Просто о сложном: что такое индуктивность и ЭДС самоиндукции?
![топ 100 блогов](/media/images/default.jpg)
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.
![Просто о сложном: что такое индуктивность и ЭДС самоиндукции? Просто о сложном: что такое индуктивность и ЭДС самоиндукции?](/images/main/prosto-o-slojnom-chto-takoe-induktivnost-i-eds-samoindukcii-38567b.jpg?from=https://ic.pics.livejournal.com/blagin_anton/33716210/3507064/3507064_original.jpg)
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
![Просто о сложном: что такое индуктивность и ЭДС самоиндукции? Просто о сложном: что такое индуктивность и ЭДС самоиндукции?](/images/main/prosto-o-slojnom-chto-takoe-induktivnost-i-eds-samoindukcii-efd635.jpg?from=https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/1de4d4d32dec954b7176072d51174baecb47d7c4)
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:
![ÐелиÑина магниÑного поÑока = индÑкÑивноÑÑÑ ÑмножиÑÑ Ð½Ð° Ñок. ÐелиÑина магниÑного поÑока = индÑкÑивноÑÑÑ ÑмножиÑÑ Ð½Ð° Ñок.](/images/main/prosto-o-slojnom-chto-takoe-induktivnost-i-eds-samoindukcii-7edc5f.jpg?from=https://cont.ws/uploads/pic/2023/11/Screenshot_122.jpg)
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.
![Просто о сложном: что такое индуктивность и ЭДС самоиндукции? Просто о сложном: что такое индуктивность и ЭДС самоиндукции?](/images/main/prosto-o-slojnom-chto-takoe-induktivnost-i-eds-samoindukcii-4a8308.jpg?from=https://cont.ws/uploads/pic/2023/11/Screenshot_123%20%281%29.jpg)
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:
![Просто о сложном: что такое индуктивность и ЭДС самоиндукции? Просто о сложном: что такое индуктивность и ЭДС самоиндукции?](/images/main/prosto-o-slojnom-chto-takoe-induktivnost-i-eds-samoindukcii-c03c78.jpg?from=https://cont.ws/uploads/pic/2023/11/Screenshot_120.jpg)
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.
![Просто о сложном: что такое индуктивность и ЭДС самоиндукции? Просто о сложном: что такое индуктивность и ЭДС самоиндукции?](/images/main/prosto-o-slojnom-chto-takoe-induktivnost-i-eds-samoindukcii-81cab3.jpg?from=https://ic.pics.livejournal.com/blagin_anton/33716210/3507673/3507673_original.jpg)
«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?
![Просто о сложном: что такое индуктивность и ЭДС самоиндукции? Просто о сложном: что такое индуктивность и ЭДС самоиндукции?](/images/main/prosto-o-slojnom-chto-takoe-induktivnost-i-eds-samoindukcii-1b8df7.jpg?from=https://ic.pics.livejournal.com/blagin_anton/33716210/3507796/3507796_original.jpg)
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
|
</> |