3.16 Явление самоиндукции Если по замкнутому контуру течет ток I, то он создает вокруг себя магнитное поле с индукцией B. С этим магнитным полем связан магнитный поток Ф, пронизывающий сам контур. Если ток I изменять, то будет меняться и магнитный поток Ф. Вследствие этого в контуре будет возникать ЭДС. Данное явление называют самоиндукцией. Возникшую ЭДС называют ЭДС самоиндукции . s Согласно закону Био-Савара индукция магнитного поля B пропорциональна силе тока I . С другой стороны, из определения (3.9.1) ФВ ВdS Вn dS S S магнитный поток Ф пропорционален индукции Поэтому магнитный поток должен пропорционален току и можно записать Ф = L·I B. быть (3.16.1) где L – коэффициент пропорциональности, называемый индуктивностью контура. Индуктивность L зависит от формы и размеров контура, а также от магнитных свойств окружающей среды. Если контур жесткий и окружающая среда не содержит ферромагнетиков, то индуктивность является величиной постоянной, не зависящей от силы тока. Единицей измерения индуктивности является генри 1 Гн = 1Вб/А 1Гн – равен индуктивности такого контура, у которого при силе тока в 1А возникает сцепленный с ним поток Ф, равный 1 Вб. Вычислим в качестве примера индуктивность и ЭДС самоиндукции соленоида, находящегося в вакууме. Согласно (3.11.3) магнитный поток (потокосцепление) через соленоид, состоящий из N витков площадью S каждый, равен где В Фс = ВSN - магнитная индукция внутри соленоида, равная n = N/a Подставляя B 0 nI – плотность витков, В а в потококосцепление – длина соленоида. Фс , получаем N Фс 0 nISN 0 SNI a Следовательно, индуктивность соленоида равна 2 N 2 2 L 0 S 0n aS 0n V a где V (3.16.2) = aS – объем соленоида. Отсюда следует, что размерность постоянной 0 равна Гн [ ] м 0 магнитной для общего случая. Фарадея (3.13.1) и Найдем ЭДС самоиндукции Для этого используем закон s подставим в него магнитный поток Ф (3.16.1) dФ d( LI ) dI dL -L I s =dt dt dt dt (3.16.3) Если при изменении силы тока контур деформируется, то индуктивность контура не меняется не L = const тогда ЭДС самоиндукции равна dI s = -L dt (3.16.4) Знак минус в формуле (3.16.4) говорит о том, что индуктивность замедляет изменение тока в контуре. Например, если ток по знаку положителен и с течением времени возрастает, то dI dt >0 s 0 Этот результат находится в согласии с правилом Ленца : ЭДС самоиндукции создает отрицательный по знаку индукционный ток, который препятствует нарастанию тока в цепи. 3.17 Экстратоки замыкания и размыкания Явление самоиндукции приводит к тому, что при замыкании или размыкании цепи ток изменяется не мгновенно, а постепенно. А) Рассмотрим как меняется ток при размыкании цепи. Пусть имеется цепь, состоящая из источника тока , индуктивности L и сопротивления R . Если сопротивление источника пренебрежимо мало, то в цепи течет ток равный I0 R В момент времени t=0 отключим источник тока, одновременно замкнув цепь накоротко переключателем П. Как только сила тока в цепи начнет убывать, возникнет ЭДС самоиндукции dI которая создаст индукционный ток s = -L dt I s R Исключая , sполучаем дифференциальное уравнение для нахождения тока (3.17.1) dI R I =0 dt L Решим данное уравнение. Разделяем переменные dI R dt I L Интегрируя, находим Откуда R t L I(t) C1 e R lnI t + C L С1 найдем I(t = 0) I 0 = C1 Значение постоянной условия Таким образом R t I(t) I 0 e L из начального (3.17.2) Значит ток в цепи обращается в нуль не мгновенно, а убывает постепенно по экспоненциальному закону. Через время, равное L (3.17.3) R сила тока уменьшается в е раз. Время называют постоянной времени цепи. Формулу (3.17.2) можно записать в виде t I(t) I0 e Из (3.17.3 - 3.17.4) следует, что индуктивность L и меньше сопротивление постоянная времени (3.17.4) чем больше R, тем больше и тем медленнее спадает ток в цепи. Б) Рассмотрим случай замыкания цепи. После подключения ЭДС в цепи возникнет ток, который достигнет своего окончательного значения I0 не мгновенно, а через некоторое время, постепенно