Источники теплоты в катушке постоянного тока

Итак, для этого опыта нам понадобится блок питания, который выдает постоянное напряжение, лампочка накаливания и собственно сама катушка индуктивности.

Чтобы сделать катушку индуктивности с хорошей индуктивностью, нам надо взять ферритовый сердечник:

Намотать на него лакированного медного провода и зачистить выводы:

Замеряем индуктивность нашей катушки с помощью LC метра:

Теперь собираем все это вот по такой схеме:

L — катушка индуктивности

La — лампочка накаливания на напряжение 12 Вольт

Bat — блок питания, с выставленным напряжением 12 Вольт

Как вы помните из прошлой статьи, конденсатор у нас не пропускал постоянный электрический ток:

Делаем вывод: постоянный электрический ток почти беспрепятственно течет через катушку индуктивности. Сопротивлением обладает только сам провод, из которого намотана катушка.

Электромагнитная индукция

Электромагнитная индукция — явление возникновения тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего его.

Явление электромагнитной индукции было открыто М. Фарадеем.

Майкл Фарадей провел ряд опытов, которые помогли открыть явление электромагнитной индукции.

Опыт раз. На одну непроводящую основу намотали две катушки: витки первой катушки были расположены между витками второй. Витки одной катушки были замкнуты на гальванометр, а второй — подключены к источнику тока.

При замыкании ключа и протекании тока по второй катушке в первой возникал импульс тока. При размыкании ключа также наблюдался импульс тока, но ток через гальванометр тек в противоположном направлении.

Опыт два. Первую катушку подключили к источнику тока, а вторую — к гальванометру. При этом вторая катушка перемещалась относительно первой. При приближении или удалении катушки фиксировался ток.

Опыт три. Катушка замкнута на гальванометр, а магнит движется вдвигается (выдвигается) относительно катушки

Вот, что показали эти опыты:

Почему возникает индукционный ток?

Ток в цепи может существовать, когда на свободные заряды действуют сторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура равна ЭДС.

Значит, при изменении числа магнитных линий через поверхность, ограниченную контуром, в нем появляется ЭДС, которую называют ЭДС индукции.

Индуктивность соленоида

Индуктивность соленоида выражается следующим образом:

где — магнитная проницаемость вакуума, — число витков на единицу длины соленоида, — число витков, — объём соленоида, — длина проводника, намотанного на соленоид, — площадь поперечного сечения соленоида, — длина соленоида, — диаметр витка.

Без использования магнитного материала магнитная индукция в пределах соленоида является фактически постоянной и равна

где — сила тока. Пренебрегая краевыми эффектами на концах соленоида, получим, что потокосцепление через катушку равно магнитной индукции , умноженной на площадь поперечного сечения и число витков :

Отсюда следует формула для индуктивности соленоида

эквивалентная предыдущим двум формулам.

Механические источники постоянного тока

Устройствами, преобразующими механическую энергию в электрическую, являются турбо и гидро генераторы. Они вырабатывают переменный электрический ток. Для основной части бытовых приборов источником постоянного тока выступают их блоки питания. В них производится преобразование переменного напряжения генератора в постоянное напряжение, необходимое для работы устройств. Эту задачу выполняют выпрямители, которые должны обеспечивать необходимую мощность источника постоянного тока для их нагрузки и постоянное значение выходного напряжения, не зависящее от потребляемого тока.

Блоки питания могут быть линейными и импульсными. Линейные блоки выполняются по разным схемам, основу которых составляют:

• однополупериодые выпрямители;
• двухполупериодные выпрямители.

В выпрямителях используется свойство полупроводниковых диодов пропускать ток только в одном направлении. Выпрямленное таким образом напряжение еще не является постоянным. Емкости последующих за выпрямителем конденсаторов сглаживающего фильтра при своем быстром заряде и медленном разряде поддерживают величину положительного однополярного напряжения на определенном значении. Его величина определяется трансформатором, получающим напряжение от генератора переменного тока. Для однофазного напряжения домашней сети 220 В 50 Гц его стальной сердечник имеет значительные размеры и вес.

Схемы однополупериодных содержат всего один полупроводниковый диод, пропускающий только одну полуволну синусоидального переменного входного напряжения.

