Просто о сложном: что такое индуктивность и ЭДС самоиндукции?

blagin_anton — 17.12.2023

Я давно заметил, что многие понятия в современной физике даются как бы эзоповым языком, то есть, они описываются не в ясной форме, а чуть ли не иносказательно, иногда через второстепенные детали — так называемые следствия в причинно-следственной логике. Ярким примером может служить ставшее уже традиционным объяснение природы индуктивности и возникновения ЭДС самоиндукции.

Вот один из традиционных рассказов про ЭДС самоиндукции:

«...При протекании переменного тока через проводник магнитные силовые линии, появляющиеся при этом, будут пересекать этот проводник и, по закону электромагнитной индукции, в нём появится ЭДС самоиндукции. Это явление первый изучил русский физик Э.Х. Ленц и сформулировал правило, которое гласит: индукционный ток направлен так, чтобы своим магнитным полем противодействовать изменению магнитного потока, которым он вызван.

На этом рисунке наглядно видно, как при увеличении тока через проводник силовые магнитные линии расходятся от проводника концентрическими окружностями (область вихревого магнитного поля в пространстве вокруг проводника в это время расширяется), а направление ЭДС самоиндукции противоположно току в проводе. При этом оно тормозит рост тока в проводе до тех пор, пока вихревое магнитное поле вокруг провода не достигнет своей максимальной силы. 

При уменьшении протекающего по проводнику тока силовые линии вихревого магнитного поля начинают сходиться к оси проводника (магнитное поле из внешнего пространства начинает возвращаться в проводник), при этом направление ЭДС самоиндукции совпадает с направлением тока. В этом случае ЭДС самоиндукции помогает уменьшающему току сохранять свою интенсивность...» 

Формально, здесь написано всё правильно, однако, физика процессов не раскрыта никак! Нет объяснения, почему же всё так происходит!

Я открываю сейчас «Википедию», которая является мировой энциклопедией и непрерывно обновляется и корректируется по мере появления новых данных:

«Самоиндукция — это явление возникновения ЭДС индукции в проводящем контуре (в цепи) при изменении протекающего через контур тока.

При изменении тока в контуре прямо пропорционально меняется и магнитный поток через поверхность, ограниченную этим контуром. Изменение этого магнитного потока, в силу закона электромагнитной индукции, приводит к возбуждению в этом контуре индуктивной ЭДС.

Это явление и называется самоиндукцией. Стоит отметить, что данное понятие родственно понятию взаимоиндукции, являясь как бы его частным случаем. 

Направление ЭДС самоиндукции всегда оказывается таким, что при возрастании тока в цепи ЭДС самоиндукции препятствует этому возрастанию (направлена против тока), а при убывании тока — убыванию (сонаправлена с током). Явление самоиндукции проявляется в замедлении процессов исчезновения и установления тока.

При сопоставлении силы электрического тока со скоростью в механике и электрической индуктивности с массой в механике ЭДС самоиндукции сходна с силой инерции.

Величина ЭДС самоиндукции пропорциональна скорости изменения силы (переменного) тока i

Коэффициент пропорциональности L называется коэффициентом самоиндукции или индуктивностью контура (катушки)...»

Источник: https://ru.wikipedia.org/wiki/Самоиндукция

Здесь, в этом объяснении, так же не раскрывается природа самого явления индуктивности и возникновения ЭДС самоиндукции, но хотя бы дан этакий намёк, что, если сопоставить силу электрического тока со скоростью в механике, а электрической индуктивности с массой в механике, то ЭДС самоиндукции можно рассматривать как силу инерции!

Если грамотно воспользоваться этим намёком, то можно понять следующее: упорядоченное движение электронов по проводнику порождает вокруг проводника некий вихрь материи, который мы называем с подачи английского физики Майкла Фарадея вихревым «магнитным полем». Направление вращения этого вихря определяется направлением движения электрического тока. Пока не будем разбираться с тем, что за материя участвует в образовании вихревого «магнитного поля», оставим это на потом.

Сейчас нам надо вспомнить, что такое сила тока i. Это отношение количества электричества q, переносимого через поперечное сечение проводника за какой-нибудь промежуток времени t, к величине этого времени. А так как «количество электричества» в нашем конкретном случае это количество так называемых свободных электронов, участвующих в образовании электрического тока, движущегося по проводнику, то нужно понимать, что вихревое магнитное поле порождают вокруг провода не какие-то абстрактные «электрические заряды», а конкретные субатомные частицы — электроны, обладающие конкретной массой, пусть крохотными, но не нулевыми размерами, а также свойством вращаться вокруг своей оси. В физике это свойство частиц называется спином (от spin — кружусь, вращаюсь).

