Книга Электроника для начинающих (2-е издание) - Чарльз Платт

25. Электромагнитные явления

Теперь, когда я предложил возможные направления для дальнейшей работы, позвольте затронуть очень важную тему, которая ждала своей очереди: взаимосвязь между электрическими и магнитными явлениями. Так мы придем к вопросам воспроизведения звука и к работе радио, я опишу основы самоиндукции, которая является третьим и последним основным свойством пассивных компонентов (другие два – сопротивление и емкость). Я оставил индуктивность напоследок, поскольку в цепях постоянного тока она имеет ограниченное применение. Но как только мы начинаем работать с аналоговыми колебаниями, она становится фундаментальной.

Двусторонняя взаимосвязь

Электрическое поле может создавать магнитное. Магнитное поле может приводить к появлению электрического.

Два принципа лежат в основе электромагнитного взаимодействия:

• Когда ток течет по проводу, вокруг провода образуется магнитное поле. Этот принцип используется почти в каждом электродвигателе.

• Когда провод перемещается в магнитном поле, в проводе возникает электрический ток. На этом принципе основаны генераторы электроэнергии.

Дизельный двигатель, гидротурбина, ветряк или какой-либо другой источник энергии может вращать проволочную обмотку в мощном магнитном поле. В витках обмотки индуцируется электрический ток. За исключением солнечных батарей, все другие промышленные источники электрической энергии используют магниты и проволочные обмотки.

В следующем эксперименте вы увидите впечатляющую демонстрацию этого эффекта. Вы должны были изучать его в рамках школьной программы, но даже если вы и проводили подобный эксперимент ранее, предлагаю выполнить его еще раз, потому что подготовка к нему займет совсем мало времени.

Что вам понадобится

• Большая отвертка (1 шт.)

• Провод 22-го калибра (диаметр 0,64 мм) или тоньше (не более 1,8 метра)

• Батарея на 9 В (1 шт.)

• Скрепка (1 шт.)

Несложный опыт

Все очень просто. Намотайте провод на стержень отвертки возле ее наконечника. Витки должны быть аккуратными, плотными, расположенными близко друг к другу, вам необходимо сделать 100 витков, которые умещаются на расстоянии не более 5 см. Чтобы уместить их на таком пространстве, вам потребуется наматывать витки поверх предыдущих. Для надежности последний виток закрепите изолентой.

Теперь подключите к концам провода 9-вольтовую батарею. На первый взгляд, может показаться, что так делать нельзя, поскольку вы замкнете батарею накоротко, как это было в эксперименте 2. Но когда вы пропускаете ток через провод, который образует витки, а не является прямым, электрический ток действует иначе и способен выполнить определенную работу (например, он может двигать скрепку). Поместите небольшую скрепку рядом с наконечником отвертки, как показано на рис. 5.9.

Рис. 5.9. Этот простейший электромагнит способен притянуть скрепку

Рис. 5.10. Самая простая схема

Рис. 5.11. Когда электрический ток протекает слева направо по этому проводнику, он индуцирует магнитное поле, показанное стрелками

Поверхность должна быть гладкой, чтобы скрепка могла свободно скользить. Поскольку многие отвертки являются магнитными, может получиться так, что скрепка и без подачи тока притягивается к наконечнику отвертки. Если это происходит, отодвиньте скрепку за пределы зоны притяжения. Теперь подайте ток в цепь, и скрепка должна сразу же притянуться к кончику отвертки. Поздравляю, вы только что собрали электромагнит. Его электрическая схема показана на рис. 5.10.

Индуктивность

Когда электрический ток течет по проводу, он создает вокруг него магнитное поле (рис. 5.11). Поскольку электричество «индуцирует» этот эффект, он называется индуктивностью.

Поле вокруг прямого провода очень слабое, но если вы свернете провод в кольцо, силовые линии магнитного поля будут концентрироваться, действуя по направлению через центр круга, как показано на рис. 5.12. Если мы добавим больше витков, создав обмотку, то концентрация силовых линий еще больше возрастет. А если мы поместим стальной или железный объект (например, отвертку) в центр обмотки, ее эффективность увеличится еще больше.

Рис. 5.12. Когда проводник согнут в виде кольца, результирующее магнитное поле концентрируется внутри, как показано большой стрелкой

Рис. 5.13. Графики зависимости индуктивности от размеров обмотки и числа витков в ней и приближенная расчетная формула

На рис. 5.13 это показано в виде графиков, наряду с формулой, известной как «приближение Уилера», которая позволяет приблизительно вычислить индуктивность катушки, если вы знаете внутренний и внешний радиусы, ширину и число витков обмотки. (Значения должны быть в дюймах, а не в метрической системе.) Основная единица индуктивности – генри, названная в честь американского первопроходца в изучении электричества Джозефа Генри. Поскольку это очень крупная единица (подобно фараду), формула выражает индуктивность в микрогенри.

Как видно из графиков, если оставить основной размер обмотки без изменений, но удвоить число витков (используя более тонкий провод или провод с более тонкой изоляцией), то реактивное сопротивление катушки вырастет в 4 раза. Это вызвано тем, что числитель формулы содержит множитель N×N.

Ключевые моменты:

• При увеличении диаметра обмотки растет и индуктивность.

• Индуктивность увеличивается приблизительно пропорционально квадрату числа витков. Другими словами, если число витков будет в три раза больше, то индуктивность возрастет в девять раз.

• При одинаковом числе витков индуктивность окажется меньше, если обмотка тонкая и широкая, и больше, если обмотка толстая и узкая.

Обозначения катушки индуктивности и термины

На рис. 5.14 приведены обозначения катушки индуктивности. Если смотреть слева направо, то первыми двумя символами обозначают катушку с воздушным сердечником (первый символ более старый, чем второй). Третий и четвертый символы указывают на то, то обмотка намотана вокруг твердого железного сердечника или вокруг сердечника, содержащего частички железа или феррита, соответственно. Железный сердечник будет увеличивать индуктивность катушки, поскольку он усиливает магнитный эффект.

Рис. 5.14. Обозначение катушек индуктивности на схемах

Если вы измерите магнитное поле, которое создается катушкой с положительным полюсом источника питания на одном конце и отрицательным – на другом, а затем поменяете полярность источника питания, то магнитное поле станет обратным.

Возможно, самое распространенное применение катушек индуктивности – в трансформаторах, где переменный ток в одной катушке индуцирует переменный ток в другой, при этом железный сердечник для двух обмоток обычно общий. Если число витков первичной (входной) обмотки вдвое меньше, чем вторичной (выходной), то напряжение удвоится, а сила тока уменьшится вдвое (при гипотетическом условии, что КПД трансформатора составляет 100 %).

Первопроходцы: Джозеф Генри

Джозеф Генри, родившийся в 1797 году, стал первым, кто разработал и продемонстрировал мощные электромагниты. Он также придумал понятие «самоиндукция», обозначающее «электрическую инерцию», которая свойственна проволочной обмотке.

Генри был сыном поденного рабочего в Олбани, штат Нью-Йорк. Прежде чем пойти учиться