Одно из предыдущих занятий (восьмое) было посвящено вопросу о магнитной индукции. Мы установили, что в том случае, когда вокруг какого-либо провода возникает или исчезает и вообще изменяется магнитное поле, то в проводе наводится (индуцируется) электродвижущая сила, причем величина ее зависит от скорости изменения магнитного поля. Присмотримся теперь внимательнее к этому явлению и мы обнаружим еще одну очень существенную его сторону. Если мы пропускаем через какой-нибудь проводник «П» электрический ток, то в момент включения тока вокруг провода появляется магнитное поле. Вследствие индукции это магнитное поле должно действовать на все расположенные поблизости проводники, в том числе и на тот самый проводник П благодаря появлению тока в котором магнитное поле возникало. В том случае, когда магнитное поле проводника действует на соседние проводники, мы наблюдаем явление индукции. Если же магнитное поле действует обратно на тот самый проводник, током которого оно создано, имеет место явление самоиндукции. Таким образом самоиндукция это обратное воздействие магнитного поля, созданного током, на проводник, по которому этот ток течет. Величина, которая характеризует силу этого воздействия, зависит от типа и формы провода и называется коэффициентом самоиндукции этого провода.
Ясно, что чем сильнее поле, возникающее вокруг проводника, тем сильнее будет и его обратное воздействие на этот проводник. Значит, если мы хотим построить проводник с большим коэффициентом самоиндукции (для чего это может быть нужно, мы выясним в одном из следующих занятий), то нужно позаботиться о том, чтобы вокруг этого проводника ток создавал бы возможно более сильное магнитное поле. А таким именно свойством обладают, как известно, проводники, намотанные в виде катушек. При этом чем больше витков в катушке и чем плотнее эти витки лежат друг возле друга, тем сильнее магнитное доле, создаваемое катушкой, а следовательно, тем больше и коэффициент самоиндукции этой катушки.
Очевидно, что вообще всякий проводник с током создает вокруг себя магнитное поле, которое действует обратно на этот проводник. Следовательно, всякий проводник обладает самоиндукцией, но коэффициент самоиндукции прямолинейного проводника по указанным выше причинам гораздо меньше коэффициента самоиндукции катушки. Однако в некоторых случаях та самоиндукция, которой обладает всякая катушка из провода, оказывается не только излишней, но даже вредной и ее приходится устранять. Для этого применяется специальный способ намотки катушек так называемая «бифилярная намотка». Способ этот состоит в следующем. Представим себе проводник, сложенный вдвое, по которому течет ток (рис. 1). Как известно, направление магнитного поля зависит от направления тока в проводнике и так как по обеим половинам нашего проводника течет один и тот же ток, но направленный в разные стороны, то очевидно, что обе половины проводника создают совершенно одинаковые магнитные поля, но направленные в противоположные стороны, и два таких поля уничтожают друг друга. Таким образом, проводник, сложенный вдвое, как указано на рис. 1, не создает вокруг себя магнитного поля и следовательно не обладает самоиндукцией. И если мы из такого вдвое сложенного проводника намотаем целую катушку, то эта катушка, намотанная бифилярно, не будет обладать самоиндукцией.
 Рис. 1. |
 Рис. 2. |
||||
 Рис. 3. |
 Рис. 6. |
||||
 Рис. 4. |
 Рис. 5. |
 Рис. 7. |
|||
Этим способом намотки пользуются например в тех случаях, когда нужно получить катушки с большим омическим сопротивлением, но не обладающие самоиндукцией.
Так как коэффициент самоиндукции катушки зависит от числа витков в ней, то в случае необходимости изменять величину коэффициента самоиндукции можно поступать таким образом. Взять от некоторых мест катушки отводы и пользоваться, в зависимости от того, какой нужен коэффициент самоиндукции, или всей катушкой или частью ее (рис. 2). Чем большее число секций (а значит и число витков) мы возьмем, тем больше будет самоиндукция. Но при этом, очевидно, самоиндукция будет изменяться скачками. Более плавного изменения коэффициента самоиндукции можно достичь в катушке с ползунком (рис. 3). Переставляя ползунок с витка на виток, мы будем очень немного (небольшими скачками) изменять величину коэффициента самоиндукции катушки. Если же нужно изменять величину самоиндукции совершенно плавно, а не скачками, то для этого необходимо более сложное устройство, которое будет описано ниже.
Так же, как и любые проводники, катушки самоиндукции можно включать последовательно (рис. 4) и параллельно (рис. 5). При этом законы, которые определяют величину общей самоиндукции цепи, состоящей из нескольких катушек, остаются совершенно те же, как и в случае включения омических сопротивлений. Мы поэтому не будем останавливаться подробно на этом вопросе и напомним только, что при последовательном включении общая самоиндукция будет равна сумме самоиндукции отдельных катушек, а при параллельном их включении общая самоиндукция будет меньше, чем самая малая из самоиндукций. При этом нужно иметь в виду, что все это будет верно только для того случая, когда катушки находятся далеко друг от друга и их магнитные поля не взаимодействуют. В противном случае получается более сложная картина, которая будет подробно разобрана ниже.
