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§ 15 AUTOINDUCCIÓN. INDUCTANCIA

Autoinducción. Si una corriente alterna fluye a través de la bobina, entonces cambia el flujo magnético que penetra en la bobina. Por tanto, en el mismo conductor por el que circula la corriente alterna, surge una EMF de inducción. Este fenómeno se llama autoinducción.

En la autoinducción, el circuito conductor desempeña un doble papel: una corriente alterna en el conductor provoca la aparición flujo magnético a través de la superficie delimitada por el contorno. Y dado que el flujo magnético cambia con el tiempo, aparece el EMF de inducción. Según la regla de Lenz, en el momento del aumento de la corriente, la intensidad del vórtice campo eléctrico dirigido contra la corriente. En consecuencia, en este momento, el campo de vórtice impide el crecimiento de la corriente. Por el contrario, en el momento de disminuir la corriente, el campo de vórtice la mantiene.

El fenómeno de la autoinducción se puede observar en experimentos sencillos. La figura 2.13 muestra un diagrama de conexión en paralelo de dos lámparas idénticas. Uno de ellos está conectado a la fuente a través de una resistencia R, y el otro está conectado en serie con una bobina L equipada con un núcleo de hierro.

Cuando se cierra la llave, la primera lámpara parpadea casi de inmediato y la segunda, con un retraso notable. El EMF de autoinducción en el circuito de esta lámpara es grande y la intensidad de la corriente no alcanza inmediatamente su valor máximo (Fig. 2.14).

La aparición de un campo electromagnético de autoinducción cuando se abre se puede observar en un experimento con un circuito que se muestra esquemáticamente en la figura 2.15. Cuando se abre la llave, aparece un EMF de autoinducción en la bobina L, que mantiene la corriente inicial. Como resultado, en el momento de la apertura, una corriente fluye a través del galvanómetro (flecha de color) dirigida contra la corriente inicial antes de abrir (flecha negra). La corriente cuando se abre el circuito puede exceder la corriente que pasa a través del galvanómetro cuando el interruptor está cerrado. Esto significa que el EMF de autoinducción es mayor que el EMF de la batería de celdas.

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Es bien sabido que un tren que sale de una estación no puede desarrollar inmediatamente la velocidad requerida.

La velocidad requerida se alcanza solo después de un cierto período de tiempo. Durante este intervalo, una parte importante de la energía de la locomotora se gasta en superar la inercia del tren, es decir, en la formación de un stock de energía cinética, y una parte muy pequeña en superar la fricción.

Debido al hecho de que un tren en movimiento tiene un stock de energía cinética, no puede detenerse instantáneamente y se moverá por inercia durante algún tiempo, es decir, hasta que todo el stock de energía cinética que le imparta la locomotora al comienzo del movimiento sea consumido por fricción.

Fenómenos similares tienen lugar en un circuito eléctrico cerrado cuando se enciende y apaga la corriente.

En el momento de encender corriente continua(imagen 1) alrededor del conductor se forma campo de fuerza magnética.

Foto 1. La inercia de la corriente eléctrica. Cuando se enciende la corriente, aparece un campo magnético alrededor del conductor.

En los primeros momentos después de encender la corriente, una parte significativa de la energía de la fuente de corriente se gasta en crear este campo magnético y solo una pequeña parte en superar la resistencia del conductor, o más bien en calentar el conductor por la corriente. Por tanto, al momento de cerrar el circuito la corriente no alcanza inmediatamente su valor límite ... La fuerza de la corriente límite se establece en el circuito solo después del final del proceso de formación de un campo magnético alrededor del conductor (Figura 2).

Figura 2. Cuando se enciende la fuente de corriente, la corriente en el circuito no se establece inmediatamente.

Si, sin romper el circuito cerrado, apaga la fuente de corriente, entonces la corriente en el circuito no se detendrá inmediatamente, sino que fluirá en él, disminuyendo gradualmente durante algún tiempo (Figura 3) hasta que desaparezca el campo magnético alrededor del conductor. , es decir, hasta que se consuma todo el suministro de energía contenida en el campo magnético.

Figura 2. Influencia de EMF de autoinducción en la corriente en el circuito. Cuando se apaga la fuente de corriente, la corriente en el circuito no se detiene inmediatamente.

