cuộn dây thứ cấp chỉ được cảm ứng khi từ trường thay đổi. Hơn nữa, tốc độ thay đổi càng mạnh, cụ thể là tốc độ và không phải là giá trị tuyệt đối thì EMF cảm ứng càng lớn.

Tự cảm ứng

Nếu bạn loại bỏ dây dẫn thứ hai, thì từ trường trong dây dẫn thứ nhất sẽ thấm vào không chỉ không gian xung quanh, mà cả chính dây dẫn. Do đó, dưới ảnh hưởng của trường của nó trong dây dẫn gây ra EMF, được gọi là EMF tự cảm ứng.

Hiện tượng tự cảm ứng vào năm 1833 được nghiên cứu bởi nhà khoa học Nga Lenz. Dựa trên những thí nghiệm này, một mô hình thú vị đã được tìm thấy: EMF của tự cảm ứng luôn phản tác dụng, bù cho từ trường xen kẽ bên ngoài gây ra EMF này. Sự phụ thuộc này được gọi là quy tắc Lenz (không được nhầm lẫn với luật Joule-Lenz).

Dấu trừ trong công thức chỉ nói về việc chống lại EMF tự cảm ứng bởi nguyên nhân của nó. Nếu cuộn dây được kết nối với nguồn hiện tại trực tiếp, dòng điện sẽ tăng khá chậm. Điều này rất đáng chú ý khi cuộn dây sơ cấp của máy biến áp được quay số bằng một con trỏ ohmmeter: tốc độ của mũi tên theo hướng phân chia tỷ lệ bằng 0 thấp hơn đáng kể so với khi kiểm tra điện trở.

Khi cuộn dây bị ngắt khỏi nguồn hiện tại, EMF tự cảm ứng gây ra sự phát sáng của các tiếp điểm rơle. Trong trường hợp khi cuộn dây được điều khiển bởi một bóng bán dẫn, ví dụ, cuộn dây rơle, một diode được đặt song song với nó theo hướng ngược lại đối với nguồn điện. Điều này được thực hiện để bảo vệ các phần tử bán dẫn khỏi ảnh hưởng của tự cảm ứng EMF, có thể cao hơn hàng chục hoặc thậm chí hàng trăm lần so với điện áp của nguồn điện.

Để tiến hành thí nghiệm, Lenz đã chế tạo một thiết bị thú vị. Hai vòng nhôm được cố định ở hai đầu của cánh tay bằng nhôm. Một vòng là rắn, và vòng kia đã bị cắt. Các rocker quay tự do trên kim.

Khi một nam châm vĩnh cửu được đưa vào một vòng rắn, nó đã thoát ra khỏi nam châm và khi loại bỏ nam châm, nó đã tìm kiếm nó. Các hành động tương tự với vòng cắt không gây ra bất kỳ chuyển động. Điều này là do thực tế là trong một vòng liên tục dưới tác động của từ trường xen kẽ, một dòng điện phát sinh tạo ra từ trường. Nhưng trong vòng mở không có dòng điện, do đó, cũng không có từ trường.

Một chi tiết quan trọng của thí nghiệm này là nếu một nam châm được đưa vào vòng và vẫn đứng yên, thì không có phản ứng nào của vòng nhôm đối với sự hiện diện của nam châm. Điều này một lần nữa xác nhận rằng EMF cảm ứng chỉ xảy ra trong trường hợp thay đổi từ trường và cường độ của EMF phụ thuộc vào tốc độ thay đổi. Trong trường hợp này, chỉ đơn giản là từ tốc độ di chuyển của nam châm.

Điều tương tự cũng có thể nói về cảm ứng lẫn nhau và tự cảm ứng, chỉ có sự thay đổi cường độ từ trường, chính xác hơn là tốc độ thay đổi của nó phụ thuộc vào tốc độ thay đổi của dòng điện. Để minh họa hiện tượng này, chúng ta có thể đưa ra một ví dụ.

Để dòng điện lớn đi qua hai cuộn dây giống hệt nhau đủ lớn: qua cuộn dây thứ nhất 10A và qua cuộn dây thứ hai có tới 1000, với dòng điện tăng tuyến tính trong cả hai cuộn dây. Giả sử trong một giây, dòng điện trong cuộn thứ nhất thay đổi từ 10 thành 15A và trong giây thứ hai từ 1000 thành 1001A, điều này gây ra sự xuất hiện của EMF tự cảm ứng trong cả hai cuộn dây.

