Инж. А. Болтунов.
При прохождении тока по проводнику, вокруг последнего образуется «магнитное поле». Оно может быть определено магнитными стрелками, которые, будучи помещены в магнитное поле, стремятся стать под прямым углом к проводнику. Магнитное поле охватывает проводник как бы цилиндром и изображается окружностями силовых линий, в центре которых находится проводник с током (фиг. 26).
Представим себе цепь, состоящую из батареи Б, ключа К и провода П. Пока цепь ключем не замкнута, силовых линий вокруг проводника не существует. При замыкании ключа К по проводнику потечет ток и вместе с тем появятся магнитные силовые линии, распространяясь от центра проводника в виде окружностей увеличивающихся диаметров.
Рассмотрим теперь такой случай (фиг. 27). Пусть мы имеем два магнита, направленные друг к другу противоположными полюсами. Магнитные силовые линии будут проходить от N (северного полюса) к S (южному полюсу). Если двигать проводник П поперек силовых линий, то между концами A и B образуется некоторая разность напряжения, вследствие чего в проводнике появится ток; в последнем можно убедиться, если концы провода присоединить к гальваноскопу G.
Гальваноскоп представляет собою прибор, служащий для обнаружения тока и его направления.
Величина разности напряжения будет всецело зависеть от числа силовых линий, пересекаемых движущимся проводником в одну секунду. Эту разность напряжения мы можем увеличить, сгустив приближением магнитов создаваемое ими поле или ускорив движение проводника. В обоих случаях число пересекаемых силовых линий в 1 секунду будет увеличено.
На этом принципе основано действие динамомашин.
Вернемся теперь к случаю соединения проводника с батареей (фиг. 26). Так как при нажатии ключа ток постепенно увеличивается до своей нормальной величины, а не сразу, то число силовых линий поля, образуемого вокруг проводника, непрерывно меняется (увеличивается), вследствие чего в проводнике устанавливается некоторая разность напряжения. Это напряжение действует противоположно напряжению батареи Б, чем затрудняет протекание по проводнику тока. Это замечательное явление было обнаружено ученым Ленцом и формулируется в виде закона, указывающего, что возбужденное изменением тока напряжение всегда такое, что стремится противодействовать напряжению, которое его произвело.
В вышеприведенном случае возбужденное напряжение прямо противоположно (обратно) тому вольтажу батареи, который произвел ток и магнтиные силовые линии.
Величина этого обратного напряжения зависит от скорости и числа силовых линий, которые пересекают проводник, выходя из его центра. Это обратное напряжение возникает при увеличении тока от нуля до наибольшей величины. Когда же ток достигнет своей постоянной величины, то ни одна силовая линия не пересекает проводника. Магнитное поле неподвижно окружает проводник, и никакого обратного напряжения не происходит. Таким образом ясно, что возбужденное обратное напряжение замедляет увеличение тока.
Посмотрим теперь, что произойдет при размыкании ключа, т. е. когда наша цепь разомкнута? Ток, как следствие действия разности напряжения баттареи, прекращается, но магнигные силовые линии, окружавшие проводник, теперь втягиваются, уходят в проводник. Но на этот раз в проводник входят исчезающие силовые линии, тогда как прежде исходили возрастающие силовые линии. Возбужденное обратное напряжение, очевидно, теперь находится в противоположном направлении тому, которое имело место при возрастании силовых линий, и стремится продлить протекание тока.
Свойство цепи, стремящейся к сохранению электромагнитного состояния цепи, называется самоиндукцией, и описанные выше явления являются действием цепи, обладающей самоиндукцией. Так как в данном случае обратное напряжение происходит за счет изменения собственного магнитного поля цепи, то оно носит название электродвижущей силы самоиндукции (EE).
Если проводник свернуть в виде спирали с несколькими оборотами, как изображено на фиг. 28, и пропустить через нее ток, то силовые линии магнитного поля распределятся более густо вдоль оси катушки. Они будут пересекать каждый из оборотов проводника, и, так как каждый оборот производит поле, описанное выше явление самоиндукции будет выражено гораздо сильнее, чем это было в прямолинейном проводе.
Если сила тока в цепи удваивается, то в том же отношении увеличивается и число силовых линий. Поэтому, если L есть значение этого числа, соответствующее силе тока I, то мы можем обозначить, что LI = NZ. Число L называется коэффициентом самоиндукции.
Единица самоиндукции L выражается в генри. Такой самоиндукцией обладает цепь, в которой при изменении тока на один ампер возникает обратное напряжение в 1 вольт. Так как генри представляет слишком большую величину, то на практике употребляют одну тысячную часть генри — миллигенри, обозначаемую mH, или одну миллионную часть генри, микрогенри — µН. Очень часто употребляют еще меньшую единицу, называемую сантиметром самоиндукции. Один сантиметр равен одной миллионной части mH.
Таким образом:
| 1 генри | .... | = | 1 × 109 | см., | т. е. | 1.000.000.000 | см. |
| 1 миллигенри | .... | = | 1 × 106 | "" | "" | 1.000.000 | "" |
| 1 микрогенри | .... | = | 1 × 103 | "" | "" | 1.000 | "" |
Магнитное поле, производимое током, протекающим по обмотке катушки, можно усилить, если в последнюю ввести сердечник из железа или стали. Увеличение числа силовых линий будет соответствовать магнитным свойствам этих металлов благодаря тому, что они лучше сравнительно с воздухом проводят магнитные линии.
