Якщо у Вашій школі фізику викладали добре, то, напевно, Вам запам'ятався досвід, наочно пояснював явище електромагнітної індукції.
Зовні це виглядало приблизно так: учитель приходив до класу, чергові приносили якісь прилади і розставляли на столі. Після пояснення теоретичного матеріалу починався показ дослідів, що наочно ілюструє розповідь.
Для демонстрації явища електромагнітної індукції були потрібні котушка індуктивності досить значних розмірів, потужний прямий магніт, з'єднувальні дроти і прилад під назвою гальванометр.
Гальванометр зовнішнім виглядом був плоский ящик розміром трохи більше стандартного аркуша формату А4, а за передньою стінкою, закритою склом містилася шкала з нулем посередині. За цим же склом можна було побачити товсту чорну стрілку. Все це було досить помітно навіть з найостанніших парт.
Висновки гальванометра за допомогою проводів з'єднувалися з котушкою, після чого всередині котушки просто рукою переміщався вгору вниз магніт. В такт переміщенням магніту з боку в бік переміщалася стрілка гальванометра, що свідчило про те, що через котушку протікає струм. Правда, вже після закінчення школи, один знайомий учитель фізики розповідав, що на задній стінці гальванометра була потайна ручка, якою від руки приводилася в рух стрілка, якщо досвід не вдавався.
У той час ще не було достатньо чутливих і точних приладів, тому пішло чимало років на те, щоб здогадатися, що магніт має РУХАТИМЕТЬСЯ всередині котушки. Пробувалися різної форми і сили магніти, намотувальні дані котушок також змінювалися, магніт до котушки прикладався по-різному, але тільки змінний магнітний потік, досягнутий рухом магніту, привів до позитивних результатів.
Дослідженнями Фарадея було доведено, що електрорушійна сила, що виникає в замкнутому ланцюзі, (котушка і гальванометр в нашому досвіді) залежить від швидкості зміни магнітного потоку, обмеженого внутрішнім діаметром котушки. При цьому абсолютно байдуже, яким чином відбувається зміна магнітного потоку: чи то за рахунок зміни магнітного поля, то чи за рахунок переміщення котушки в постійному магнітному полі.
Самоіндукція, ЕРС самоіндукції
Найцікавіше в тому, що котушка знаходиться у власному магнітному полі, створеному протікає через неї струмом. Якщо в розглянутому контурі (котушка і зовнішні ланцюга) струм буде з яких-небудь причин змінюватися, то буде змінюватися і магнітний потік, що викликає ЕРС.
Подібна ЕРС носить назву ЕРС самоіндукції. Вивченням цього явища займався чудовий російський вчений Е.Х. Ленц. У 1833 році він відкрив закон взаємодії магнітних полів в котушці, що приводить до самоіндукції. Цей закон відомий тепер як закон Ленца. (Не плутати з законом Джоуля Ленца)!
Закон Ленца говорить про те, що напрямок індукційного струму, що виникає в провідному контурі таке, що він створює магнітне поле, яке протидіє зміні того магнітного потоку, яке викликало появу індукційного струму.
При цьому котушка знаходиться у власному магнітному потоці, який прямо пропорційний силі струму: Ф = L * I.
У цій формулі присутній коефіцієнт пропорційності L, також званий індуктивністю або коефіцієнтом самоіндукції котушки. В системі СІ одиниця вимірювання індуктивності називається генрі (Гн). Якщо при силі постійного струму 1А котушка створює власний магнітний потік 1Вб, то така котушка має індуктивністю в 1Гн.
Подібно зарядженого конденсатора, має запас електричної енергії, котушка, через яку протікає струм, володіє запасом магнітної енергії. За рахунок явища самоіндукції, якщо котушка включена в ланцюг з джерелом ЕРС, при замиканні ланцюга струм встановлюється з затримкою.
У точності так само він не відразу припиняється при відключенні. При цьому на висновках котушки діє ЕРС самоіндукції, значення якої значно (в десятки разів) перевищує ЕРС джерела живлення. Наприклад, подібне явище використовується в котушках запалювання автомобілів, в малих розгортках телевізорів, а також в стандартній схемі включення люмінесцентних ламп. Це все корисні прояви ЕРС самоіндукції.
У деяких випадках ЕРС самоіндукції носить шкідливий характер: якщо транзисторний ключ навантажений обмоткою котушки реле або електромагніту, то для захисту від ЕРС самоіндукції паралельно обмотці встановлюють захисний діод полярністю зворотного ЕРС джерела живлення. Це включення показано на малюнку 1.
Малюнок 1. Захист транзисторного ключа від ЕРС самоіндукції.
Як виявити короткозамкнені витки
Часто виникають сумніви, а чи немає в трансформаторі або обмотках двигуна короткозамкнутих витків? Для подібних перевірок використовуються різні прилади, наприклад, RLC мости або саморобні прилади - пробники. Однак, перевірити наявність короткозамкнених витків можна за допомогою простої неонової лампи. Лампа може підійти будь-яка навіть від несправного електрочайника китайського виробництва.
Для проведення вимірювання лампу без обмежувального резистора необхідно підключити до досліджуваної обмотці. Обмотка повинна мати найбільшу індуктивність; якщо це мережевий трансформатор, то підключайте лампу до мережевої обмотці. Після цього через обмотку слід пропустити струм силою в кілька міліампер. Для цієї мети можна скористатися джерелом живлення з послідовно включеним резистором, як показано на малюнку 2.
Як джерело живлення можна використовувати батарейки. Якщо в момент розмикання живильного ланцюга спостерігається спалах лампи, то котушка справна, короткозамкнутих витків немає. (Щоб послідовність дій була зрозуміліше на малюнку 2 показаний вимикач).
Подібні вимірювання можна проводити, використовуючи в якості батарейок стрілочний авометр, такий як ТЛ-4 в режимі вимірювання опору * 1 Ом. В цьому режимі вказаний прилад дає струм близько півтора міліампер, що цілком достатньо для проведення описаних вимірювань. Цифровий мультиметр для цих цілей використовувати не можна його струму не вистачає для створення необхідної сили магнітного поля.
Подібні вимірювання можна провести в точності також, якщо неонову лампу замінити власними пальцями: для підвищення роздільної здатності вимірювального приладу пальці слід злегка Послинив. При справній котушці Ви відчуєте досить сильний удар струмом, звичайно, не смертельний, але і не дуже приємний.
Малюнок 2. Виявлення короткозамкнених витків за допомогою неонової лампи.