uabooks.top

Az elektromos örvénytér a vezetőben az őt körülvevő mágneses tér változásakor jön létre. Ilyen teret a vezető is létrehozhat, ha a benne folyó áram erőssége változik, viszont a vezető nem tudja megkülönböztetni a „saját" terét az „idegen" tértől. Tisztázzuk, milyen hatások jönnek létre, ha a vezető a „saját" mágneses terében van.

Mi az önindukció?

Összeállítunk egy elektromos áramkört (14.1. ábra). A kör zárásával az 1. izzólámpa azonnal, a 2. pedig érezhető késéssel kigyúl. Ha megszakítjuk az áramkört, mindkét lámpa egyszerre alszik ki, de a kikapcsolás pillanatában a fényességük felerősödik. Miért történik így?

 

A kör záródik	A kör nyílik
A kör zárásakor az I áramerősség azonnal növekszik.	A kör megszakításakor az I áramerősség csökken.
A tekercs belsejében változó mágneses tér jön létre, melynek В mágneses indukciója szintén megnő. A változó mágneses tér E elektromos örvényteret hoz létre, melynek iránya Lenz szabálya szerint a tekercsben folyó áram irányával ellentétes irányú lesz.	Az áram által létrehozott В mágneses indukció szintén csökken. A változó mágneses tér E elektromos örvényteret hoz létre, melynek iránya Lenz szabálya szerint a tekercsben folyó áram irányával megegyező irányú lesz.
	Úgy tűnhet, hogy a 2. izzólámpának később kellene kialudnia, mint az 1-nek, viszont mindkettő egyszerre alszik ki! Arról van szó, hogy a két izzóból, tekercsből és rezisztorból álló áramkör zárt marad. Ebben az esetben a tekercs szolgál áramforrásul: a tekercsben létrejött örvénytér fenntartja az áramot. Az áram a tekercsen és a 2. lámpán változatlan irányban halad tovább, az áram iránya az 1. lámpában és a rezisztorban az ellenkezőjére változik.
Ezért az áram a tekercs körében (tehát a 2. izzólámpán is) nem azonnal, hanem fokozatosan növekszik. Érthető, hogy az 1. lámpát árammal ellátó összekötő vezetékekben is elektromos örvénytér jön létre, aminek az EME-je jelentéktelen.

Azt a jelenséget amikor a változó erősségű áram hatására a vezetőben örvényáram jön létre, önindukciónak nevezzük.

Az önindukció EME-je. Induktivitás

A vezetőben a saját mágneses terének változása eredményeként létrejött elektromotoros erőt az önindukció elektromotoros erejének nevezik.

Faraday törvénye alapján az önindukciós EME egyenesen arányos a vezetőben lévő áramerősség változási sebességével:

Mivel a

mágneses fluxus egyenesen arányos az áram mágneses tere indukciójával (Ф ~ В), a mágneses indukció egyenesen arányos a vezetőben lévő áramerősséggel (I ~ B), ezért a mágneses fluxus egyenesen arányos a vezetőben lévő áramerősséggel: Φ = LI (L — arányossági együttható). Ennek megfelelően a mágneses fluxus változása egyenesen arányos az áramerősség változásával:

Az önindukció törvénye:

Az önindukciós EME egyenesen arányos a vezetőben lévő áramerősség változási sebességével:

Az L arányossági együtthatót a vezető induktivitásának nevezik.

Az L induktivitás a vezető elektromos tulajdonságait jellemző fizikai mennyiség, amely számszerűleg egyenlő azzal az önindukciós elektromotoros erővel, amelyet az 1 másodperc alatt történő 1 ampernyi áramerősség-változás hoz létre:

Jegyezzétek meg!

Az induktivitás - a vezető jellemzője, ezért az nem függ sem az áramerősségtől, sem a vezetőben az áramváltozás eredményeként létrejövő önindukció EME-től.

Az induktivitás függ:

• a vezetőt övező közeg mágneses tulajdonságaitól;

• a vezető méreteitől és alakjától (például az egyenes vezető induktivitása jelentősen kisebb az ugyanolyan, de ceruzára csavart vezető induktivitásától);

• a mag meglététől és alakjától.

Például a szolenoid induktivitása a következő képlettel határozható meg:

neses állandó; N — a szole-noidon lévő menetek száma; l és S - a szolenoid hossza és keresztmetszetének területe.

Az induktivitás mértékegysége a Sí rendszerben — henry: [L] = 1 H; a mennyiséget Joseph Henry (1797-1878) amerikai fizikus tiszteletére nevezték el, aki 1831-ben fedezte fel az önindukció jelenségét.

A vezető induktivitása 1 H, ha abban az 1 s alatt bekövetkező 1 A áramerősség-változás 1 V önindukciós EME-t hoz létre:

A generátorok és motorok tekercseinek nagy az induktivitása, ezért az áramkör megszakításakor, amikor az áramerősség gyorsan változik, az önindukció EME-je akkora értéket érhet el, hogy átütheti a szigetelést.

Hogyan számítható ki a mágneses tér energiája?

