Skip to main content
Вся фізика

Трансформатори та індуктивності

Фейнманівські лекції з фізики

Один із найцікавіших аспектів відкриттів Фарадея полягає зовсім не в тому, що е. р. с. виникає в рухомій котушці, це ми можемо зрозуміти за допомогою магнітної сили qv X В. Головне — у тому, що зміна струму в одній котушці створює е. р. с. у другій котушці. І вже зовсім дивно, що величина е. р. с, наведеної в другій котушці, дається тим самим «правилом потоку»: е. р. с. дорівнює швидкості зміни магнітного потоку крізь котушку. Візьмемо, наприклад, дві котушки (фіг. 16.5), кожна з яких намотана на окрему стопку залізних пластинок (з їхньою допомогою можна створити сильніші магнітні поля). Приєднаємо тепер одну з котушок — котушку a — до генератора змінного струму. Безперервно змінюваний струм створює безперервно змінюване магнітне поле. Таке змінюване магнітне поле генерує змінну е. р. с. у другій котушці — котушці b. Ця е. р. с, наприклад, здатна змусити горіти електричну   лампочку.
 
У котушці b е. р. с. змінюється з частотою, яка, звісно, дорівнює частоті першого генератора. Але струм у котушці b може бути більшим або меншим за струм у котушці a. Струм у котушці b залежить від індукованої в ній е. р. с. та від опору й індуктивності решти частини її кола. Ця е. р. с. може бути меншою за е. р. с. генератора, якщо, скажімо, зміна потоку мала. Або ж е. р. с. у котушці b може виявитися набагато більшою за е. р. с. генератора, якщо на котушку b навити багато витків, бо в цьому разі в даному магнітному полі потік крізь котушку буде більшим. (Можна, якщо хочете, сказати про це інакше — у кожному витку е. р. с. та сама, і оскільки повна е. р. с. дорівнює сумі е. р. с. окремих витків, то велика кількість витків у сукупності створює більшу е. р. с.)
 
Таку комбінацію двох котушок (зазвичай з набором залізних пластинок, які підвищують магнітне поле) називають трансформатором. Він може «трансформувати» одну е. р. с. (яку ще називають «напругою») в іншу.
 
Ефекти індукції виникають і в одній окремій котушці. Наприклад, в установці, зображеній на фіг. 16.5, змінюваний потік проходить не тільки крізь котушку b, яка запалює лампочку, а й крізь котушку a. Змінюваний струм у котушці a створює змінюване магнітне поле всередині неї самої, і потік цього поля безперервно змінюється, тож у котушці a виникає самоіндукована е. р. с.
 
Е. р. с, що діє на струм, виникає тоді, коли його власне магнітне поле зростає, або в загальному випадку, якщо його власне поле змінюється будь-яким чином. Цей ефект називається самоіндукцією.
 
Коли ми ввели «правило потоку», яке стверджує, що е. р. с. дорівнює швидкості зміни потоку, ми не визначали напрямок е. р. с. Існує просте правило (зване правилом Ленца) для визначення напрямку е. р. с: е. р. с. прагне перешкоджати всякій зміні потоку. Інакше кажучи, напрямок наведеної е. р. с. завжди такий, що, якби струм пішов у напрямку е. р. с, він створив би потік поля В, що перешкоджає зміні поля В, яке створює цю е. р. с. Правилом Ленца можна користуватися, щоб знайти напрямок е. р. с. у генераторі, показаному на фіг. 16.1, або в обмотці трансформатора (фіг. 16.3).
 
Зокрема, якщо струм в окремій котушці (або в будь-якому проводі) змінюється, у колі виникає «зворотна» е. р. с. Ця е. р. с. діє на заряди, що течуть у котушці а на фіг. 16.5, перешкоджаючи зміні магнітного поля, і тому спрямована так, щоб перешкоджати зміні струму. Вона прагне зберегти струм постійним; е. р. с. протилежна струму, коли струм зростає, і спрямована за струмом, коли він зменшується. При самоіндукції струм має «інерцію», тому що ефекти індукції прагнуть зберегти потік постійним точнісінько так само, як механічна інерція прагне зберегти швидкість  тіла   незмінною.
Будь-який великий електромагніт має велику самоіндукцію. Нехай, наприклад, до котушки великого електромагніта приєднана батарея (фіг.16.6) і нехай встановилося велике магнітне поле. (Струм досягає постійної величини, яку визначають напруга батареї й опір дроту котушки.) Але тепер припустімо, що ми намагаємося від'єднати батарею, розімкнувши вимикач. Якби ми насправді розірвали коло, струм швидко зменшився б до нуля і в процесі зменшення створив би величезну е. р. с. У більшості випадків такої е. р. с. виявляється цілком достатньо, щоб утворилася вольтова дуга між розімкнутими контактами вимикача. Виникла велика напруга могла б завдати шкоди котушці, та й вам, якби саме ви розмикали вимикач! З цих причин електромагніти зазвичай включають у коло приблизно так, як показано на фіг. 16.6. Коли перемикач розімкнутий, струм не змінюється швидко, а продовжує текти через лампу, залишаючись постійним за рахунок е. р. с.  від самоіндукції котушки.