Величина Н носит название напряжение магнитного поля.
Общий коэффициент самоиндукции нескольких последовательно соединенных катушек самоиндукций (фиг. 29), расположенных так, что они не оказывают влияния одна на другую, равняется сумме самоиндукций соединяемых катушек, что дает возможность написать L = L1 + L2.
Когда самоиндукции соединены параллельно (фиг. 30), общая самоиндукция меньше, чем самая наименьшая из соединяемых.
Общая самоиндукция L получается равной
Основными требованиями, пред'являемыми к катушкам самоиндукций являются: высокий коэффициент самоиндукции, малые размеры катушки и незначительная собственная емкость.
Применяющиеся в радиотехнике катушки можно разделить на 1) цилиндрические, 2) плоские и 3) конусообразные.
Для изменения самоиндукции подобных катушек применяется способ изменения ее скачками или же плавно, посредством изменения числа витков. Часто самоиндукция изменяется приближением или удалением катушек друг от друга или поворотом одной относительно другой, при чем их магнитные поля то складываются, то вычитаются. Такие катушки называются вариометрами.
Если диаметр катушки = D см, число витков на один сантиметр длины = n1 и длина катушки (считая только обмотанную часть) = l см, то коэффициент самоиндукции в микрогенри можно определить из выражения:
k в этой формуле есть постоянный множитель, зависящий от отношения D/l фиг. 32, т.е. диаметра катушки к ее длине. Величина этого множителя, в зависимости от указанного отношения, приведена в следующей таблице.
| D/l | K | D/l | K | D/l | K |
| 0,00 | 1 | 0,70 | 0,760 | 3 | 0,429 |
| 0,10 | 0,958 | 0,80 | 0,735 | 4 | 0,365 |
| 0,20 | 0,920 | 0,90 | 0,710 | 5 | 0,319 |
| 0,30 | 0,883 | 1,00 | 0,688 | 6 | 0,285 |
| 0,40 | 0,849 | 1,50 | 0,595 | 7 | 0,258 |
| 0,60 | 0,818 | 2,00 | 0,525 | 8 | 0,236 |
| 0,60 | 0,788 | 9 | 0,218 |
Пример: Подсчитать коэффициент самоиндукции катушки, диаметр которой = 10 см. и длина 5 см., число витков, приходящихся на 1 см = 15.
Отношение D/l = 10/5 = 2; по таблице для этого отношения k = 0,525. Тогда самоиндукция катушки L = 0,00987 × 102 × 152 × 5 × 0,525 = 590 микрогенри = 590.000 см.
Следующая таблица дает готовую величину самоиндукции для катушек определенного диаметра и длины, принимая во внимание, что на 1 сантиметре укладывается 20 витков проволоки (диаметр проволоки = 0,45 мм; изоляция шелковая, ординарная).
| Длина катуш- ки в см. |
Диаметр катушки в см. | ||||
| 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | |
| 1 | 23 | 32 | 41 | 50 | 60 |
| 2 | 66 | 93 | 122 | 155 | 185 |
| 3 | 118 | 169 | 224 | 288 | 346 |
| 4 | 174 | 232 | 338 | 432 | 531 |
| 5 | 232 | 340 | 400 | 590 | 719 |
| 6 | 292 | 430 | 587 | 761 | 945 |
| 7 | 351 | 523 | 717 | 932 | 1165 |
| 8 | 413 | 617 | 850 | 1109 | 1390 |
| 9 | 474 | 711 | 985 | 1297 | 1624 |
| 10 | 537 | 807 | 1120 | 1472 | 1858 |
Если проволока для устройства катушки имеет другой диаметр и иную изоляцию, нужно величину самоиндукции, определенной по последней таблице и относящейся к данному диаметру и длине, умножить на коэффициент (множитель), указываемый в следующей таблице.
| Диаметр голой прово- локи в мм. |
Изоляция шелковая простая. |
Изоляция шелковая двойная. |
Изоляция двойная бумажная. |
| 0,9 | 0,27 | 0,24 | 0,18 |
| 0,7 | 0,43 | 0,41 | 0,29 |
| 0,5 | 0,82 | 0,72 | 0,42 |
| 0,45 | 1 | 0,87 | 0,50 |
| 0,4 | 1,25 | 1,07 | 0,58 |
| 0,3 | 2 | 1,65 | 0,8 |
Пример: Рассчитать самоиндукцию катушки длиною 6 см, диаметром 5 см. при проволоке диаметром 0,7 мм. с двойной бумажной изоляцией?
Решение. По таблице № 2 определяем, что в случае применения проволоки диаметром 0,45 мм. с одним слоем шелковой изоляции самоиндукция катушки будет 430 микрогенри; для проволоки диаметром 0,7 мм. с двойной бумажной изоляцией самоиндукция катушки тех же размеров будет:
430 × 0,29 = 125 микрогенри.
Инж. А. Болтунов.
