Явление электромагнитной индукции можно наблюдать и в том случае, когда внешне е магнитное поле отсутствует. Например, если по замкнутому контуру пропустить переменный ток, то он создаст переменное магнитное роле. Переменное поле, в свою очередь, создаст переменный магнитный поток через контур и в нем возникнет эдс.
Возникновение электродвижущей силы в контуре, по которому протекает переменный ток, называется самоиндукцией.
Индукция магнитного поля, создаваемого током, прямо пропорциональна силе тока. Поэтому и магнитный поток, создаваемый этим полем, прямо пропорционален силе тока:
Ф = L×I.
Коэффициент пропорциональности L называется индуктивностью контура.
Индуктивность контура числено равна магнитному потоку, создаваемому током 1 А. Единица измерения – Генри Гн=Вб/А
Величина индуктивности зависит от формы и размера витков, от их количества, а также от магнитной проницаемости среды.
Найдем электродвижущую силу самоиндукции. По закону электромагнитной индукции для этого случая. эдс = –DФ/Dt = –L×DI/Dt
Электродвижущая сила самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения силы тока в контуре:
эдс = –L×DI/Dt
Знак "–" означает, что эдс самоиндукции препятствует изменению силы тока в контуре.
Благодаря самоиндукции ток в контуре не может ни мгновенно возникнуть, ни мгновенно исчезнуть, так как эдс самоиндукции противодействует и тому и другому. Так, при включении тока в контуре он нарастает постепенно. Во время нарастаниятока работа сторонних сил источника тока расходуется на создание магнитного поля. Следовательно магнитное поле обладает энергией.
Энергия магнитного воля контура пропорциональна его индуктивности и квадрату силы тока:
W = L×I2/2
Электромагнитные колебания. Колебательный контур и свободные колебания в нем. Превращения энергии в колебательном контуре. Собственная частота колебаний в контуре.
В механике колебаниями называют движения тел, обладающие той или иной степенью повторяемости. Особый интерес представляют периодические колебания, при которых значения всех характеристик движения (координаты, скорости, ускорения) повторяются через равные промежутки времени. Периодические изменения в электрических цепях называют электромагнитными колебаниями.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ КОЛЕБАНИЯМИ называют периодически изменения силы тока, напряжения, заряда конденсатора, а также характеристик электрического (напряженность) и магнитного (магнитная индукция) полей.
Электромагнитные колебания в замкнутой цепи, протекающие без периодического внешнего воздействия, называются СВОБОДНЫМИ.
Простейшая система, в которой могут возникать такие колебания, состоит из параллельно соединенных конденсатора и катушки индуктивности и называется колебательным контуром. Рассмотрим идеальный контур, в котором сопротивление катушки и соединительных проводов равно нулю.
 |
Зарядим конденсатор от источника постоянного тока (ключ в положении 1). Электрическое поле конденсатора обладает энергией
Wэ = C×u2/2.
Если перебросить ключ в положение 2, то конденсатор начнет разряжаться через катушку индуктивности, и энергия его электрического поля будет уменьшаться. По закону сохранения энергии энергия не исчезает, а переходит из одного вида в другой. В данном случае – в энергию магнитного поля катушки индуктивности:
Wм = L×i2/2.
Поэтому по мере разрядки конденсатора (Wэ уменьшается) будет нарастать сила тока (и, следовательно, Wм). К тому моменту, когда конденсатор разрядится (напряжение u = 0), ток достигнет максимума и энергия электрического поля полностью перейдет в энергию магнитного поля. В обычном проводнике при u = 0 ток прекращается. Однако в катушке индуктивности возникает ЭДС самоиндукции, которая препятствует мгновенному исчезновению тока, и он будет спадать постепенно. К тому моменту, когда ток спадет до нуля, конденсатор перезарядится. При этом энергия магнитного поля перейдет в энергию электрического поля. После этого процесс повторится в обратном направлении. В контуре возникнут свободные незатухающие колебания, в процессе которых происходят взаимные превращения энергий электрического и магнитного полей (Wэ ® Wм ® Wэ ®..).
Расчеты показывают, что такие колебания являются гармоническими. Их период зависит от индуктивности катушки (L) и емкости конденсатора (C):
.
Частота и период взаимнообратны: f = 1/T.