Warto przeczytać

Ze zjawiskiem samoindukcji mamy do czynienia wtedy, gdy w obwodzie zmienia się natężenie prądu. Wyobraź sobie najprostszy obwód elektryczny zawierający ogniwo i opornik. Zamykamy obwód i zaczyna płynąć prąd. Ale prąd jest źródłem pola magnetycznego, zmieniającego się tak, jak natężenie prądu. Ono rośnie od zera, a to oznacza, że indukcja magnetycznaZjawisko indukcji elektromagnetycznejindukcja magnetyczna pola magnetycznego pochodzącego od tego prądu też rośnie od zera do jakiejś wartości. Rys. 1a i 1b przedstawiają schematycznie opisaną sytuację.

R1G0ehupz9rda Rys. 1a. przedstawia schemat obwodu elektrycznego składającego się z elementów: źródła napięcia oznaczonego wielką grecką literą epsilon, opornika w kształcie prostokąta oznaczanego literą wielkie R oraz włącznika (klucza) oznaczonego literą wielkie K. Rys. 1a	RF2Pujme4wqtf Rys. 1b. przedstawia ten sam obwód, co na rys. 1a, ale po zamknięciu obwodu - klucz wielkie K jest zamknięty. W środku kwadratu obrazującego obwód zaznaczono kółeczko z kropką oznaczające zwrot linii pola magnetycznego wektor wielkie B "przed rysunek". Na prawej pionowej części obwodu zaznaczono czerwoną strzałką kierunek prądu i oznaczono jako wielkie I. Rys. 1b

Wraz z pojawieniem się pola magnetycznego, pojawił się strumień indukcji magnetycznejStrumień indukcji magnetycznejstrumień indukcji magnetycznej, przenikający powierzchnię rozpiętą na obwodzie; na rysunku zaznaczoną szarym kolorem. Przedtem strumień wynosił zero. Mamy więc do czynienia ze zmianą strumienia pola magnetycznego, a to skutkuje pojawieniem się siły elektromotorycznej (SEM) indukcji. Ta specjalna SEM indukcjiSEM indukcjiSEM indukcji, wytworzona w obwodzie elektrycznym na skutek zmiany natężenia prądu w tymże obwodzie zwana jest SEM samoindukcji i symbolicznie zapisywana jako $E_{sam}$.

Zobaczmy, od czego zależy jej wartość. Wyjdźmy od prawa Faradaya:

(Co można zapisać krócej jako $\frac{d\Phi }{dt}$. Zapis: $\frac{d\Phi }{dt}$ oznacza pochodną funkcji $\Phi$ po czasie, co rozumiemy właśnie jako $\frac{\Delta \Phi }{\Delta t}$, gdy $\Delta t\to 0$. Sensem fizycznym pochodnej strumienia $\Phi$ po czasie jest szybkość zmiany strumienia.)

W przypadku samoindukcji zmiana strumienia spowodowana jest zmianą wartości indukcji $B$, bo zmienia się ona wprost proporcjonalnie do natężenia prądu, co można zapisać:

gdzie $A$ jest stałą opisującą geometrię konkretnego obwodu. Strumień indukcji zapiszemy jako ${\Phi }_B=B\cdot S$, gdyż wektor indukcji $\overrightarrow{B}$ jest tak samo skierowany jak wektor powierzchni $\overrightarrow{S}$. Po podstawieniu wartości $B$ otrzymujemy:

Zauważ, że wielkość będąca iloczynem S⋅A charakteryzuje obwód – jego wielkość, kształt, liczbę zawieranych w nim zwojów. Ten iloczyn nazywa się indukcyjnością obwodu, oznacza symbolem $L$ i nadaje mu jednostkę. Tak więc strumień możemy zapisać jako:

Zatem szybkość zmiany strumienia z minusem, która jest wartością SEM samoindukcji, jest wyrażona następująco:

Jednostką indukcyjności obwodu jest henr (H). Indukcyjność obwodu wynosi 1 henr, jeśli w obwodzie powstaje SEM samoindukcji równa 1 woltowi, przy szybkości zmiany natężenia prądu 1 amper na sekundę. Indukcyjność silnie zależy od liczby zwojów występujących w obwodzie. Istnieje specjalny element w elektrotechnice zwany cewką indukcyjną, który charakteryzuje się znacznie większą indukcyjnością niż rozważany przez nas obwód.

