Weird Science

Samoindukcja

Tro­chę teo­rii

Samo­in­duk­cja jest ina­czej zwana induk­cją wła­sną i jes to przy­pad­kiem szcze­gól­nym induk­cji elek­tro­ma­gne­tycz­nej. To zja­wi­sko elek­tro­ma­gne­tyczne występuje, gdy siła elek­tro­mo­to­ryczna wytwa­rzana jest w tym samym obwo­dzie, w którym pły­nie prąd powo­du­jący induk­cję. W myśl zasady prze­kory Lenza pow­sta­jąca siła elek­tro­mo­to­ryczna prze­ciw­sta­wia się zmia­nom natęże­nia prądu elek­trycz­nego pły­nącego w obwo­dzie.

War­tość siły elek­tro­mo­to­rycz­nej induk­cji wła­snej opi­suje wzór:

Ilustracja

Gdzie:

Epsi­lon - indu­ko­wana siła elek­tro­mo­to­ryczna w wol­tach,

L - Induk­cyj­ność cewki lub ele­mentu obwodu elek­trycz­nego,

I - natęże­nie prądu w ampe­rach,

t - czas w sekun­dach

Samo­in­duk­cja sil­nie zależy od induk­cyj­no­ści obwodu L, więc zja­wi­sko daje się naj­ła­twiej zaob­ser­wo­wać w przy­padku cewek. W mniej­szym stop­niu występuje także w przy­padku każd­ego prze­wod­nika.

Jak to zaob­ser­wo­wać?

Przyj­rzyjmy się jesz­cze raz powyższemu wzo­rowi. W przy­padku kiedy natęże­nie prądu w obwo­dzie rośnie to delta I (zmiana natęże­nia) jest ma war­tość dodat­nią (war­tość końc­owa minus począt­kowa). Z racji minusa sto­jącego przed L war­tość siły elek­tro­mo­to­rycz­nej samo­in­duk­cji będzie miała znak ujemny. Spo­wo­duje to obni­że­nie napięcia w obwo­dzie o tą war­tość.

Cie­kaw­szy dla nas przy­pa­dek zaj­dzie w odw­rot­nej sytu­a­cji, czyli w trak­cie zmniej­sza­nia natęże­nia prądu w obwo­dzie. Zmiana natęże­nia prądu będzie miała w takim razie znak ujemny. Z tego powodu War­tość siły elek­tro­mo­to­rycz­nej induk­cji wła­snej będzie miała war­tość dodat­nią. Jej war­tość zależy od induk­cji cewki, natęże­nia prądu w cewce i tempa spadku jego war­to­ści. Im dwie pierw­sze wiel­ko­ści więk­sze, a osta­nia mniej­sza, tym więk­sze napięcie wyni­kowe. Sto­su­jąc cewkę o dużej induk­cyj­no­ści i w szybki spo­sób prze­ry­wa­jąc obwód (dra­styczny spa­dek natęże­nia prądu w krót­kim cza­sie) możemy otrzy­mać napięcie samo­in­duk­cji wie­lo­krot­nie prze­wyższa­jące napięcie pier­wot­nie zasi­la­jące cewkę!

Ostrze­że­nie: Nie należy sto­so­wać induk­cyj­no­ści i prądów wzbu­dza­jących o zbyt wyso­kich war­to­ściach, ponie­waż wtedy napięcie samo­in­duk­cji może być zbyt duże. W takim przy­padku może dojść do pora­że­nia. W wypadku sto­so­wa­nia opi­sy­wa­nych cewek i źródła zasi­la­nia w postaci ogniwa 1,5V nie ma żad­nego nie­bez­pie­czeńs­twa. Mimo wszystko nalezy zacho­wać ostrożn­ość. Autor nie bie­rze jakiej­kol­wiek odpo­wie­dzial­no­ści za wszel­kie mogące pow­stać szkody. Robisz to na wła­sne ryzyko!

By to wła­sno­ręcz­nie stwier­dzić potrze­bu­jemy nie­wiel­kiej neo­nówki:

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Posłuży nam ona do stwier­dze­nia faktu pow­sta­nia wyso­kiego napięcia.

Potrze­bu­jemy też ele­mentu, który przed­sta­wia sobą dużą induk­cyj­ność. Przy eks­pe­ry­men­tach zasto­so­wa­łem takie cewki:

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Ilustracja:

Kliknij aby powiększyć

Ilustracja:

Kliknij aby powiększyć

Pierw­sza z nich to kil­ka­dzie­siąc zwo­jów drutu w izo­la­cji na toro­i­dal­nym rdze­niu prosz­ko­wym pocho­dzącym z usz­ko­dzo­nego zasi­la­cza kom­pu­te­ro­wego. Druga to cewka z usz­ko­dzo­nego prze­kaźn­ika zawie­ra­jąca około półt­o­rej tysiąca zwo­jów cieńk­iego drutu. Trze­cia zaś to robo­czy elek­tro­ma­gnes wyko­rzy­sty­wany między innymi w  moim urządze­niu do mah­ne­tycz­nej lewi­ta­cji. Wszyst­kie te cewki spra­wują się zna­ko­mi­cie w tym doświad­cze­niu.

Naszą neo­nówkę pod­łączmy do zaci­sków cewki. Następ­nie weźmy poje­dyńcze ogniwo 1,5V (naj­le­piej alka­liczne) i pod­łączmy do cewki. Prąd popły­nie przez cewkę, ale nie zaob­ser­wu­jemy świe­ce­nia neo­nówki. Dla­czego? Nie ma w tym nic dziw­nego ponie­waż użyta neo­nówka ma napięcie zapłonu i świe­ce­nia na pozio­mie około 120V. Półt­ora wolta to zde­cy­do­wa­nie zbyt mało by ją pobu­dzić do świe­ce­nia. Odłączmy teraz szybko źródło napięcia. Co się dzieje? W momen­cie odłącza­nia bate­rii neo­nówka roz­bły­skuje!

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Można to też zoba­czyć na moim fil­miku:

Zau­ważmy, że w przy­padku dużej induk­cyj­no­ści napięcie samo­in­duk­cji jest wie­lo­krot­nie wyższe od napięcia pier­wot­nie zasi­la­jącego cewkę. Odłącze­nie zasi­la­nia jest rady­kalną zmianą natęże­nia prądu elek­trycz­nego w obwo­dzie - cewka za pomocą samo­in­duk­cji "stara się" w myśl zasady prze­kory Lenza pod­trzy­mać prze­pływ prądu. I to wła­śnie jest powo­dem świe­ce­nia neo­nówki.

Pamięta­jąc, że w neo­nówce świe­ce­nie gazu zacho­dzi jedy­nie w pobliżu elek­trody ujem­nej możemy stwier­dzić bie­gu­no­wość pow­sta­jącego napięcia. I znowu zasada prze­kory się potwier­dza: gaz świeci w pobliżu elek­trody, która przed chwilą była pod­łączona do dodat­niego bie­guna bate­rii.

Życzę miłej i pou­cza­jącej zabawy:)

Lite­ra­tura dodat­kowa:

Marek Ples

Aa