Электроника для начинающих (2-е издание)

Теперь подключите к концам провода 9-вольтовую батарею. На первый взгляд, может показаться, что так делать нельзя, поскольку вы замкнете батарею накоротко, как это было в эксперименте 2. Но когда вы пропускаете ток через провод, который образует витки, а не является прямым, электрический ток действует иначе и способен выполнить определенную работу (например, он может двигать скрепку). Поместите небольшую скрепку рядом с наконечником отвертки, как показано на рис. 5.9.

Рис. 5.9. Этот простейший электромагнит способен притянуть скрепку

Рис. 5.10. Самая простая схема

Рис. 5.11. Когда электрический ток протекает слева направо по этому проводнику, он индуцирует магнитное поле, показанное стрелками

Поверхность должна быть гладкой, чтобы скрепка могла свободно скользить. Поскольку многие отвертки являются магнитными, может получиться так, что скрепка и без подачи тока притягивается к наконечнику отвертки. Если это происходит, отодвиньте скрепку за пределы зоны притяжения. Теперь подайте ток в цепь, и скрепка должна сразу же притянуться к кончику отвертки. Поздравляю, вы только что собрали электромагнит. Его электрическая схема показана на рис. 5.10.

Индуктивность

Когда электрический ток течет по проводу, он создает вокруг него магнитное поле (рис. 5.11). Поскольку электричество «индуцирует» этот эффект, он называется индуктивностью.

Поле вокруг прямого провода очень слабое, но если вы свернете провод в кольцо, силовые линии магнитного поля будут концентрироваться, действуя по направлению через центр круга, как показано на рис. 5.12. Если мы добавим больше витков, создав обмотку, то концентрация силовых линий еще больше возрастет. А если мы поместим стальной или железный объект (например, отвертку) в центр обмотки, ее эффективность увеличится еще больше.

Рис. 5.12. Когда проводник согнут в виде кольца, результирующее магнитное поле концентрируется внутри, как показано большой стрелкой

Рис. 5.13. Графики зависимости индуктивности от размеров обмотки и числа витков в ней и приближенная расчетная формула

На рис. 5.13 это показано в виде графиков, наряду с формулой, известной как «приближение Уилера», которая позволяет приблизительно вычислить индуктивность катушки, если вы знаете внутренний и внешний радиусы, ширину и число витков обмотки. (Значения должны быть в дюймах, а не в метрической системе.) Основная единица индуктивности – генри, названная в честь американского первопроходца в изучении электричества Джозефа Генри. Поскольку это очень крупная единица (подобно фараду), формула выражает индуктивность в микрогенри.

Как видно из графиков, если оставить основной размер обмотки без изменений, но удвоить число витков (используя более тонкий провод или провод с более тонкой изоляцией), то реактивное сопротивление катушки вырастет в 4 раза. Это вызвано тем, что числитель формулы содержит множитель N×N.

Ключевые моменты:

• При увеличении диаметра обмотки растет и индуктивность.

• Индуктивность увеличивается приблизительно пропорционально квадрату числа витков. Другими словами, если число витков будет в три раза больше, то индуктивность возрастет в девять раз.

• При одинаковом числе витков индуктивность окажется меньше, если обмотка тонкая и широкая, и больше, если обмотка толстая и узкая.

Обозначения катушки индуктивности и термины

На рис. 5.14 приведены обозначения катушки индуктивности. Если смотреть слева направо, то первыми двумя символами обозначают катушку с воздушным сердечником (первый символ более старый, чем второй). Третий и четвертый символы указывают на то, то обмотка намотана вокруг твердого железного сердечника или вокруг сердечника, содержащего частички железа или феррита, соответственно. Железный сердечник будет увеличивать индуктивность катушки, поскольку он усиливает магнитный эффект.

Рис. 5.14. Обозначение катушек индуктивности на схемах

Если вы измерите магнитное поле, которое создается катушкой с положительным полюсом источника питания на одном конце и отрицательным – на другом, а затем поменяете полярность источника питания, то магнитное поле станет обратным.

Возможно, самое распространенное применение катушек индуктивности – в трансформаторах, где переменный ток в одной катушке индуцирует переменный ток в другой, при этом железный сердечник для двух обмоток обычно общий. Если число витков первичной (входной) обмотки вдвое меньше, чем вторичной (выходной), то напряжение удвоится, а сила тока уменьшится вдвое (при гипотетическом условии, что КПД трансформатора составляет 100 %).

Первопроходцы: Джозеф Генри

Джозеф Генри, родившийся в 1797 году, стал первым, кто разработал и продемонстрировал мощные электромагниты. Он также придумал понятие «самоиндукция», обозначающее «электрическую инерцию», которая свойственна проволочной обмотке.