Двухполупериодные выпрямители выполняются по мостовой схеме или по схеме с общей точкой. В последнем случае вторичная обмотка сетевого трансформатора имеет вывод от своей середины. Эти выпрямители представляют собой параллельное включение двух однополупериодных выпрямителей. Они действуют на обе полуволны синусоиды переменного входного напряжения.

Мостовая схема выпрямителя является наиболее распространенной. Соединение 4-х диодов в ней напоминает «квадрат». К одной из диагоналей подключается переменное напряжение вторичной обмотки сетевого трансформатора. Нагрузка включается в другую диагональ «квадрата». Им будет входной элемент сглаживающего фильтра.

Заключение

В рамках данной статьи было рассмотрено явление самоиндукции, приведен теоретический расчет ЭДС и практическое подтверждение этого расчета. Применяя модули Finder серии 99 и клеммники Klemsan серии WG-EKI, можно избавиться от пагубного воздействия самоиндукции и сохранить целостность коммутирующих элементов цепей управления.

Инженер ООО «КИП-Сервис»
Хоровец Г.Н.

Список использованной литературы:

1. Сивухин, Д.В. Общий курс физики. Электричество. Том III / Сивухин Д.В — М.: Наука, 1977. — 724.с.
2. Калашников, С.Г. Электричество / Калашников С.Г. — 6-е изд., стереот. — М.: Физматлит, 2003.-624.с.
3. Алексеев Н.И., Кравцов А.В. Лабораторный практикум по общей физике (электричество и магнетизм). Самоиндукция / Лицей No1580 при МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. — 16 с.

Конструкция катушки индуктивности

Вокруг прямолинейного проводника с постоянным током создается круговое магнитное поле. Линии напряженности напоминают спираль. Некто догадался свернуть провод кольцом, чтобы вклад элементарных сегментов сложился в центре. В результате внутри конструкции магнитное поле намного выше, нежели снаружи. Линии визуально наблюдаем на железных опилках. На Ютуб множество роликов, где через индуктивность пропускают ток, демонстрируя упорядоченную ориентацию металлической пыли в момент замыкания контактов. Конструкция способна запасать впрок магнитное поле подобно конденсатору, накапливающему заряд. Катушками называют только индуктивности, содержащие намотку лакированного провода. В микрополосковой технологии напыляемые для запасания магнитного поля элементы логично именовать индуктивностями.

Если в катушке, совсем как в той, что используют швеи, несколько витков провода расположить один за другим бок о бок так, чтобы ось была общей, линии напряженности магнитного поля суммируются. Простейшая индуктивность, способная накапливать энергию магнитного поля. При резком пропадании напряжения образуется явление обратной-ЭДС широко известное технике. Выступает причиной искрения коллекторных двигателей. Используется лакированный (с лаковой изоляцией) медный провод нужного сечения. Количество витков, форма сердечника определяются предварительно расчетами или по имеющемуся образцу.

Противо-ЭДС является паразитной, для гашения последовательно с катушкой включают емкость размером побольше, пытаясь занизить суммарное реактивное сопротивление. В импеданс индуктивности входят с положительным знаком, емкости – с отрицательным. Тесла изобрел катушку, взял патент. Но конструкция представляла собой плоскую спираль (лабиринт) с двойной намоткой. Ученый показал, индуктивность одновременно характеризуется значительным емкостным сопротивлением, при исчезновении напряжения явления обратной ЭДС никак не проявляет себя.

Бифилярные катушки сегодня широко используются. Что касается обратной ЭДС, служит причиной розжига разрядных ламп (дневного света). Вернемся к конструкции. В первом электромагните проволока оголенная, современные катушки индуктивности наматываются лакированным. Тонкая изоляция при необходимости может быть легко снята (например, токсичной муравьиной кислотой), в исходном состоянии надежно защищает конструкцию против короткого замыкания.

Внутри катушки находится сердечник из ферромагнитного материала. Форма не важна, сечение лучше брать круглым. На высоких частотах магнитный поток (см. Преобразователь напряжения) выходит на поверхность сердечника, смысл применения ферромагнитных сплавов пропадает, иногда используется латунь (даже композитные материалы, диэлектрики). Снижает индуктивность, на высоких частотах запасаемая за период мощность невелика. Трюк проходит. У многих возникает вопрос – зачем нужен сердечник?

