Практическая демонстрация взаимной индукции с воздушным и железным сердечником

Взаимная индуктивность — это параметр цепи между двумя магнитно связанными катушками, определяющий отношение изменяющегося во времени магнитного потока, создаваемого одной катушкой, к потоку, индуцируемому в соседней второй катушке. Ранее мы видели, что индуктор генерирует самоиндуцированную ЭДС в результате изменения магнитного поля вокруг собственных витков катушки. Когда эта ЭДС индуцируется в той же цепи, в которой изменяется ток, этот эффект называется самоиндукцией (L). Однако, когда ЭДС индуцируется в соседней катушке, расположенной в том же магнитном поле, говорят, что ЭДС индуцируется магнитно, индуктивно или посредством взаимной индукции (символ M). Тогда, когда две или более катушки магнитно связаны вместе общим магнитным потоком, говорят, что они обладают свойством взаимной индуктивности. Взаимная индуктивность является основным принципом работы трансформатора, двигателей, генераторов и любого другого электрического компонента, взаимодействующего с другим магнитным полем. Взаимная индукция определяется как ток, протекающий в одной катушке, который индуцирует напряжение в соседней катушке. Однако взаимная индуктивность может быть и вредной, поскольку «блуждающая» или «утечка» индуктивность от одной катушки может мешать работе другого соседнего компонента посредством электромагнитной индукции, поэтому может потребоваться некоторая форма электрического экранирования относительно потенциала земли. Величина взаимной индуктивности, связывающей одну катушку с другой, в значительной степени зависит от относительного расположения двух катушек. Если одна катушка расположена рядом с другой так, что их физическое расстояние невелико, то почти весь магнитный поток, создаваемый первой катушкой, будет взаимодействовать с витками второй катушки, индуцируя относительно большую ЭДС и, следовательно, создавая большое значение взаимной индуктивности. Аналогично, если две катушки расположены дальше друг от друга или под разными углами, величина индуцированного магнитного потока от первой катушки ко второй будет слабее, что приведет к гораздо меньшей индуцированной ЭДС и, следовательно, к гораздо меньшему значению взаимной индуктивности. Таким образом, эффект взаимной индуктивности в значительной степени зависит от относительного положения или расстояния (S) двух катушек, что показано ниже. Взаимная индуктивность, существующая между двумя катушками, может быть значительно увеличена путем размещения их на общем сердечнике из мягкого железа или путем увеличения числа витков каждой катушки, как это происходит в трансформаторе. Если две катушки плотно намотаны одна на другую на общем сердечнике из мягкого железа, то говорят, что между ними существует единичная связь, поскольку любые потери из-за утечки магнитного потока будут чрезвычайно малы. Тогда, предполагая идеальную магнитную связь между двумя катушками, взаимная индуктивность, существующая между ними, может быть выражена следующим образом. Где:   ... В первой катушке протекает ток I1, а количество витков равно N1, тогда как во второй катушке N2. Следовательно, взаимная индуктивность M12 второй катушки относительно первой зависит от их положения относительно друг друга и определяется следующим образом: Аналогично, поток, связывающий первую катушку L1, когда ток протекает по второй катушке L2, точно такой же, как поток, связывающий вторую катушку, когда тот же ток протекает по первой катушке, тогда взаимная индуктивность первой катушки относительно второй определяется как M21. Эта взаимная индуктивность сохраняется независимо от размера, количества витков, относительного положения или ориентации двух катушек. Поэтому взаимную индуктивность между двумя катушками можно записать как: M12 = M21 = M. Таким образом, мы видим, что собственная индуктивность характеризует индуктор как отдельный элемент цепи, в то время как взаимная индуктивность обозначает некоторую форму магнитной связи между двумя индукторами или катушками, в зависимости от их расстояния и расположения, и, надеюсь, мы это помним.