В силу наличия у электрона этого свойства он и раскручивает вокруг себя вихревое магнитное поле, представляющее собой вихрь материи. 

Причём этот вихрь материи, называемый нами «вихревым магнитным полем» имеет сцепку с каждым электроном, его породившим, а в нашем случае он имеет сцепку со всем сонмом электронов, участвующих в образовании электрического тока, бегущего по проводнику. Это и объясняет как природу индуктивности, так и причину появления в проводниках и катушках ЭДС самоиндукции. 

Читаем ещё одно определение из энциклопедии, которое говорит об этом опять же не более чем намёком:

«Индуктивность (или коэффициент самоиндукции — L) — это коэффициент пропорциональности между электрическим током I, текущим в каком-либо замкнутом контуре, и полным магнитным потоком Ψ, называемым также потокосцеплением, создаваемым этим током через поверхность, краем которой является данный контур:

Главное слово здесь — «потокосцепление». Имеется ввиду, что вихревое магнитное поле, которое в ряде случаев можно рассматривать как «магнитный поток», буквально сцеплено с электрическим током подобно тому, как турбина гидроэлектростанции сцеплена с водой, движение которой заставляет турбину вращаться и вырабатывать электричество. Причём эта сцепка магнитного поля с электрическим током может иметь разную пропорцию. Ток одной и той же силы может создавать в пространстве как слабое, так и сильное вихревое магнитное поле, всё зависит от ряда факторов:  

«Коэффициент пропорциональности L (между электрическим током и создаваемым им магнитным полем) зависит от формы проводников с током и магнитной проницаемости среды. Обозначается буквой L, в СИ измеряется в Генри. Магнитная проницаемость — физическая величина, коэффициент (зависящий от свойств среды), характеризующий связь между магнитной индукцией и напряжённостью магнитного поля в веществе. Для разных сред этот коэффициент различен, поэтому говорят о магнитной проницаемости конкретной среды (подразумевая её состав, состояние, температуру и т. д.). Обычно обозначается греческой буквой Мю.

Итак, индуктивность определяется как отношение магнитного потока Ψ, пронизывающий контур, к току в контуре I.

Итак, когда мы имеем представление о том, что вихревое магнитное поле, возникающее вокруг проводников, материально, а значит оно обладает не нулевой массой, распределённой в некоторой области пространства, и не нулевой инерцией, и оно имеет сцепку с каждым электроном, участвующем в образовании электрического тока, текущего по проводнику, то вот вам более ясная причина появления ЭДС самоиндукции:

С началом упорядоченного движения свободных электронов по проводнику они все под воздействием приложенного к проводнику электрического напряжения перво-наперво начинают занимать в пространстве упорядоченное положение — оси их вращения становятся сонаправленными. Это приводит к тому, что сонм движущихся упорядоченно электронов начинает порождать вокруг проводника гигантское по меркам микромира вихревое магнитное поле. Причём энергия магнитного поля W привязана к силе тока I чрез известный нам коэффициент пропорциональности L: 

Из выше сказанного следует, что самой близкой моделью магнитного поля является механический маховик, способный накапливать кинетическую энергию во вращательном движении.  

Когда-то давно мне довелось прочесть рассказ заслуженного советского учителя физики И.А.Соловейчик, который объяснял своей аудитории рассматриваемое нами явление с помощью вот такого образа: 

«Когда неподвижный маховик «подключают» к источнику энергии, например, когда рукой начинают разгонять маховик, то вначале рука расходует энергию не только на преодоление трения, но и на увеличение кинетической энергии маховика. За счёт накопленной энергии маховик может некоторое время вращаться «сам», отдавая накопленную энергию в виде топлива. Аналогично при нарастании тока [протекающего через катушку] часть энергии источника расходуется на создание магнитного поля катушки, а после выключения источника за счёт этой энергии может выделяться тепло...».

Замечу, что данный пример лишний раз заставляет подумать о том, что в случае с вихревым магнитным полем, выступающим в роли аккумулятора кинетической энергии, мы имеем дело с материальным вихревым образованием, которое, естественно, может возникать только в материальной среде, образованной из частиц, имеющих массу. (Пример тому – вихри в газовой или жидкостной среде. В пустоте, вакууме, вихри, разумеется, не возникают).