Сердечник катушки индуктивности выступает опорой, долговечным каркасом, усиливая магнитное поле. Индукция связана с напряженностью поля через постоянную магнитной проницаемости среды. У ферромагнитных материалов параметр поистине велик. В тысячи раз больше, нежели воздуха, большинства металлов. С ростом частоты необходимость в сердечнике снижается, возникают некоторые негативные эффекты, два из которых особенно важны:

Линии магнитного поля, сформированные опилками

1. Переменное магнитное поле наводит вихревые токи, посредством которых функционируют индукционные плитки. Результат представите сами: какой нагрев сердечника вызовет. Сердечники силовых трансформаторов собираются из специальной электротехнической стали с высоким сопротивлением, разбиваются тонкими листами, изолированными взаимно слоем лака. Шихтование позволит сильно снизить влияние вихревых токов.
2. Второй эффект называется перемагничиванием. Отнимает энергию поля, вызывает нагрев материала. Явление характерно для ферромагнитных материалов, устраняется использованием латуни.

В микрополосковой технологии предусмотрено исполнение индуктивностей в виде плоских спиралей: проводящий материал через трафарет напыляется на подложку (возможный метод). Напоминает конструкцию Николы Тесла. Номинал катушка индуктивности имеет весьма малый, иного не надо на частотах СВЧ. Расчет ведется по специальным справочникам, хотя пользуются преимущественно инженеры-конструкторы.

Для намотки индуктивности изготавливают специальные приспособления, напоминающие катушку спиннинга. На ось одевается сердечник с ограничителем по бокам, вращая ручку, мастер внимательно считает количество оборотов, отмеряет нужную длину. Медленно, по способу челнока рука двигается влево-вправо, витки ровно ложатся последовательно.

По назначению соленоиды разделяют на два класса:

1. Стационарные. То есть, для магнитных полей стационарного вида, которые долго держатся при некоторых значениях.
2. Импульсные. Для создания импульсных магнитных полей. Они могут существовать только в краткий период времени, не больше 1 с.

Стационарные способны создать поля не более 2,5х10 5 Э. Соленоиды импульсного типа могут создать поля 5х10 6 Э. Если при создании поля соленоиды не подвергаются деформации и не слишком греются, то магнитное поле прямо зависит от проходящего тока: Н = k*I, где k – постоянная величина соленоида, поддающаяся расчету.

Стационарные делятся:

• Резистивные.
• Сверхпроводящие.

Резистивные соленоиды производят из материалов, обладающих электрическим сопротивлением. В связи с этим вся подходящая к ним энергия переходит в теплоту. Чтобы избежать теплового разрушения устройства, необходимо отвести лишнее тепло. Для этих целей применяют криогенное или водяное охлаждение. Для этого требуется вспомогательная энергия, сравнимая с требуемой энергией для питания соленоида.

Сверхпроводящие соленоиды производят из сплавов, обладающих свойствами сверхпроводимости. Их электрическое сопротивление равно нулю при различных температурах во время эксперимента. При функционировании сверхпроводящего соленоида теплота выделяется только в подходящих проводниках и источнике напряжения. Источник питания в этом случае можно исключить, так как соленоид функционирует в короткозамкнутом режиме. При этом поле может существовать без расхода энергии бесконечно долго при условии сохранения сверхпроводимости.

Устройства для создания мощных магнитных полей включают в себя три главные части:

1. Соленоид.
2. Источник тока.
3. Система охлаждения.

При проектировании соленоида берут во внимание величины внутреннего канала и мощности источника питания.

Создание устройства с резистивным соленоидом для образования стационарных полей является глобальной научно-технической задачей. В мире, в том числе и в нашей стране, существует всего несколько лабораторий с подобными устройствами. Применяются соленоиды различных конструкций, эксплуатация которых осуществляется около тепловой границы.

Для обслуживания таких устройств необходим персонал, состоящий из работников высокой квалификации, работа которых дорого ценится. Большая часть финансов расходуется на оплату электрической энергии. Эксплуатация и обслуживание таких мощных соленоидов со временем окупается, так как ученые и исследователи различных областей науки, из разных стран могут получать важнейшие результаты для развития науки.

