Кинематика самоиндукции и взаимной индукции обмоток и трансформаторов с магнитными сердечниками Опции

[Менде]

Особенностью любого трансформатора является возможность передачи энергии из одной обмотки в другую без наличия гальванического контакта между ними. Чем ближе расположены витки первичной и вторичной обмоток, тем больше коэффициент связи между обмотками. Если речь идёт о трансформаторе без наличия магнитного сердечника, то идеальным вариантом является тот случай, когда обмотки намотаны бифилярным способом, когда обмотки, представляющие первичную и вторичную обмотки, мотается в два провода. При таком способе намотки провода обмоток располагаются максимально близко, что и даёт возможность получить максимальный коэффициент связи. Но существует случай, когда две обмотки, расположены на общем магнитном сердечнике, находящиеся на большом расстоянии друг от друга, имеют высокий коэффициент связи. В учебных пособиях нет описания физики работы трансформатора с таким сердечником, и нет описания того, какова физика процесса, обеспечивающая этот феномен.
Известно, что наличие магнитного сердечника в катушке существенно увеличивает её индуктивность. Но физика этого процесса нигде не описана. Если по катушке или отдельному проводу течёт ток, то энергия, накопленная в их индуктивности, определяется соотношением
[dmath] {W_L} = \frac{1}{2}L{I^2}[/dmath] .

Индуктивность провода, по которому течёт ток, связывают с наличием вокруг такого провода магнитных полей и поскольку магнитные поля обладают удельной энергией
[dmath] {W_{0H}} = \frac{1}{2}\mu {H^2}[/dmath] ,

то их интегрирование по объёму даёт энергию

[dmath] {W_H} = \frac{1}{2}\mu \int {{H^2}} dV[/dmath] .
При этом
[dmath] {W_L} = {W_H}[/dmath] .

Но магнитные поля, окружающие проводник или катушку, зависят от тока, поэтому индуктивность представляет коэффициент, который зависит от конфигурации проводника и связывает энергию, накопленную в проводнике, с текущем в нему током.
До сих пор мы всегда связывали эту индуктивность с магнитными полями, которые окружают рассматриваемый проводник. Но существует и другой механизм увеличения индуктивности проводника, когда индуктивность зависит не только от его конфигурации и тех магнитных полей, которые такой проводник окружают.




Рис. 1. Контур с замороженным током вблизи проводника, по которому течёт ток.

Предположим, что имеется сверхпроводящий контур, в котором заморожен ток I, расположенный на расстоянии d от проводника, по которому течёт ток I, а контур с замороженным током закреплён при помощи пружины к жесткому основанию (рис. 1). Если пропускать ток через проводник, то контур с замороженным током начнёт к нему притягиваться, растягивая пружину и тем самым, запасая в пружине энергию. Причём, чем больше будет ток в контуре, тем сильнее он будет притягиваться к проводу, и тем большая энергия будет накапливаться в пружине. Поэтому при одних и тех же значениях тока в проводнике, энергия, израсходованная для растяжения пружины, будет разная и будет она зависеть также и от тока в короткозамкнутом контуре.
Рассмотренная система эквивалентна индуктивности с той лишь разницей, что энергия в такой индуктивности будет накапливаться не в магнитном поле, а в пружине. Причём индуктивность в данном случае будет зависеть и от расстояния между контуром и проводником, и от тока, текущего по проводнику и тока, замороженного в контуре. Характерной особенностью рассмотренной системы является и то, что приближение контура с замороженным током к проводу, по которому течёт ток, будет приводить к возбуждению нём токов, противоположных исходному току. Такое поведение суммарного тока в проводнике свидетельствует об увеличении его индуктивности. Можно представить и другой вид такой системы. Для этого нужно контур с замороженным током поместить на оси, проходящей, через его центр, а к оси прикрепить спиральную пружину, обеспечивающую устойчивое состояние контура в положении, когда его проводники равноудалены от проводников внешних контуров (рис. 2).




Рис. 2. Передача токов индукции из одного проводника в другой при наличии
между ними магнетика.

Тогда при протекании тока [/imath] {I_1}[/imath] через проводник контур с замороженным током будет поворачиваться в ту или другую сторону, закручивая спиральную пружину. При этом в пружине будет накапливаться энергия, а направление закручивания пружины будет зависеть от направления тока в проводнике. Именно такой специфический вид индуктивности и работает при взаимодействии проводников с током с магнетиками. До тех пор, пока на ферромагнетик не наложено стороннее внешнее магнитное поле, его атомы или молекулы, которые представляют микроскопические контура сзамороженным током, находятся в разупорядоченном состоянии. Такое состояние является для них является равновесным. Но как только на ферромагнетик накладывается внешнее поле, начинает происходить ориентация их магнитных моментов вдоль магнитного поля, на что требует расхода энергии. Эта энергия и представляет индуктивную энергию проводника с током.
Если ток, текущий через проводник, является переменным, то рассмотренный процесс является реактивным. При этом атомы или молекулы, представляющие контура с током, осуществляют вращательно-колебательное движение и энергия, накопленная в пружине, попеременно то
накапливается в ней, то отдаётся обратно проводнику с током. Такому процессу сопутствует гистерезис. Гистерезисные процессы возникают тога, когда микроскопические контура с замороженным током, находятся вблизи дефектов кристаллической решетки. В процессе перемагничивания эти контура попадают в потенциальные ямы, с чем и связан гистерезис.
Рассмотрим процесс, при котором магнитный сердечник обеспечивает большой коэффициент связи между удалённым проводниками, передавая тем самым энергию из одного проводника в другой. Если в первичном контуре увеличивается ток, то проводник этого контура начинает притягивать к себе проводник витка с замороженным током. Вращение витка приводит к тому, что его противоположная сторона начинает приближаться к проводнику вторичного контура, индуцируя в нём ток индукции. Если вторичный контур разомкнут, и энергия в нём не расходуется, то он не влияет на процессы в такой системе. Если же вторичный контур нагружен на активное сопротивление, то поворот контура с замороженным током требует расхода активной энергии. Этот поворот осуществляет первичный контур, из которого эта энергия забирается. Это приводит к тому, что первичный контур для источника питания превращается из чисто индуктивной нагрузки в нагрузку, в которой будет присутствовать и активная составляющая. Эта активная составляющая будет определяться разностью потенциалов на клеммах вторичного контура и сопротивлением к ним подключенного.
Если имеется две катушки, расположенные на общем магнитном сердечнике, то первичная катушка, в которую вводят ток, осуществляет синхронный поворот всех микроскопических контуров с замороженным током. Сложение токов этих контуров приводит к образованию макроскопического тока внутри ферромагнетика, который по схеме, изображенной на рис. 2, взаимодействует с проводниками и первичного, и вторичного контура.