Окончательно прийти к выводу, что в любом трансформаторе в качестве передаточного звена между проволочными катушками работает вихрь, в образовании которого участвуют (гораздо меньшие, чем электрон) материальные частицы, масса которых, разумеется, не равна нулю (иначе бы кинетическая энергия вихревого магнитного потока равнялась нулю), мы можем благодаря простому опыту с одной катушкой. Этот опыт описан в книге «Элементарный учебник ФИЗИКИ», том II, «Электричество и магнетизм». Учебник издан под редакцией академика Г. С. Ландсберга.

«Возьмём катушку J с несколькими сотнями витков, надетую на замкнутый железный сердечник. К зажимам а - а присоединена шестивольтовая лампочка L. Катушку можно с помощью ключа K присоединить к аккумулятору В с напряжением 1,5 - 2 вольта. Таким образом, когда ключ K 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. 

Так как наша лампочка рассчитана на напряжение, значительно большее, чем напряжение, даваемое аккумулятором, то пока ключ замкнут, она горит очень слабо, тёмно-красным накалом. В момент же размыкания ключа K она на мгновение вспыхивает очень ярким белым светом. 

Почему это происходит? ...Откуда берётся энергия, поглощаемая лампочкой в момент её вспышки и превращаемая в ней в тепло и свет? Ведь вспышка происходит тогда, когда ключ K 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 определённый запас энергии, заимствовавшийся от аккумулятора. Когда мы выключаем ток, магнитное поле исчезает, и запасённая в нём энергия …превращается в энергию электрического тока в лампочке».

Обратное преобразование кинетической энергии вихревого магнитного поля в энергию электрического тока, протекающего по той же самой катушке, которая породила этот вихрь, происходит, как мы теперь понимаем, исключительно по той причине, что имеется механическая сцепка между вихревым магнитным полем и сонмом электронов, упорядоченно ориентированных в пространстве, вращающихся вокруг своей оси, и упорядоченно движущихся по проводнику.

Итак, если вихревое магнитное поле является аккумулятором кинетической энергии благодаря тому, что оно вращается вокруг проводника с током подобно маховику, то есть повод задуматься о том, с какой скоростью происходит это вращение? 

Лично у меня есть понимание, что скорость вращения V вихревого «магнитного поля» вокруг проводника пропорциональна току I, протекающему по проводу, и пропорциональна коэффициенту сцепления L вихревого магнитного поля с электрическим током. Чем L и I выше, тем выше скорость вращения вихревого магнитного поля и, соответственно, выше запасённая в нём кинетическая энергия.

А если скорость вращения вихревого «магнитного поля» может варьироваться в широких пределах, то можно легко догадаться, что она значительно ниже скорости света. 

Тогда возникает явное противоречие с гипотезой Д.К.Максвелла, который попытался объяснить природу поляризованного света через принцип электромагнитной индукции, ещё до конца не понимая, что собою представляют электрическое и магнитное поля.

Магнитное поле, которое вращается в ту или иную сторону вокруг проводников с переменным током, да ещё имеет определённую механическую сцепку с этим током, не может просто так порвать эту сцепку и начать свободно двигаться в пространстве как волна. Тем более, что вихрь — это вихрь, а волна — это волна. Это разные природные явления!

Значит, надо полагать, что в антеннах радиопередающих устройств создаются какие-то особые условия, при которых те же электроны, двигаясь по поверхности проводников возвратно-поступательно, порождают вокруг себя качественно иное «магнитное поле», уже не вихревое, а способное удаляться от проводника с током как волна, движущаяся в пространстве со скоростью света!

Так что, можно с уверенностью сказать, что нашим учёным ещё только предстоит раскрыть и описать правильный механизм рождения радиоволн в антеннах. А старая теория Д.К.Максвелла, увы, в свете вновь открывшихся знаний не выдерживает никакой критики.

17 декабря 2023 г. Мурманск. Антон Благин     

Оставить комментарий

Популярные посты:

scribonianus

Главные причины востребованности онлайн-казино Gizbo

masterok

Детали покушения на Трампа не просто сенсация - они шокируют

olgina67

«Мы, оглядываясь, видим лишь руины». Взгляд, конечно, очень варварский, но

psyteaman

Фатальная ошибка: секс для здоровья

afirsov

Красоты в ленту - "вИсокое искусство боксарта"

nathoncharova

Элис Уолтон: Тайны самой богатой женщины мира, владеющей миллиардами

pro100_mica

Пятничное фото

l_boris

Новости вооружения. Ростех передал в войска партию танков Т-80БВМ с новой

a_simakoff

В поисках героя нашего времени

• Ранее
• Архив