З'ява самаіндукцыі - шкоду і карысць

Тэрмін індукцыя ў электратэхніцы азначае ўзнікненне току ў электрычнай замкнёным ланцугу, калі яна знаходзіцца ў зменлівым магнітным струмені. Адкрыта электрамагнітная індукцыя ўсяго-то дзвесце гадоў таму Майклам Фарадеем. Значна раней гэта мог бы зрабіць Андрэ Ампер, які праводзіў падобныя вопыты. Ён далучаўся да катушку металічны стрыжань, а затым, вось няўдача, ішоў у іншы пакой паглядзець на стрэлку гальванометра - а раптам яна варухнецца. А стрэлка спраўна рабіла сваю справу - адхілялася, але пакуль Ампер вандраваў па пакоях - вярталася на нулявую адзнаку. Вось так з'ява самаіндукцыі тых, хто чакаў яшчэ добры дзясятак гадоў, пакуль шпулька, прыбор і даследчык апынуцца адначасова ў патрэбным месцы.

Галоўным момантам гэтага эксперыменту было тое, што ЭРС індукцыі ўзнікае толькі тады, калі магнітнае поле, якое праходзіць праз замкнёны контур, змяняецца. А вось мяняць яго можна як заўгодна - ці змяняць велічыню самага магнітнага поля, ці проста перамяшчаць крыніца поля адносна таго ж замкнёнага контуру. ЭРС, якая пры гэтым узнікае, назвалі "ЭРС ўзаемаіндукцыі". Але гэта было толькі пачатак адкрыццяў у галіне індукцыі. Яшчэ больш дзіўным было з'ява самаіндукцыі, якое адкрыў Джозэф Генры прыкладна ў той жа час. У яго досведах было выяўлена, што магнітнае поле шпулькі не толькі індукаваць ток у іншай шпульцы, але і пры змене току ў гэтай шпульцы, наводзіла у ёй жа дадатковую ЭРС. Вось яе-то і назвалі ЭРС самаіндукцыі. У электрычных з'явах вялікае цікавасць уяўляе напрамак току. Аказалася, што ў выпадку з ЭРС самаіндукцыі яе ток накіраваны супраць свайго "бацькі" - тока, абумоўленага асноўны ЭРС.

А можна назіраць з'ява самаіндукцыі? Як гаворыцца, няма нічога прасцей. Збярэм дзве электрычныя ланцугі: першая - паслядоўна уключаны шпулька індуктыўнасці і лямпачка, а другая - толькі лямпачка. Падключым іх да акумулятара праз агульны выключальнік. Пры ўключэнні можна бачыць, што лямпачка ў ланцугі з шпулькай загараецца "неахвотна", а другая лямпачка, больш хуткая "на ўздым", уключаецца імгненна. Што адбываецца? У абедзвюх ланцугах пасля ўключэння пачынае працякаць ток, прычым ён змяняецца ад нуля да свайго максімуму, а як раз змены току і чакае шпулька індуктыўнасці, якая спараджае ЭРС самаіндукцыі. Ёсць ЭРС і замкнёная ланцуг - значыць, ёсць і яе ток, але накіраваны ён процілегла асноўнаму току ланцуга, які, у рэшце рэшт, дасягне максімальнага значэння, што вызначаецца параметрамі ланцуга, і перастане расці, а раз няма перамены току - няма і ЭРС самаіндукцыі. Усё проста. Аналагічная карціна, але з "дакладнасцю да наадварот", назіраецца пры выключэнні току. Верная сваёй "шкоднай звычцы" процідзейнічаць любому змене току, ЭРС самаіндукцыі падтрымлівае яго праходжанне ў ланцугі пасля адключэння харчавання.

Адразу ж стала пытанне - у чым заключаецца з'ява самаіндукцыі? Было ўстаноўлена, што на ЭРС самаіндукцыі ўплывае хуткасць змены току ў правадыру, і можна запісаць:

Е = L • dI / dt

Адсюль відаць, што ЭРС самаіндукцыі Е прямопропорциональна хуткасці змены току dI / dt і каэфіцыенту прапарцыйнасці L, названаму індуктыўнасцю. За свой уклад у даследаванне пытання, у чым складаецца з'ява самаіндукцыі, Джордж Генры быў узнагароджаны тым, што яго імя носіць адзінка вымярэння індуктыўнасці - генры (Гн). Менавіта індуктыўнасць ланцугу праходжання току вызначае з'ява самаіндукцыі. Можна ўявіць, што індуктыўнасць - гэта нейкае "сховішча" магнітнай энергіі. У выпадку павелічэння току ў ланцугі электрычная энергія пераўтворыцца ў магнітную, затрымлівае рост току, а пры памяншэнні току магнітная энергія шпулькі пераўтворыцца ў электрычную і падтрымлівае ток у ланцугу.

Напэўна, кожнаму даводзілася бачыць іскру пры выключэнні відэльцы з разеткі - гэта самы распаўсюджаны варыянт праявы ЭРС самаіндукцыі ў рэальным жыцці. Але ў побыце размыкаются токі максімум 10-20 А, а час размыканне парадку 20 мсек. Пры індуктыўнасці парадку 1 Гн ЭРС самаіндукцыі ў гэтым выпадку будзе роўная 500 В. Здавалася б, што пытанне, у чым складаецца з'ява самаіндукцыі, не так і складзены. А на самай справе, ЭРС самаіндукцыі ўяўляе сабой вялікую тэхнічную праблему. Сутнасць у тым, што пры парыве ланцуга, калі кантакты ўжо разышліся, самаіндукцыі падтрымлівае праходжанне току, а гэта прыводзіць да выгаранню кантактаў, бо у тэхніцы камутуюцца ланцугі з токамі ў сотні і нават тысячы ампер. Тут часцяком гаворка ідзе пра ЭРС самаіндукцыі ў дзесяткі тысяч вольт, а гэта патрабуе дадатковага вырашэння тэхнічных пытанняў, звязаных з перанапружання ў электрычных ланцугах.

Але не ўсё так змрочна. Бывае, што гэтая шкодная ЭРС вельмі нават карысная, напрыклад, у сістэмах запальвання ДВС. Такая сістэма складаецца з шпулькі індуктыўнасці ў выглядзе аўтатрансфарматара і прерывателя. Праз першасную абмотку прапускаецца ток, які выключаецца прерыватель. У выніку абрыву ланцуга ўзнікае ЭРС самаіндукцыі ў сотні вольт (пры гэтым акумулятар дае ўсяго 12В). Далей гэта напружанне дадаткова трансфармуецца, і на свечкі запальвання паступае імпульс больш 10 кВ.