Как мы уже выяснили, коэффициент самоиндукции катушки зависит от числа витков и формы катушки и для данной катушки является величиной постоянной. В секционированной катушке он может меняться скачками. Однако в некоторых случаях бывает нужно иметь катушки не с постоянной, а с переменной самоиндукцией, плавно, а не скачками изменяющейся в некоторых, довольно широких, пределах. Приборы, которые позволяют достичь этого, называются вариометрами. Устройство их основано на следующем принципе. Возьмем вместо одной катушки две, включенные последовательно (рис. 4). Мы знаем, что коэффициент самоиндукции такой системы будет равен сумме коэффициентов самоиндукции обеих катушек. Но как было уже указано, это будет правильно только до тех пор, пока обе катушки находятся далеко друг ст друга, и их магнитные поля друг на друга не действуют. Если же катушки сближены и магнитные поля действуют друг на друга, то их общий коэффициент самоиндукции будет уже другой и будет зависеть от характера взаимодействия между полями. Если катушки будут расположены таким образом, что поля их будут складываться (рис. 6) и взаимно усиливать друг друга, то и коэффициент самоиндукции всей системы будет больше суммы коэффициента обеих катушек, т. е. больше, чем в первом случае. Если же, наоборот, расположить катушки так, чтобы поля их были направлены навстречу и, значит, ослабляли друг друга (рис. 7), то и коэффицент самоиндукции будет меньше, чем в первом случае. Плавно изменяя расстояние между катушками и изменяя направление тока в одной из них, мы можем плавно изменять коэффициент самоиндукции всей системы в тех пределах, которые соответствуют двум рассмотренным нами случаям — наибольшей и наименьшей самоиндукции.
 Рис. 8. |
 Рис. 9. |
Практически конструкции вариометров выполняются обычно таким образом, что две катушки расположены не одна возле другой, а одна внутри другой, так что внутренняя катушка может вращаться по отношению к наружной (рис. 8). Поворачивая одну из катушек относительно другой, мы будем изменять взаимодействие между магнитными полями обеих катушек и тем самым коэффициент самоиндукции всей системы. Когда катушки расположены так, как указано на рис. 9А, то поля взаимодействуют наиболее сильно. Если при этом направление магнитных полей в обеих катушках совпадает, то мы получаем наибольшую самоиндукцию вариометра. Если же повернем катушку на 180° (на половину полного оборота), то поля будут направлены в разные стороны, и мы будем иметь наименьшую самоиндукцию вариометра. В промежуточных положениях (рис. 9Б и В) поля будут взаимодействовать слабее, чем в крайних, и мы получим коэффициент самоиндукции, средний между наибольшим и наименьшим коэффициентами самоиндукции.
Принцип устройства вариометра, который мы только что разобрали, позволяет нам ввести еще одно очень существенное понятие, именно понятие взаимоиндукции. Взаимоиндукцией называется взаимодействие двух катушек самоиндукции между собой, и сила этого взаимодействия характеризуется коэффициентом взаимоиндукции. Ясно, что этот коэффициент взаимоиндукции зависит от формы и расположения катушек. Таким образом устройство вариометра основано на принципе изменения взаимоиндукции двух катушек.
Выясним теперь вопрос о том, как будет себя вести самоиндукция, включенная в электрическую цепь. Здесь нужно различать два случая: когда в цепи течет постоянный ток и когда в ней течет переменный ток. Прежде всего мы рассмотрим, что происходит при включении или выключении тока. В момент включения тока вокруг катушки начинает возникать магнитное поле, которое действует на катушку и вызывает в ней электродвижущую силу самоиндукции. И вот оказывается, что направление этой силы обратно направлению того тока, который появляется в цепи. Следовательно, электродвижущая сила самоиндукции будет препятствовать нарастанию тока в цепи, и вследствие действия самоиндукции нормальная сила тока в цепи устанавливается не мгновенно, а постепенно. Но после того как установится ток в цепи, магнитное поле перестает изменяться, а самоиндукция вовсе перестает влиять на явления в цепи. Она вновь скажется только тогда, когда мы начнем изменять силу тока. Если сила тока в цепи будет уменьшаться, то направление электродвижущей силы самоиндукции будет обратное тому, которое было в первом случае, и следовательно оно будет совпадать с направлением тока. Поэтому при уменьшении силы тока в цепи самоиндукция будет препятствовать этому уменьшению. Словом, самоиндукция, вообще препятствует всяким изменениям силы тока в электрической цепи, и ее действие будет сказываться только при изменениях силы тока в цепи.
Очевидно, что в случае переменного тока действия самоиндукции будут сказываться все время, так как и сила тока в цепи изменяется все время. Действие это сведется к тому, что сила тока в цепи будет меньше, чем в том случае, когда самоиндукция отсутствовала. И следовательно, самоиндукция оказывает сопротивление переменному току (не говоря о том омическом сопротивлении, которым обладает всякая катушка).
Величина этого сопротивления будет тем больше, чем больше самоиндукция и чем больше частота тока, так как при этом происходят более резкие изменения силы тока и, значит, влияние самоиндукции сказывается сильнее. Однако это сопротивление отличается от обычного омического тем, что в нем, так же как и в емкости, не тратится энергия (конечно, если считать, что катушка не обладает омическим сопротивлением). Ту энергию, которую катушка накапливает за один полупериод в виде магнитного поля, она вновь отдает цепи в виде электрической энергии за другой полупериод. В общем энергия перекачивается из электрической цепи в магнитное поле катушки и обратно.
В некоторых случаях необходимо иметь в виду, что при известных условиях (большая самоиндукция, частота и сила тока) электродвижущая сила самоиндукции может быть очень велика. Она распределяется равномерно между всеми витками катушки и, значит, наибольшей величины достигает между концами катушки. Если близкие к разным концам витки катушки самоиндукции подходят близко друг к другу, то вследствие большой электродвижущей силы может случиться, что изоляция между этими витками будет пробита. Чтобы избежать этой опасности, приходится принимать специальные меры. Именно этими соображениями определяется конструкция той катушки самоиндукции, постройку которой мы предлагаем в очередном практическом занятии.