Явище самоіндукції - шкода і користь

Термін індукція в електротехніці означає виникнення струму в електричній замкнутого ланцюга, якщо вона знаходиться в змінюваному магнітному потоці. Відкрита електромагнітна індукція всього-то двісті років тому Майклом Фарадеєм. Значно раніше це міг би зробити Андре Ампер, який проводив схожі досліди. Він вставляв у котушку металевий стрижень, а потім, от халепа, йшов в іншу кімнату подивитися на стрілку гальванометра - а раптом вона ворухнеться. А стрілка справно робила свою справу - відхилялася, але поки Ампер мандрував по кімнатах - поверталася на нульову позначку. Ось так явище самоіндукції чекало ще добрий десяток років, поки котушка, прилад і дослідник виявляться одночасно в потрібному місці.

Головним моментом цього експерименту було те, що ЕРС індукції виникає тільки тоді, коли магнітне поле, що проходить через замкнутий контур, змінюється. А ось міняти його можна як завгодно - чи змінювати величину самого магнітного поля, або просто переміщати джерело поля щодо того ж замкнутого контуру. ЕРС, яка при цьому виникає, назвали "ЕРС взаємоіндукції". Але це був тільки початок відкриттів в області індукції. Ще більш дивним було явище самоіндукції, яке відкрив Джозеф Генрі приблизно в той же час. У його дослідах було виявлено, що магнітне поле котушки не тільки индуцировало струм в інший котушці, але і при зміні струму в цій котушці, наводило в ній же додаткову ЕРС. Ось її-то і назвали ЕРС самоіндукції. В електричні явища велике інтерес представляє напрямок струму. Виявилося, що у випадку з ЕРС самоіндукції її ток спрямований проти свого "батька" - струму, обумовленого основною ЕРС.

А можна спостерігати явище самоіндукції? Як кажуть, немає нічого простішого. Зберемо дві електричні ланцюги: перша - послідовно включена котушка індуктивності і лампочка, а друга - тільки лампочка. Підключимо їх до акумулятора через загальний вимикач. При включенні можна бачити, що лампочка в ланцюзі з котушкою загоряється "знехотя", а друга лампочка, більш швидка "на підйом", включається миттєво. Що відбувається? В обох ланцюгах після включення починає протікати струм, причому він змінюється від нуля до свого максимуму, а якраз зміни струму і чекає котушка індуктивності, яка породжує ЕРС самоіндукції. Є ЕРС і замкнута ланцюг - значить, є і її струм, але спрямований він протилежно основного току ланцюга, який, зрештою, досягне максимального значення, що визначається параметрами ланцюга, і перестане рости, а раз немає зміни струму - немає і ЕРС самоіндукції. Все просто. Аналогічна картина, але з "точністю до навпаки", спостерігається при виключенні струму. Вірна своїй "шкідливою звичкою" протидіяти будь-якої зміни струму, ЕРС самоіндукції підтримує його протікання в ланцюзі після відключення живлення.

Відразу ж стало питання - в чому полягає явище самоіндукції? Було встановлено, що на ЕРС самоіндукції впливає швидкість зміни струму в провіднику, і можна записати:

Е = L•dI / dt

Звідси видно, що ЕРС самоіндукції Е прямопропорційна швидкості зміни струму dI / dt і коефіцієнту пропорційності L, названому индуктивностью. За свій внесок у дослідження питання, в чому полягає явище самоіндукції, Джордж Генрі був винагороджений тим, що його ім`я носить одиниця виміру індуктивності - генрі (Гн). Саме індуктивність ланцюга протікання струму визначає явище самоіндукції. Можна уявити, що індуктивність - це якесь "сховище" магнітної енергії. У разі збільшення струму в ланцюзі електрична енергія перетворюється в магнітну, затримує зростання струму, а при зменшенні струму магнітна енергія котушки перетворюється в електричну і підтримує струм в ланцюзі.

Напевно, кожному доводилося бачити іскру при виключенні вилки з розетки - це найпоширеніший варіант прояви ЕРС самоіндукції в реальному житті. Але в побуті розмикаються струми максимум 10-20 А, а час розмикання близько 20 мсек. При індуктивності порядку 1 Гн ЕРС самоіндукції в цьому випадку буде дорівнює 500 В. Здавалося б, що питання, в чому полягає явище самоіндукції, не так і складний. А насправді, ЕРС самоіндукції являє собою велику технічну проблему. Суть в тому, що при розриві ланцюга, коли контакти вже розійшлися, самоіндукція підтримує протікання струму, а це призводить до вигоряння контактів, тому в техніці коммутируются ланцюга з струмами в сотні і навіть тисячі ампер. Тут найчастіше йдеться про ЕРС самоіндукції в десятки тисяч вольт, а це вимагає додаткового вирішення технічних питань, пов`язаних з перенапруженнями в електричних ланцюгах.

Але не все так похмуро. Буває, що ця шкідлива ЕРС дуже навіть корисна, наприклад, в системах запалювання ДВЗ. Така система складається з котушки індуктивності у вигляді автотрансформатора і переривника. Через первинну обмотку пропускається струм, який вимикається переривачем. В результаті обриву ланцюга виникає ЕРС самоіндукції в сотні вольт (при цьому акумулятор дає всього 12В). Далі це напруга додатково трансформується, і на свічки запалювання надходить імпульс більше 10 кВ.