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:
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:
Posłuży nam ona do stwierdzenia faktu powstania wysokiego napięcia.
Potrzebujemy też elementu, który przedstawia sobą dużą indukcyjność. Przy eksperymentach zastosowałem takie cewki:
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!
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:
- Faraday M., Day P., The philosopher's tree: a selection of Michael Faraday's writings, CRC Press, 2007, str. 71
- Maxwell J.C., A Treatise on Electricity and Magnetism, Vol. II, Third Edition, Oxford University Press, 1904, str. 178–179, 189
- Ulaby F., Fundamentals of applied electromagnetics (5th ed.), Prentice Hall, 2007, str. 255
Marek Ples