§ 99. Самоиндукция

Рассмотрим еще один случай электромагнитной индукции. Составим цепь из источника тока, выключателя и двух лампочек (рис. 150, а). Одинаковые лампочки Л₁ и Л₂ соединены между собой параллельно. Последовательно с лампочкой Л₁ включен реостат, а с лампочкой Л₂ - катушка К с железным сердечником. Он предназначен для увеличения магнитного потока в катушке. Перемещая ползунок реостата, добьемся того, чтобы лампочки Л₁ и Л₂ горели одинаково. При таком условии цепи лампочек Л₁ и Л₂ имеют одинаковое сопротивление. При замыкании цепи лампочка Л₁ загорается сразу, а лампочка Л₂ наибольшего накала достигает не сразу, а с некоторым запозданием (ОА на графике рис. 150, б). Постепенное увеличение накала нити лампочки Л₂ происходит оттого, что сила тока в цепи, в которую включена катушка, увеличивается не сразу, а постепенно.

Рис. 150. К понятию самоиндукции

При постепенном увеличении силы тока вокруг катушки возрастает магнитный поток. Это вызывает появление вокруг и внутри нее индукционного электрического поля. Оно создает на зажимах катушки э. д. с. индукции. В катушке существуют два электрических поля: стационарное и индукционное. По правилу Ленца напряженность Е_ин индукционного поля направлена противоположно напряженности стационарного поля Е_ст. В результате напряженность результирующего поля Е_р будет меньше напряженности стационарного поля, образованного источником тока в цепи: Е_р = Е_ст - Е_ин. Это приводит к уменьшению тока в цепи в момент ее замыкания, поэтому он и не сразу достигает своего максимального значения (происходит задержка его увеличения). После того как ток достигнет наибольшего значения (АВ на графике рис. 150, б), прекращается увеличение магнитного потока, исчезает индукционное электрическое поле, а следовательно, и э. д. с. индукции.

Возникновение электродвижущей силы индукции в том же самом проводнике, в котором происходит изменение силы тока, называется явлением самоиндукции. В этом случае э. д. с. индукции называется э. д. с. самоиндукции.

Рассмотрим явление самоиндукции при размыкании цепи (рис. 150, в). Для этого лампочку Л подсоединим к катушке, по которой течет ток, а цепь разомкнем. В момент размыкания цепи аккумулятор перестает давать ток, а тот, который имеется в катушке, постепенно уменьшается до нуля. В это время лампочка Л ярко вспыхивает, а затем гаснет. После размыкания цепи ток в катушке постепенно уменьшается, одновременно уменьшается и магнитный поток, создаваемый им, который, проходя через витки катушки, вызывает в них после отключения аккумулятора э. д. с. самоиндукции, т. е. появление индукционного электрического поля. В этом случае по правилу Ленца напряженность этого поля Е_ин направлена в ту же сторону, что и напряженность стационарного электрического поля Е_ст в проводах. Результирующее поле в момент размыкания усиливается: Е_р = Е_ин + Е_ст, что и приводит к увеличению тока в цепи (ВС на графике, рис. 150, б). Поэтому происходит задержка уменьшения тока до нуля (точка Д на графике).

Если по катушке течет переменный ток, то магнитный поток, пронизывающий ее, то увеличивается, то уменьшается, что вызывает возникновение э. д. с. самоиндукции. В первом случае - как при замыкании цепи, во втором - как при ее размыкании.

Если ток в цепи увеличивается, то индукционное электрическое поле препятствует этому росту, следовательно, знак э. д. с. самоиндукции противоположен знаку разности потенциалов на зажимах катушки. Если ток в цепи уменьшается, то индукционное электрическое поле препятствует этому уменьшению, следовательно, знак э. д. с. самоиндукции такой же, как и знак разности потенциалов на зажимах катушки.

Рис. 151. Получение на экране осциллографа графика тока э. д. с. самоиндукции

В электрической цепи (рис. 151) звонок то замыкает цепь, то размыкает ее. В катушке L возникает ток э. д. с. самоиндукции, изменение которого фиксируется на экране осциллографа. Рассматривая графики тока э. д. с. самоиндукции при замыкании и при размыкании цепи, видим, что эти токи самоиндукции противоположны по направлению; в первый момент скорость их нарастания велика (крутизна графика большая), а затем постепенно уменьшается и после установления тока равна нулю^*.

^* (Полупроводниковый диод не допускает действия на осциллограф тока самоиндукции катушки звонка.)

Магнитный поток, проходящий через площадь сечения катушки, Ф = BS. Индукция магнитного поля внутри катушки Тогда магнитный поток Из формулы видно, что изменение силы тока I вызывает изменение магнитного потока: с усилением ее магнитный поток увеличивается: ΔФ~ΔI. Поэтому и скорость изменения магнитного потока прямо пропорциональна скорости изменения тока: Следовательно, и э. д. с. самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения тока:

В цепях переменного тока э. д. с. самоиндукции возникает все время вследствие непрерывного изменения в них тока. В цепях постоянного тока э. д. с. самоиндукции возникает только при замыкании и размыкании цепи.