возрастая. Это связано с тем, что в цепи, наряду с ЭДС действует ЭДС самоиндукции , которая препятствует s росту тока. Поэтому в законе Ома надо учесть обе ЭДС IR = + = s dI -L dt Данное уравнение можно переписать как dI R I= dt L L (3.17.5) Уравнение (3.17.5) линейное неоднородное дифференциальное уравнение. Оно отличается от (3.17.1) наличием в правой части величины . L Известно, что решение неоднородного уравнения равно сумме любого его частного решения и общего решения однородного уравнения. Частным решением уравнения (3.17.5) является I I R 0 Поэтому общее решение уравнения (3.17.5) можно записать в виде Rt I(t) I 0 + C1 e L Константу интегрирования условия С1 найдем из начального I(t = 0) = 0 = I 0 + C1 Откуда C 1 = -I 0 Поэтому окончательно получаем R t t L I(t) I 0 (1- e ) = I 0 (1- e ) (3.17.6) Данная функция описывает нарастание тока в цепи после подключения к ней ЭДС. 3.18 Явление взаимной индукции Пусть имеются два контура. Если в контуре 1 течет ток I1, то он создает магнитный поток, пронизывающий контур 2 2 21 1 Ф L I где L21 - взаимная индуктивность контуров. При изменении тока в контуре ЭДС 2 2 I1 возникает индукции dI1 L21 dt Аналогично, при протекании в контуре тока I2 создается магнитный поток, пронизывающий контур 1 2 Ф1 L12 I 2 При изменении тока I2 в контуре ЭДС электромагнитной индукции 1 возникает dI 2 1 L12 dt Контуры 1 и 2 называют связанными, а явление возникновения ЭДС в одном из контуров при изменении тока в другом называют взаимной индукцией. Расчеты показывают, что в ферромагнетиков коэффициенты индуктивности контуров одинаковы отсутствие взаимной L21 = L12 Значение этих коэффициентов зависит от формы, размеров, взаимного расположения контуров и окружающей их среды. 3.19 Магнитное поле в веществе До сих пор предполагалось, что проводники находятся в вакууме. Если же они находятся в какой-то среде (магнетике), то магнитное поле изменится. Это связано с тем, что всякое вещество под действием внешнего магнитного поля В0, созданного токами текущими по проводникам, приобретает магнитный момент (намагничивается). В результате вещество создает собственное магнитное поле В´, которое накладывается на внешнее поле В0 . Результирующее магнитное поле равно В = В0 + В´ (3.19.1) Суммарное магнитное поле В сильно меняется на межатомных расстояниях. Однако, при макроскопическом рассмотрении такое детальное поведение поля В не обнаруживается. Поэтому, как и в случае электрического поля, в качестве характеристики магнитного поля в веществе используют значение поля, усредненное по физически малому объему. Далее будем предполагать, что в формуле (3.19.1) присутствуют именно усредненные макроскопические поля. Магнитное поле возникшее в веществе В´, как и внешнее поле В0, не имеет источников, поэтому дивергенция каждого из них, а значит и результирующего поля В равна нулю ФB BdS 0 S Поэтому теорема Гаусса справедлива не только для магнитного поля в вакууме, но и для суммарного магнитного поля в веществе B B0 B 0 ' Для объяснения намагничивания тел Ампер предположил, что в молекулах вещества циркулируют круговые токи. Каждый из таких токов создает вокруг себя магнитное поле. В отсутствие внешнего поля эти молекулярные токи и их магнитные моменты ориентированы беспорядочно. Поэтому созданное всеми молекулами магнитное поле и магнитный момент равны нулю. Под действием внешнего магнитного поля В0 молекулы приобретают преимущественную ориентацию. В результате вещество намагничивается – возникает поле В´, суммарный магнитный момент всех молекул становится отличным от нуля. Для описания намагничивания веществ используют магнитный момент единицы объема - эту величину называют намагниченностью J. Намагниченность вещества в некоторой его точке дается выражением 1 J V pm (3.19.2) V где V - физически бесконечно малый объем в окрестности рассматриваемой точки, pm – вектор магнитного момента одной молекулы. Суммирование ведется по всем молекулам, находящимся в объеме V.