Tisztázzuk, hogy miből származik az az energia, amely az áramforrás kikapcsolása után még bizonyos ideig táplálja az áramot az áramkörben. Nyilvánvaló, hogy ez az energia a mágneses tér energiájának alakjában volt elraktározva. Valóban (lásd a 14.2. ábrát):

1) az áramforrás az áramkör zárása után azonnal dolgozni kezd, viszont a körben az áram a maximális értéket nem azonnal éri el. Ez azt jelenti, hogy a 0 — Í! időintervallumban az áramforrás energiája még valamire fordítódik;

2) a Ο — ti időintervallumban a tekercs mellett viszonylag jelentős mágneses tér jön létre és ezenkívül semmilyen más változás nem történik. Tehát az energia a mágneses tér létrehozására fordítódik.

*

Érthető, hogy minél nagyobb a tekercsben (a vezetőben) az áramerősség, annál több energia raktározódik el. A mágneses tér energiája a tekercs nagyobb L induktivitásának esetében is nagyobb lesz, mivel ekkor az áram lassan éri el a maximális értékét. A pontos számítások a mágneses tér energiájának (W_M) meghatározására a következő képletet adják:

Az áramjárta vezető mágneses terének energiája a vezető induktivitása és a vezetőben folyó áramerősség négyzetének félszorzatával egyenlő.

Jegyezzétek meg!

Az induktivitás a mechanikában a tömeghez hasonlítható.

A test elmozdításához munkavégzés szükséges:

minél nagyobb a test tömege, annál nagyobb munkát kell végezni; fékezésnél a test végez munkát.

Az áram létrehozásához az örvénytér erőivel szemben kell munkát végezni:

minél nagyobb a vezető induktivitása, annál nagyobb munkavégzésre van szükség; az áram csökkenése során az elektromos örvénytér végez munkát.

Gyakoroljuk a feladatok megoldását! Feladat. Az 5,0 H induktivitású szupravezető tekercset rákapcsolják a 20 V EME-vei és elhanyagolhatóan kis belső ellenállással rendelkező áramforrásra. Az áramerősség növekedését a tekercsben egyenletesnek véve határozzátok meg azt az időt, amely alatt az áramerősség eléri a 10 A értéket.

Összegezés

Azt a jelenséget, amikor a változó erősségű áram hatására a vezetőben örvényáram jön létre, önindukciónak nevezzük.

A vezetőben a saját mágneses terének változása eredményeként létrejött elektromotoros erőt az önindukció elektromotoros erejének nevezik. Az önindukció EME-je egyenesen arányos az áramerősség változásával a vezetőben:

Az induktivitás a vezető elektromos tulajdonságait jellemző fizikai meny-nyiség, amely számszerűleg egyenlő azzal az önindukciós elektromotoros erővel, amelyet az 1 másodperc alatt történő 1 ampernyi áramerősség-változás hoz

létre:

Az induktivitás mértékegysége a Sí rendszerben —

henry (H).

• Az áramjárta vezető mágneses terének energiája a vezető induktivitása és a vezetőben folyó áramerősség négyzetének félszorzatával egyenlő:

Ellenőrző kérdések

1. Ismertessétek azt a kísérletet, amely bemutatja, hogy az indukciós tekercset tartalmazó áramkör zárása után az áram fokozatosan növekszik! Mi az alapja a jelenségnek? 2. Mit nevezünk önindukciónak? 3. Fogalmazzátok meg az önindukció törvényét! 4. Mit nevezünk induktivitásnak? Nevezzétek meg az induktivitás mértékegységét a Sí rendszerben! 5. Bizonyítsátok be, hogy a mágneses tér rendelkezik energiával! Milyen képlet segítségével határozható meg? 6. Vonjatok analógiát a tömeg és az induktivitás között!

14. gyakorlat

1. Az áramkörben (1. ábra) egyszerre zárják mindkét kapcsolót. Vajon egyszerre villan fel mindkét izzólámpa? Ha nem, akkor melyik izzó villan fel korábban? A kapcsolók egyszerre történő bontásakor vajon mindkét izzó egyszerre halványul el?

2. A tekercsben az áramerősség egyenletesen 0,1 s alatt 0-ról 1,5 A-ra változott. Határozzátok meg a tekercs induktivitását, ha önindukciós EME-je 2 V!

Az áramkör bontásakor (lásd a 14.1. ábrát) miért villan fel egy pillanatra az izzólámpa?

Miért nem használnak késes kapcsolót a nagy induktivitású áramkörök kikapcsolására, hanem fokozatosan végzik azt, reosztát segítségével?

A tekercs 10,0 A-ről 4,0 A-ig történő áramerősség-csökkenése a tekercs mágneses terének 16 J energiacsökkenését eredményezte. Mekkora a tekercs induktivitása?

6. A 2 cm sugarú vezetőgyűrű a 0,32 T induktivitású elektromágnes mágneses terében van. Az indukcióvonalak merőlegesek a gyűrű síkjára. A gyűrűt szupravezető állapotba helyezik. Határozzátok meg a gyűrű induktivitását, ha az elektromágnes lekapcsolása után a gyűrűben az áramerősség értéke 12 A!

7. Számos elektromos készülék működik az önindukció elvén. Tudjatok meg minél többet ezekről a készülékekről! Csoportokat alkotva készítsetek rövid beszámolót!

 

 

Fizika tankönyv 11. osztályosok szerzők Dovgy, Baryakhtar, Loktev