"Физика", Перышкин А.В., Гутник Е.М.
Самоиндукция — это возникновение ЭДС индукции в проводнике при изменении тока в нём самом. Ток создаёт магнитное поле, а изменение этого поля вызывает дополнительную ЭДС. Она препятствует изменению тока: при возрастании ослабляет его, а при уменьшении поддерживает. Главная характеристика проводника в этом явлении — индуктивность L, измеряемая в генри. Чем быстрее меняется ток и чем больше индуктивность, тем значительнее ЭДС самоиндукции.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Самоиндукция — возникновение ЭДС индукции в проводнике при изменении силы тока в нём самом. Это частный случай электромагнитной индукции, когда причиной появления ЭДС служит не внешний магнит, а собственный изменяющийся ток. Понятие помогает объяснить сопротивление цепи быстрым изменениям тока.
ЭДС самоиндукции — ЭДС, возникающая из-за изменения магнитного поля, созданного током в том же проводнике. Она может появляться и при включении, и при выключении цепи, и при любом изменении тока. Обозначают её обычно ε; по направлению она противодействует изменению тока.
Индуктивность — физическая величина, характеризующая способность проводника создавать ЭДС самоиндукции; её обозначают L. Большая индуктивность означает, что при одинаково быстром изменении тока возникнет большая ЭДС. Особенно заметна индуктивность у катушек с большим числом витков.
Генри — единица индуктивности. Индуктивность равна 1 Гн, если при изменении тока на 1 А за 1 с возникает ЭДС самоиндукции 1 В. Эта единица позволяет сравнивать способность разных проводников противодействовать изменению тока.
Ток в катушке создаёт вокруг неё магнитное поле. Если сила тока меняется, поле не может оставаться прежним: изменяются его напряжённость и магнитный поток через витки этой же катушки. Поэтому катушка одновременно является источником магнитного поля и участником явления индукции.
Изменение магнитного потока вызывает ЭДС индукции в том же проводнике. Внешнего магнита для этого не требуется, потому что магнитное поле создаётся самим током. Так возникает самоиндукция: изменение тока порождает ЭДС, которая влияет на дальнейшее изменение того же тока.
Направление ЭДС определяется правилом Ленца. При увеличении тока магнитное поле усиливается, поэтому возникающая ЭДС направлена против тока и замедляет его рост. При уменьшении тока поле ослабевает, и ЭДС направляется так, чтобы поддержать ток и не дать ему исчезнуть слишком быстро.
Модуль ЭДС самоиндукции зависит от двух причин: от индуктивности проводника и от скорости изменения тока. Его вычисляют по формуле ε = L|ΔI/Δt|, где ΔI — изменение силы тока, а Δt — промежуток времени. В записи ε = −L·ΔI/Δt знак минус показывает, что ЭДС противодействует именно изменению тока.
Индуктивность определяется устройством проводника и окружающей средой. На неё влияют форма и размеры проводника, число витков катушки, наличие сердечника и свойства материала вокруг витков. Поэтому катушка обычно обладает большей индуктивностью, чем прямой провод: её витки усиливают общее магнитное поле и изменение магнитного потока.
| Изменение силы тока | Направление ЭДС самоиндукции | Действие на ток |
|---|---|---|
| Сила тока увеличивается | Против направления тока | Замедляет увеличение тока |
| Сила тока уменьшается | В направлении прежнего тока | Поддерживает ток и замедляет его уменьшение |
| Сила тока не изменяется | ЭДС самоиндукции не возникает | Не влияет на постоянный ток |
Сначала определите, увеличивается ток, уменьшается или остаётся постоянным. Затем по второй колонке установите направление ЭДС, а по третьей — её действие. Если ток меняется быстрее, при той же индуктивности модуль ЭДС будет больше.
Условие: в катушке индуктивностью 0,4 Гн ток увеличился с 1 А до 3 А за 0,2 с. Найти модуль ЭДС самоиндукции.
Ответ: модуль ЭДС самоиндукции равен 4 В. Ток увеличивается, поэтому ЭДС направлена против его увеличения.
Условие: ток в катушке индуктивностью 0,5 Гн равномерно уменьшился с 4 А до 1 А за 0,3 с. Найти модуль ЭДС и определить её направление.
Ответ: модуль ЭДС равен 5 В; она направлена в сторону прежнего тока.
Условие: при изменении тока на 6 А за 0,2 с возникла ЭДС самоиндукции 12 В. Найти индуктивность и определить, как изменится ЭДС при вдвое большей скорости изменения тока.
Ответ: индуктивность катушки равна 0,4 Гн, а новая ЭДС составит 24 В.
Считать, что самоиндукция возникает только при замыкании цепи, неверно. ЭДС появляется при любом изменении тока, в том числе при его уменьшении. Проверьте себя: если ток изменился, изменилось и созданное им магнитное поле.
Нельзя утверждать, что ЭДС всегда направлена против тока. Она противодействует изменению: при росте тока ослабляет его, а при уменьшении поддерживает прежнее направление. Для проверки сначала определите, растёт ток или убывает.
Иногда учитывают только величину изменения тока и забывают о времени. В формуле есть отношение |ΔI/Δt|, поэтому одинаковое изменение за меньшее время создаёт большую ЭДС. Сравните именно скорость изменения, а не только начальное и конечное значения.
Индуктивность не следует путать с ЭДС или силой тока. Это характеристика проводника, обозначаемая L и измеряемая в генри. Проверьте единицы: для ЭДС используются вольты, для тока — амперы, для индуктивности — генри.
Для понимания самоиндукции нужны знания об электромагнитной индукции, магнитном потоке и правиле Ленца. На этих понятиях основано объяснение появления и направления ЭДС.
Индуктивность особенно важна при изучении катушек и переходных процессов в электрических цепях, когда ток не изменяется мгновенно. С ней также связаны магнитное поле катушки и энергия магнитного поля тока.
Почему самоиндукция возникает в том же проводнике, где меняется ток?
Ток в проводнике создаёт магнитное поле вокруг него. Когда ток изменяется, меняется и магнитный поток через этот же проводник, поэтому в нём возникает ЭДС индукции.
Почему ЭДС самоиндукции мешает изменению тока?
Это следует из правила Ленца: возникающий индукционный ток направлен так, чтобы противодействовать причине своего появления. Причиной здесь является изменение силы тока, поэтому ЭДС самоиндукции замедляет это изменение.
В каком направлении направлена ЭДС самоиндукции при уменьшении тока?
При уменьшении тока ЭДС самоиндукции направлена так, чтобы поддержать прежний ток. Поэтому относительно направления прежнего тока она действует согласно ему.
От чего зависит индуктивность катушки?
Индуктивность зависит от формы и размеров катушки, числа витков и свойств среды внутри и вокруг неё. Катушка с большим числом витков обычно имеет большую индуктивность, чем короткий прямой провод.
Как изменится ЭДС самоиндукции, если ток будет меняться быстрее?
Модуль ЭДС увеличится, потому что он пропорционален скорости изменения тока. При том же изменении силы тока за вдвое меньшее время ЭДС станет вдвое больше.
§ 41 Явление самоиндукции
