§ 156. Самоиндукция.

Для понимания ряда очень важных и своеобразных процессов, происходящих в цепях переменного тока, нужно прежде всего познакомиться с особой формой процесса индукции, которая получила название самоиндукции.

Вспомним основной индукционный опыт. Катушка I (рис. 254) создает внутри индукционной катушки II магнитный поток. При всяком изменении этого потока в катушке II возникает индукционный ток. Как мы видели (§ 138), индукционный ток возникает во всяком контуре, внутри которого изменяется магнитный поток. Но и сама катушка I находится в таком же положении. Сквозь ее витки также проходит магнитный поток, обусловливаемый магнитным полем этой же самой катушки I. Поэтому при любом изменении магнитного поля, создаваемого током в этой катушке, т. е. при любом изменении тока в катушке, в ней самой должны возникать и индуцированная э. д. с., и индукционный ток. Катушка I является при этом одновременно и катушкой, создающей поле, и катушкой индукционной. Индукцию в этом случае называют самоиндукцией.

Обнаружить на опыте существование явления самоиндукции нетрудно. Возьмем катушку с несколькими сотнями витков, надетую на замкнутый железный сердечник (рис. 296). К зажимам катушки присоединена 6-вольтовая лампочка. Катушку можно с помощью ключа присоединить к аккумулятору с напряжением 2 В. Таким образом, когда ключ замкнут, то к аккумулятору присоединены параллельно катушка и лампочка. Когда же ключ разомкнут, то мы имеем только одну замкнутую цепь, состоящую из витков катушки и лампочки.

Рис. 296. Наблюдение явления самоиндукции: 1 – катушка, 2 – железный сердечник

Так как лампочка рассчитана на напряжение значительно большее, чем напряжение, даваемое аккумулятором, то, пока ключ замкнут, она горит очень слабо, темно-красным накалом. В момент же размыкания ключа она на мгновение вспыхивает ярким белым светом. Почему это происходит? После размыкания ключа ток в катушке уменьшается, т. е. магнитное поле ослабевает. При этом происходит процесс самоиндукции, благодаря которому создается кратковременная, но довольно значительная э. д. с., под действием которой через катушку и лампочку протекает в течение очень короткого времени большой ток, заставляющий лампочку ярко вспыхнуть.

Для того чтобы установить направление индуцированного в процессе самоиндукции тока, заменим в опыте, изображенном на рис. 296, лампочку вольтметром (рис. 297), стрелка которого отклоняется в одну сторону при прохождении тока одного направления и в другую при прохождении тока противоположного направления. Пусть, например, при замкнутом ключе, когда ток течет в катушке в направлении , а в вольтметре – от  к , стрелка вольтметра отклонена вправо. При размыкании ключа обнаружится, что стрелка резко отбрасывается влево, т. е. в вольтметре ток течет от  к , а следовательно, в катушке, образующей с вольтметром замкнутый контур , ток продолжает течь в направлении .

Рис. 297. Исследование направления тока самоиндукции

Таким образом, при размыкании ключа ток в катушке исчезает не сразу, а продолжает идти в прежнем направлении, постепенно ослабляясь. Так как ключ разомкнут, то ясно, что этот продолжающийся ток поддерживается э. д. с. самоиндукции. То же имело бы место, если бы мы вместо выключения тока пытались его ослаблять (например, увеличивая сопротивление ): уменьшение тока протекает благодаря самоиндукции замедленно, ибо ток самоиндукции течет в том же направлении, как и первичный ток. Наоборот, при усилении питающего тока э. д. с. самоиндукции будет направлена навстречу увеличивающемуся току, замедляя его нарастание. Таким образом, в согласии с общим правилом, установленным в § 139, ток самоиндукции направлен так, что он препятствует изменению силы тока, вызывающему процесс индукции.

Рассмотрим теперь явление самоиндукции с несколько иной точки зрения. Откуда берется энергия, поглощаемая лампочкой в момент ее вспышки и превращаемая в ней в тепло и свет? Ведь вспышка происходит тогда, когда ключ уже разомкнут. Следовательно, энергия не может браться от аккумулятора. Вспышка лампочки происходит при исчезновении тока в катушке, т. е. при исчезновении магнитного поля этой катушки. Мы приходим, таким образом, к заключению, что энергия, поглощаемая лампочкой в момент размыкания тока, была раньше запасена в виде энергии магнитного поля. Когда мы подключали катушку к аккумулятору, мы создавали магнитное поле, на что тратился определенный запас энергии, заимствованный от аккумулятора. Когда мы выключаем ток, магнитное поле исчезает, и запасенная в нем энергия в процессе самоиндукции превращается в энергию электрического тока в лампочке.

156.1. Почему при включении тока в обмотке электромагнита полная сила тока устанавливается не сразу?

156.2. Почему при быстром выключении электромагнита ток на мгновение резко возрастает (иногда в такой мере, что может причинить вред, и поэтому выключают ток обычно постепенно, вводя реостат)?

В § 38 мы видели, что электрическое поле обладает запасом энергии, равным той работе, которая была затрачена на разделение зарядов и создание этого поля.

Описанные выше явления самоиндукции наглядно пот показывают, что и магнитное поле обладает запасом энергии. Эта энергия затрачивается при создании магнитного поля. Ее можно получить обратно при исчезновении магнитного поля.

156.3. При замыкании тока от одного или нескольких аккумуляторов искра не получается, а при размыкании этого тока получается. Почему? Усилится ли искра при размыкании тока большей силы в цепи? При каком устройстве цепи можно увеличить этот эффект?

156.4. К батарее аккумуляторов присоединены параллельно две цепи. Одна содержит лампочки накаливания, другая – большой электромагнит. Сила тока в обеих цепях одна и та же. При размыкании какой цепи будет наблюдаться более сильная искра? Почему?