Entonces, el campo magnético es el portador de energía. Almacena energía en sí mismo cuando se enciende la fuente de alimentación de CC y la devuelve al circuito después de que se apaga la fuente de alimentación. La energía de un campo magnético, por tanto, tiene mucho en común con la energía cinética de un objeto en movimiento. El campo magnético provoca la "inercia" de la corriente eléctrica.

Sabemos que siempre que cambia el flujo magnético, penetrando en la zona delimitada por un circuito eléctrico cerrado, aparece este circuito. Inducción EMF .

Además, sabemos que cualquier cambio en la intensidad de la corriente en el circuito implica un cambio número de líneas de campo magnético cubierto por esta cadena. Si un circuito cerrado está inmóvil, entonces el número de líneas magnéticas de fuerza que penetran en un área determinada puede cambiar solo cuando nuevas líneas ingresan fuera de esta área o cuando las líneas existentes van más allá de esta área. En ambos casos, las líneas de fuerza magnéticas durante su movimiento deben cruzar el conductor. Al cruzar un conductor, las líneas de fuerza magnéticas inducen un campo electromagnético de inducción en él. Pero dado que en este caso el conductor induce EMF en sí mismo, entonces este EMF se llama EMF de autoinducción.

Cuando se conecta una fuente de corriente continua a cualquier circuito cerrado, el área delimitada por este circuito comienza a penetrar desde las líneas de fuerza magnéticas externas. Cada línea de campo magnético que viene del exterior, atravesando el conductor, induce en él EMF de autoinducción.

La fuerza electromotriz de autoinducción, que actúa contra la EMF de la fuente de corriente, retrasa el aumento de la corriente en el circuito. Después de unos momentos, cuando se detiene el aumento del flujo magnético alrededor del circuito, la EMF de autoinducción desaparecerá y la intensidad de la corriente se establecerá en el circuito, determinada por la ley de Ohm:

Yo = U / R

Cuando la fuente de corriente se apaga de un circuito cerrado, las líneas magnéticas de fuerza deben desaparecer del espacio delimitado por el conductor. Cada línea de campo magnético saliente, cuando cruza un conductor, induce un EMF de autoinducción en él, que tiene la misma dirección que el EMF de la fuente de corriente; por lo tanto, la corriente en el circuito no se detendrá inmediatamente, sino que fluirá en la misma dirección, disminuyendo gradualmente hasta el momento en que el flujo magnético dentro del circuito desaparezca por completo. La corriente que fluye a través del circuito después de que se apaga la fuente de corriente se llama corriente de autoinducción.

Si, cuando se apaga la fuente, el circuito se interrumpe, entonces la corriente de autoinducción aparece en forma de chispa en el punto donde se abre el circuito.

La autoinducción es la aparición en un conductor de una fuerza electromotriz (EMF) dirigida hacia lado opuesto en relación con el voltaje de la fuente de alimentación cuando fluye corriente. Además, ocurre en el momento en que cambia la corriente en el circuito. Una corriente eléctrica cambiante genera un campo magnético cambiante, que a su vez induce un EMF en el conductor.

Esto es similar a la formulación de la ley de inducción electromagnética de Faraday, donde dice:

Cuando un flujo magnético pasa a través de un conductor, surge un EMF en este último. Es proporcional a la tasa de cambio del flujo magnético (mat. Derivada del tiempo).

E = dФ / dt,

Donde E es el EMF de autoinducción, medido en voltios, F es el flujo magnético, la unidad de medida es Wb (weber, también es igual a V / s)

Inductancia

Ya dijimos que la autoinducción es inherente a los circuitos inductivos, por lo tanto, consideraremos el fenómeno de la autoinducción usando el ejemplo de un inductor.

Un inductor es un elemento que es una bobina conductora aislada. Para aumentar la inductancia, se aumenta el número de vueltas o se coloca un núcleo hecho de material magnético suave o de otro tipo dentro de la bobina.

La unidad de medida de la inductancia es Henry (H). La inductancia se refiere a la fuerza con la que un conductor resiste una corriente eléctrica. Dado que se forma un campo magnético alrededor de cada conductor a través del cual fluye una corriente, y si coloca un conductor en un campo alterno, aparecerá una corriente en él. Sucesivamente campos magnéticos cada vuelta de la bobina se dobla. Entonces surgirá un fuerte campo magnético alrededor de la bobina a través de la cual fluye la corriente. Cuando su fuerza cambia en la bobina, el flujo magnético a su alrededor también cambiará.

