 |
переменный ток. Катушка индуктивности в цепи постоянного тока.. UL = Uпит - UR; ES=0; I=max
|
|
|
|
переменный ток
Катушка индуктивности в цепи постоянного тока.
В первую очередь разберемся, что же происходит в самой катушке при протекании тока. Эксперименты великих исследователей показали, что если ток не изменяет своей величины, то катушка не оказывает на него никакого влияния.
Значит ли это, что в случае постоянного тока использование катушек индуктивности и рассматривать не стоит? А вот и нет! Ведь постоянный ток можно включать/выключать, и как раз в моменты переключения происходит все самое интересное.
Рассмотрим цепь:
Резистор выполняет в данном случае роль нагрузки, на его месте могла бы быть, к примеру, лампа. Помимо резистора и индуктивности, в цепь включены источник постоянного тока и переключатель, с помощью которого мы будем замыкать и размыкать цепь.
Что произойдет в тот момент, когда мы замкнем выключатель? Начнется переходный процесс.
Ток через катушку начнет изменяться, поскольку в предыдущий момент времени он был равен 0. Изменение тока приведет к изменению магнитного потока внутри катушки, что, в свою очередь, вызовет возникновение ЭДС (электродвижущей силы) самоиндукции, которую можно выразить следующим образом:
Е = - L * Δ I / Δ t, где L – коэффициент пропорциональности, равный индуктивности катушки.
Возникновение ЭДС приведет к появлению индукционного тока в катушке, который будет протекать в направлении, противоположном направлению тока источника питания.
Таким образом, ЭДС самоиндукции в начальный момент будет препятствовать протеканию тока через катушку.
Это значит, что в начальный момент времени (непосредственно после замыкания выключателя) ток через катушку будет равен 0. В этот момент времени ЭДС самоиндукции максимальна и уравновешивает ЭДС источника питания. Что произойдет дальше? Поскольку величина ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения тока, то она будет постепенно ослабевать, а ток через катушку, наоборот будет возрастать. Давайте посмотрим на графики, иллюстрирующие то, что мы обсудили:
|
|
|
На первом графике мы видим входное напряжение цепи – изначально цепь разомкнута, а при замыкании переключателя появляется постоянное значение.
На втором графике мы видим изменение величины тока через катушку индуктивности. Непосредственно после замыкания ключа ток отсутствует из-за возникновения ЭДС самоиндукции, а затем начинает плавно возрастать.
Напряжение на катушке, наоборот в начальный момент времени максимально, а затем уменьшается.
График напряжения на нагрузке будет по форме (но не по величине) совпадать с графиком тока через катушку (поскольку при последовательном соединении ток, протекающий через разные элементы цепи одинаковый). Таким образом, если в качестве нагрузки мы будем использовать лампу, то она загорится не сразу после замыкания переключателя, а с небольшой задержкой (в соответствии с графиком тока).
После окончания переходного процесса в цепи пройдет постоянный ток;
UL = Uпит - UR; ES=0; I=max
Как будет протекать переходный процесс при размыкании ключа? В катушке индуктивности возникнет ЭДС самоиндукции, но индукционный ток в случае размыкания будет направлен в том же самом направлении, что и ток в цепи, а не в противоположном, поэтому запасенная энергия катушки индуктивности в начальный момент пойдет на поддержание тока в цепи:
Входное напряжение цепи станет равно 0 сразу после размыкания ключа.
После размыкания ключа возникает ЭДС самоиндукции, которая препятствует уменьшению тока через катушку, поэтому ток достигает нулевого значения не сразу, а по истечении некоторого времени.
|
|
|
Напряжение в катушке по форме идентично случаю замыкания переключателя, но противоположно по знаку. Это связано с тем, что изменение тока, а соответственно и ЭДС самоиндукции в первом и втором случаях противоположны по знаку (в первом случае ток возрастает, а во втором убывает).
Направление ЭДС самоиндукции определяется по закону Ленца:
|
|
|
