Самоиндукция. Проявления и работа. Применения и особенности

В электротехнике нередко встречаются физические явления, связанные с взаимным влиянием магнитных и электрических полевых структур. Одно из них – самоиндукция или эффект наведения вторичной ЭДС под действием собственного э/м поля.

Физическое объяснение эффекта самоиндукции

Известно, что электрический ток появляется в цепи в результате действия ЭДС или разницы потенциалов на ее полюсах. В определенных ситуациях появление электродвижущей силы связано с действием переменных магнитных полей, наводящихся в намоточных изделиях. Так, в катушке, по виткам которой протекает переменный ток, создается изменяющееся по величине и направлению э/м поле.

Если поднести к такой катушке витой проводник – в нем обязательно наводится или индуцируется собственная ЭДС. Она, в свою очередь, вызовет появление токовой составляющей, меняющейся по тому же закону, что и ток в исходной цепи. Это вызвано тем, что линии э/м поля катушки пронизывают витки поднесенного провода и оказывают индуцирующее действие на свободные заряды.

Описанный эффект открыт М. Фарадеем много лет назад и называется электромагнитной индукцией. Вызвать ее можно не только за счет подаваемого от источника питания переменного напряжения. При подключении катушки, например, к аккумулятору любое прерывание питающей цепи приводит к изменению величины тока. А это мгновенно вызовет наведение в расположенном рядом проводнике ЭДС индукции.

Как проявляется самоиндукция и в чем ее особенность

Если принять во внимание, что сами порождающие переменное э/м поле витки также находятся в зоне действия созданной ими ЭДС – при ее изменении в них тоже будет наводиться собственная полевая структура. Этот эффект называется самоиндукцией или самонаведением ЭДС под воздействием своего же меняющегося поля.

Особенность этого явления заключается в том, что наводимая в катушке ЭДС по своему направлению противоположна вызвавшему ее электромагнитному воздействию. Специалисты говорят, что эта сила препятствует изменению порождающего фактора в проводнике, то есть оказывает ему определенное сопротивление.

И, действительно, с убыванием исходного поля ЭДС самоиндукции возрастает, не позволяя тому быстро уменьшиться до нуля и наоборот. Это ее свойство принято рассматривать как сопротивление элемента, в котором происходят эти процессы. Чаще всего такими характеристиками обладают типовые катушки индуктивности, входящие в состав более сложных электротехнических конструкций и устройств.

Как самоиндукция сказывается на параметрах электрических цепей

Явление самоиндукции вызывает изменение таких вторичных по отношению к полевым структурам параметров электрических цепей, как ток и действующее в них напряжение. Поскольку ЭДС самоиндукции действует в противофазе с исходным полем, то при подаче напряжения на катушку с витками (при включении источника) ток нарастает медленнее, чем это происходит в линейном проводнике. Он как бы «опаздывает» в своем увеличении по амплитуде, что проявляется в электрической цепи как отставание по фазе.

Это запаздывание хорошо иллюстрируется опытом с лампочками, одна из которых включена последовательно с реактивным элементом – катушкой индуктивности. Вторая при этом образует параллельную цепочку с последовательно включенным резистором.

Samoinduktsiia 2

При проведении этого опыта обнаруживается, что ток в лампочке под обозначением «2» при замыкании контактов будет нарастать медленнее, чем в верхней цепочке. Причина этого – появление в цепи ЭДС самоиндукции, направленной в противоположную сторону. Визуально этот эффект проявится в том, что лампочка 2 будет загораться со значительным опозданием по сравнению с первой.

Другая картина будет наблюдаться при размыкании контактов электрической цепи. В этом случае ЭДС самоиндукции будет действовать в том же направлении, что и основное электрическое поле. Она не будет давать быстро гаснуть лампочке 2, поддерживая в ней ток еще несколько секунд. Внешне это проявляется в виде запаздывания полного отключения второго осветительного прибора. Верхняя лампочка 1 при снятии напряжения сети погаснет практически мгновенно.

В общем случае в цепях с индуктивным элементом ток при включении и выключении источника питания будет меняться в соответствие с графиками:

Samoinduktsiia 3

Если представить процессы коммутации цепи в виде импульса с крутыми фронтами, то в цепочках с индуктивностью он будет «растягиваться» как по переднему, так и по заднему фронту. Скорость изменения ЭДС самоиндукции зависит от характеристик катушки индуктивности или соленоида (от количества витков и диаметра каркаса, в частности). С увеличением этих показателей влияние противодействующих токов только усиливается.