De acuerdo con la ley de inducción electromagnética de Faraday, si un flujo magnético alterno penetra en la bobina, entonces surgirán en ella una corriente y un EMF de autoinducción. Evitarán que la corriente fluya en el inductor desde la fuente de alimentación hasta la carga. También se denominan extracorrientes EMF de autoinducción.

La fórmula EMF de autoinducción sobre inductancia es:

Es decir, cuanto mayor sea la inductancia y cuanto más y más rápido haya cambiado la corriente, más fuerte será la sobretensión EMF.

Con un aumento en la corriente en la bobina, surge un EMF de autoinducción, que se dirige contra el voltaje de la fuente de alimentación, respectivamente, el aumento de la corriente se ralentizará. Lo mismo sucede al disminuir: la autoinducción dará lugar a la aparición de un EMF, que mantendrá la corriente en la bobina en la misma dirección que antes. De ello se deduce que el voltaje en los terminales de la bobina será opuesto a la polaridad de la fuente de alimentación.

En la siguiente figura, puede ver que cuando el circuito inductivo se enciende / apaga, la corriente no surge abruptamente, sino que cambia gradualmente. Las leyes de conmutación también hablan de esto.

Otra definición de inductancia suena así: el flujo magnético es proporcional a la corriente, pero en su fórmula, la inductancia actúa como un coeficiente de proporcionalidad.

Transformador e inducción mutua

Si coloca dos bobinas muy próximas, por ejemplo, en el mismo núcleo, se observará el fenómeno de inducción mutua. Pasemos la corriente alterna por el primero, luego su corriente alterna penetrará las vueltas del segundo y aparecerá un EMF en sus salidas.

Este EMF dependerá de la longitud del cable, respectivamente, del número de vueltas, así como de la magnitud de la permeabilidad magnética del medio. Si los coloca uno al lado del otro, el EMF será bajo, y si toma un núcleo hecho de acero magnético blando, el EMF será mucho mayor. En realidad, así es como funciona el transformador.

Interesante: esta influencia mutua de las bobinas entre sí se llama acoplamiento inductivo.

Beneficio y daño

Si comprende la parte teórica, vale la pena considerar dónde se aplica en la práctica el fenómeno de la autoinducción. Veamos ejemplos de lo que vemos en la vida cotidiana y la tecnología. Uno de aplicaciones más útiles- este es un transformador, ya hemos considerado el principio de su funcionamiento. Ahora se encuentran cada vez menos, pero anteriormente, las lámparas tubulares fluorescentes se usaban a diario en las lámparas. El principio de su trabajo se basa en el fenómeno de la autoinducción. Puedes ver sus esquemas a continuación.

Después de aplicar el voltaje, la corriente fluye a través del circuito: fase - estrangulador - espiral - arrancador - espiral - cero.

O viceversa (fase y cero). Después de que se activa el motor de arranque, sus contactos se abren, luego (una bobina con alta inductancia) busca mantener la corriente en la misma dirección, induce un gran EMF de autoinducción y las lámparas se encienden.

De manera similar, este fenómeno se aplica al circuito de encendido de un automóvil o motocicleta que funciona con gasolina. En ellos, se instala un interruptor mecánico (disyuntor) o semiconductor (transistor en la ECU) en el espacio entre la bobina de inductancia y el negativo (masa). Esta llave, en el momento en que debe formarse una chispa en el cilindro para encender el combustible, rompe el circuito de alimentación de la bobina. Luego, la energía almacenada en el núcleo de la bobina provoca un aumento en la EMF de autoinducción y el voltaje en el electrodo de la vela aumenta hasta que se produce una ruptura del espacio de chispa, o hasta que la bobina se quema.

En las fuentes de alimentación y los equipos de audio, a menudo es necesario eliminar el exceso de ondulación, ruido o frecuencia de la señal. Para ello, se utilizan filtros de diferentes configuraciones. Una de las opciones son los filtros LC, LR. Al evitar el crecimiento de la corriente y la resistencia de la corriente alterna, respectivamente, es posible lograr los objetivos establecidos.