Nhưng, mặc dù có giá trị rất lớn của dòng điện trong cuộn thứ hai, EMF tự cảm ứng sẽ lớn hơn trong lần đầu tiên, vì ở đó tốc độ thay đổi hiện tại là 5A / s, và trong giây thứ hai chỉ là 1A / s. Rốt cuộc, EMF của tự cảm ứng phụ thuộc vào tốc độ tăng dòng điện (đọc từ trường), chứ không phụ thuộc vào giá trị tuyệt đối của nó.

Điện cảm

Tính chất từ ​​của cuộn dây với dòng điện phụ thuộc vào số vòng, kích thước hình học. Một sự gia tăng đáng kể trong từ trường có thể đạt được bằng cách đưa lõi sắt từ vào cuộn dây. Các tính chất từ ​​của cuộn dây có thể được đánh giá với độ chính xác đủ bằng độ lớn của emf cảm ứng, cảm ứng lẫn nhau hoặc tự cảm ứng. Tất cả những hiện tượng này đã được xem xét ở trên.

Đặc tính của cuộn dây, nói về điều này, được gọi là hệ số tự cảm (tự cảm) hoặc đơn giản là độ tự cảm. Trong các công thức, độ tự cảm được ký hiệu bằng chữ L và trong các sơ đồ, cùng một chữ cái biểu thị các cuộn dây điện cảm.

Đơn vị của điện cảm là Henry (GN). Độ tự cảm 1H có một cuộn dây trong đó, khi dòng điện thay đổi 1A mỗi giây, EMF là 1V được tạo ra. Giá trị này khá lớn: cuộn dây mạng của máy biến áp đủ mạnh có độ tự cảm là một hoặc nhiều GN.

Do đó, khá thường xuyên họ sử dụng các giá trị của một đơn đặt hàng nhỏ hơn, cụ thể là milli và micro-henry (mH và μH). Cuộn dây như vậy được sử dụng trong các mạch điện tử. Một trong những ứng dụng của cuộn dây là các mạch dao động trong các thiết bị vô tuyến.

Ngoài ra, cuộn dây được sử dụng như cuộn cảm, mục đích chính là bỏ qua dòng điện trực tiếp mà không bị mất trong khi làm suy yếu dòng điện xoay chiều (bộ lọc trong nguồn cung cấp năng lượng). Nói chung, tần số hoạt động càng cao thì càng cần ít cuộn dây điện cảm.

Điện cảm

Nếu bạn có một máy biến áp mạng đủ mạnh và đo bằng vạn năng điện trở của cuộn dây sơ cấp, hóa ra nó chỉ là một vài ohms, và thậm chí gần bằng không. Nó chỉ ra rằng dòng điện qua một cuộn dây như vậy sẽ rất lớn, và thậm chí có xu hướng vô cùng. Một mạch ngắn dường như là không thể tránh khỏi! Vậy tại sao anh ta không?

Một trong những tính chất chính của cuộn cảm là điện trở cảm ứng, phụ thuộc vào độ tự cảm và tần số của dòng điện xoay chiều được nối với cuộn dây.

Dễ dàng thấy rằng với sự gia tăng tần số và độ tự cảm, điện trở cảm ứng tăng lên, và trong dòng điện trực tiếp, nó thường trở thành bằng không. Do đó, khi đo điện trở của cuộn dây bằng đồng hồ vạn năng, chỉ đo điện trở hoạt động của dây.

Thiết kế của cuộn cảm rất đa dạng và phụ thuộc vào tần số mà cuộn dây hoạt động. Ví dụ, đối với công việc trong phạm vi độ phân giải của sóng vô tuyến, cuộn dây được tạo bởi dây in được sử dụng khá thường xuyên. Trong sản xuất hàng loạt, phương pháp này rất thuận tiện.

Độ tự cảm của cuộn dây phụ thuộc vào kích thước hình học, lõi, số lớp và hình dạng của nó. Hiện nay, một số lượng đủ các cuộn cảm tiêu chuẩn được sản xuất, tương tự như các điện trở đầu cuối thông thường. Đánh dấu các cuộn dây như vậy được thực hiện với các vòng màu. Ngoài ra còn có cuộn dây bề mặt được sử dụng như cuộn cảm. Độ tự cảm của các cuộn dây như vậy là một vài milligenes.