Эффект самоиндукции в формулах

Прежде чем представить это явление в виде формул – необходимо учесть, что запаздывание тока из-за эффекта самоиндукции составляет 90 градусов или π/2 радиан. Кроме того, потребуется ввести следующие переменные величины:

Магнитный поток контура (Ф).
Индуктивность катушки (L).
ЭДС самоиндукции.
Ток в катушке (i) и его девиации Δi за время Δt.

Основная зависимость, описывающая этот эффект, выглядит так:

Ф = L×i (1)

Индуктивность катушки в данном случае выступает в качестве коэффициента пропорциональности между двумя взаимозависимыми переменными. Этот показатель при желании может быть увеличен, для чего в состав катушки достаточно будет ввести ферромагнитный сердечник.

Формулу (1) дополняет следующее соотношение:

Samoinduktsiia 4

Где Eс – это ЭДС самоиндукции, а Δi – изменение величины тока за время Δt.

Из этой формулы можно сделать следующие выводы:

Величина самоиндукции зависит не от абсолютной величины тока в катушке, а от скорости его нарастания или убывания.
При очень медленном изменении токовой составляющей этот эффект практически не будет заметен.
ЭДС самоиндукции всегда направлена в сторону, противоположную действию исходного поля.

Перечисленные особенности этого э/м эффекта – причина особого отношения к нему со стороны разработчиков силового электротехнического оборудования.

Практическое применение явления

Самоиндукция как электромагнитное явление широко применяется в самых различных областях техники. Любому автолюбителю известно, что при работе катушки зажигания происходят следующие процессы:

В цепь с размещенной в ней обмоткой подается питание 12В от бортового аккумулятора.
Имеющийся там же прерыватель резко разрывает цепочку, за счет чего в ней формируется мощный импульс.
Это изменение вызывает появление в катушке ЭДС самоиндукции, величина которой тем больше, чем значительней индуктивность и сила тока в цепи.
Накопленная в катушке энергия поступает по высоковольтным проводам на свечи зажигания и вызывает искру.

В современных автомобилях разрывание питающей цепи осуществляется электронным путем, что не меняет сути происходящих процессов.

Еще одна область, где самоиндукция применяется очень часто – сетевая фильтрация питающих напряжений. При резких скачках потенциала на входе устройства фильтрующая цепочка RL «растягивает» фронта импульсов и не позволяет им достичь максимального значения. В результате происходит «сглаживание» резких выбросов, обеспечивающее защиту обслуживаемого оборудования от опасных перенапряжений.

За счет фильтрации удается избавиться от пульсаций и резких всплесков напряжения в блоках питания электронной аппаратуры самого различного класса. Помимо этого в частотно-зависимых цепочках самоиндукция позволяет вырезать нежелательные частоты из спектра сигнала, подлежащего обработке. Явление накопления электрической энергии с последующей ее выдачей в нагрузку используется в люминесцентных лампах, оснащенных пусковым электронным устройством.

В его состав входит дроссель, аккумулирующий энергию в момент включения стартерной схемы прибора и резко «выплескивающий» ее в виде мощного импульса. Образующийся при этом дуговой разряд обеспечивает пробой газового промежутка внутри лампы и постепенный ее розжиг.

Нежелательные и опасные последствия эффекта самоиндукции

Существуют ситуации, когда самоиндукция становится нежелательным и даже опасным явлением, так что для ее устранения приходится принимать защитные меры. Случаи, когда эффект появления противодействующего поля воспринимается как паразитный, это:

Размыкание контактов в цепях с нагрузкой ярко выраженного индуктивного характера.
Работа полупроводниковых ключей в схемах с индуктивными элементами.
Функционирование трансформаторных устройств.

В первом случае сильные токи самоиндукции способны вызвать дуговой разряд в цепи и разрушить ее элементы. Избежать этого опасного эффекта удается за счет использования в автоматических выключателях (АВ) специальных дугогасящих камер. В случае с мощными полупроводниковыми ключами избежать последствий самоиндукции можно включением параллельно с нагрузкой защитных пробивных диодов.

На промышленных объектах и в энергетическом секторе самоиндукция – достаточно проблемное явление, угрожающее безопасности рабочего персонала всплесками высокого напряжения. Для предотвращения несчастных случаев используются специальные защитные средства в виде устройств, исключающих возможность мгновенного размыкания рабочих цепей.