Los CEM de autoinducción dañan los contactos de interruptores, disyuntores, enchufes, disyuntores y otras cosas. Es posible que haya notado que cuando desenchufa el enchufe de una aspiradora que funciona de la toma de corriente, a menudo se nota un destello en su interior. Esta es la resistencia al cambio de corriente en la bobina (bobinado del motor en este caso).

En los interruptores de semiconductores, la situación es más crítica: incluso una pequeña inductancia en el circuito puede provocar su ruptura, cuando se alcanzan los valores máximos de Uke o Usi. Para protegerlos, se instalan circuitos amortiguadores, en los que se disipa la energía de las sobretensiones inductivas.

Conclusión

Resumamos. Las condiciones para la aparición de EMF de autoinducción son: la presencia de inductancia en el circuito y un cambio en la corriente en la carga. Esto puede ocurrir tanto en funcionamiento, al cambiar de modo o influencias perturbadoras, como al cambiar de dispositivo. Este fenómeno puede dañar los contactos de relés y arrancadores, ya que conduce a la apertura de circuitos inductivos, por ejemplo, motores eléctricos. Para reducir el impacto negativo, la mayoría de los equipos de conmutación están equipados con conductos de arco.

Para propósitos útiles, el fenómeno EMF se usa con bastante frecuencia, desde un filtro para suavizar la corriente de ondulación y un filtro de frecuencia en equipos de audio, hasta transformadores y bobinas de encendido de alto voltaje en automóviles.

Esperamos que ahora comprenda qué es la autoinducción, cómo se manifiesta y dónde se puede utilizar. Si tiene alguna pregunta, hágala en los comentarios debajo del artículo.

Materiales (editar)

Cuando la corriente en el circuito cambia, el flujo de inducción magnética a través de la superficie limitada por este circuito cambia, un cambio en el flujo de inducción magnética conduce a la excitación del EMF de autoinducción. La dirección de la EMF resulta ser tal que con un aumento en la corriente en el circuito, la EMF evita un aumento en la corriente y con una disminución en la corriente, una disminución.

El valor de EMF es proporcional a la tasa de cambio de la fuerza actual I e inductancia de bucle L :

.

Debido al fenómeno de la autoinducción en circuito eléctrico con una fuente EMF, cuando el circuito está cerrado, la corriente no se establece instantáneamente, sino después de algún tiempo. Se producen procesos similares cuando se abre el circuito, mientras que el valor de la EMF de autoinducción puede exceder significativamente la EMF de la fuente. Más a menudo en vida ordinaria se utiliza en las bobinas de encendido de los automóviles. El voltaje de autoinducción típico a un voltaje de batería de 12 V es de 7-25 kV.


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Vea qué es "CEM de autoinducción" en otros diccionarios:

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Física de grado 10-11. AUTO-INDUCCION

Cada conductor a través del cual fluye la corriente está en su propio campo magnético.

Cuando la corriente en el conductor cambia, el campo m cambia, es decir el flujo magnético creado por esta corriente cambia. Un cambio en el flujo magnético conduce a la aparición de un campo eléctrico de vórtice y aparece un EMF de inducción en el circuito.

Este fenómeno se llama autoinducción.
La autoinducción es el fenómeno de inducción EMF en un circuito eléctrico como resultado de un cambio en la intensidad de la corriente.
El EMF resultante se llama EMF de autoinducción

La manifestación del fenómeno de la autoinducción.

Cerrando el circuito

Cuando está cerrado en un circuito eléctrico, aumenta una corriente, lo que provoca un aumento en el flujo magnético en la bobina, aparece un campo eléctrico de vórtice, dirigido contra la corriente, es decir. El EMF de autoinducción surge en la bobina, lo que evita el crecimiento de corriente en el circuito (el campo de vórtice ralentiza los electrones).
Como resultado L1 se ilumina más tarde que L2.

Circuito abierto

Cuando se abre el circuito eléctrico, la corriente disminuye, se produce una disminución en el caudal en la bobina, aparece un campo eléctrico de vórtice, dirigido como una corriente (que tiende a mantener la misma intensidad de la corriente), es decir. Aparece EMF de autoinducción en la bobina, que mantiene la corriente en el circuito.