RinbdSkZRIWgX Zdjęcie przedstawia cewki indukcyjne, inaczej dławiki. Mają kształt małych walców ułożonych poziomo równolegle do siebie. Z walców, z obu stron wystają metalowe cienkie pręty równej długości połączone po lewej i prawej stronie jasnożółtą taśmą. Cewki indukcyjne osiowe (dławiki)	R1bO4zHxwMyp3 Zdjęcie przedstawia cewkę toroidalną - drut miedziany nawinięty na rdzeń w kształcie torusa. Cewka toroidalna (dławik przeciwzakłóceniowy)
R19kVKm734dep Zdjęcie przedstawia układ kilku cewek przytwierdzonych do drewnianej podstawy. Widoczne kable w kolach: zielonym, niebieskim i białym. Cewka indukcyjna z rdzeniem	Rlycxgygh0eGK Zdjęcie przedstawia cewkę płaską w kształcie przewodu nawiniętego koliście. U dołu widoczna metalowa podstawka w kolorze niebieskim oraz izolacja w kolorze ciemnoszarym. Cewki płaskie stosowane w ładowarkach indukcyjnych

Tabelka powyżej przedstawia zdjęcia różnych typów cewek indukcyjnych stosowanych w technice.

Wróćmy do sytuacji opisanej na początku: włączamy obwód, który charakteryzuje się dużą indukcyjnością (zawiera cewkę). Na Rys. 2. widzimy obwód już zamknięty, z symbolicznie zaznaczoną cewką.

R1BFmoV7hbqne

Rys. 2. a. b. przedstawia dwa schematy obwodu elektrycznego składającego się z elementów: źródła napięcia oznaczonego wielką grecką literą epsilon, opornika w kształcie prostokąta oznaczanego literą wielkie R oraz cewki oznaczonej literą wielkie L. Na lewym schemacie widoczna jest czerwona strzałka obok cewki, skierowana w dół i oznaczona wielką grecką literą epsilon z indeksem sam oraz zielona strzałka z podpisem wielkie "I rośnie" na prawo od źródła. Na prawym schemacie widoczna jest czerwona strzałka obok cewki, skierowana w górę i oznaczona wielką grecką literą epsilon z indeksem sam oraz zielona strzałka z podpisem wielkie "I maleje" na prawo od żródła.

Opiszemy tu jakościowo, co dzieje się w obwodzie, jak działa SEM samoindukcji. Prąd rośnie, wobec tego – zgodnie z regułą LenzaReguła Lenzaregułą Lenza – siła elektromotoryczna samoindukcji skierowana jest przeciwnie do kierunku prądu, tak aby zapobiegać wzrostowi tego prądu (zobacz Rys. 2a.). Natężenie prądu będzie rosło, ale wolniej niż w obwodzie pozbawionym cewki indukcyjnej.

Z kolei, gdyby z jakiejś przyczyny prąd w obwodzie malał, to znowu SEM samoindukcji skierowana byłaby przeciwnie niż poprzednio (zobacz Rys. 2b.), czyli zgodnie z kierunkiem prądu, co powodowałoby powstrzymywanie malenia natężenia prądu.

Można stąd wywnioskować, że cewka indukcyjna jest elementem „bezwładnościowym” w obwodzie – opóźnia jakąkolwiek zmianę natężenia prądu.

Pora teraz na wyjaśnienie iskrzenia podczas gwałtownego rozłączania obwodu elektrycznego, np. z silnikiem. Ponieważ silnik zawiera uzwojenie, to indukcyjność obwodu jest duża. Wtedy przy małym czasie $\Delta t$ zmiany natężenia prądu (gwałtowne wyłączenie) SEM indukcji jest bardzo duża. Zgodnie z regułą LenzaReguła Lenzaregułą Lenza, przeciwdziała ona zmianie strumienia (gwałtownemu maleniu), wymuszając dalsze płynięcie prądu, który w przerwanym obwodzie może już tylko płynąć w powietrzu, w postaci iskry elektrycznejIskrowe wyładowanie elektryczneiskry elektrycznej.

Słowniczek