Наиболее сложные и важные задачи можно решить путем применения сверхпроводящих соленоидов. Этот способ более эффективный, экономичный и простой. Для примера можно назвать создание мощных стационарных полей сверхпроводящими соленоидами. Наиболее оригинальное свойство сверхпроводимости – это отсутствие электрического сопротивления у некоторых сплавов и металлов при температуре ниже критического значения.

Явление сверхпроводимости позволяет производить соленоид, не имеющий диссипации энергии при прохождении электрического тока. Однако, образованное поле имеет ограничение в том, что при достижении некоторого значения критического поля свойство сверхпроводимости разрушается, и электрическое сопротивление возобновляется.

Критическое поле повышается при снижении температуры от 0 до наибольшего значения. Еще в 50-х годах прошлого века открыты сплавы, у которых критическая температура находится в интервале от 10 до 20 К. При этом они имеют свойства очень мощных критических полей.

Технология создания таких сплавов и производство из них материалов для катушек соленоидов очень трудоемка и сложна. Поэтому такие устройства имеют высокую стоимость. Однако их эксплуатация недорогая и простая в обслуживании. Для этого необходим только источник питания низкого напряжения небольшой мощности и жидкий гелий. Мощность источника понадобится не выше 1 киловатта. Устройство таких соленоидов состоит из катушки, выполненной из меди и сверхпроводника многожильным проводом, лентой или шиной.

Существует возможность снижения энергетических затрат на создание еще более мощных полей. Эта возможность реализуется в нескольких ведущих странах, в том числе и в России. Такой способ основан на применении комбинации из водоохлаждаемого и сверхпроводящего соленоидов. Его еще называют гибридным соленоидом. В этом устройстве интегрируются наибольшие достижимые поля обоих типов соленоидов.

Водоохлаждаемый соленоид должен находиться внутри сверхпроводящего. Создание гибридного соленоида является объемной и сложной научно-технической проблемой. Для ее решения требуется работа нескольких коллективов научных учреждений. Подобное гибридное устройство эксплуатируется в нашей стране в Академии наук. Там соленоид со сверхпроводящими свойствами имеет массу 1,5 тонны. Обмотка выполнена из специальных сплавов ниобия с цинком и титаном. Обмотка водоохлаждаемого соленоида выполнена медной шиной.

Устройство и принцип действия

Соленоидом также можно назвать катушку индуктивности, которая намотана проводом на каркас в виде цилиндра. Такие катушки могут быть намотаны как одним, так и несколькими слоями. Так как длина обмотки намного больше диаметра, то при подключении постоянного напряжения на эту обмотку, внутри катушки образуется магнитное поле.

Часто соленоидами называют электромеханические устройства, содержащие катушку, внутри которой имеется ферромагнитный сердечник. Такие устройства выполнены в виде втягивающих реле автомобильного стартера, различных электроклапанов. Втягивающим элементом такого своеобразного электромагнита является сердечник из ферромагнитного материала.

Если в устройстве соленоида нет сердечника, то при подключении постоянного тока вдоль обмотки образуется магнитное поле. Индукция этого поля равна:

Где, N – количество витков в обмотке, l – длина катушки, I – ток, протекающий по соленоиду, μ0 — вакуумная магнитная проницаемость.

На концах соленоида величина магнитной индукции в два раза ниже, по сравнению с внутренней частью, так как две части соленоида совместно образуют двойное магнитное поле. Это применимо к длинному или бесконечному соленоиду, в сравнении с диаметром каркаса обмотки.

По краям соленоида магнитная индукция равна:

Так как соленоиды являются катушками индуктивности, следовательно, соленоид может запасать энергию в магнитном поле. Эта энергия равна работе, совершаемой источником, для образования тока в обмотке.

Этот ток образует в соленоиде магнитное поле:

Если ток в катушке изменяется, то возникает ЭДС самоиндукции. В этом случае напряжение на соленоиде определяется:

Индуктивность соленоида определяется:

Где, V – объем катушки соленоида, z – длина проводника катушки, n – количество витков, l – длина катушки, μ0 — вакуумная магнитная проницаемость.

При подключении к проводникам соленоида переменного напряжения, магнитное поле будет создаваться тоже переменным. Соленоид имеет сопротивление переменному току в виде комплекса двух составляющих: активной и реактивной. Они зависят от индуктивности и электрического сопротивления проводника катушки.