background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

Wykład 23 

23.  Indukcja elektromagnetyczna, energia pola magnetycznego 

23.1 Indukcyjność 

23.1.1 Transformator 

Gdy dwie cewki są nawinięte na tym samym rdzeniu (często jedna na drugiej) to 

prąd zmienny w jednej wywołuje SEM indukcji w drugiej. 
N

1

 - liczba zwojów w cewce pierwotnej, N

2

 - liczba zwojów w cewce wtórnej 

 

t

N

U

B

d

d

2

2

φ

=

 

oraz 

t

N

U

B

d

d

1

1

φ

=

 

 
Stosunek napięć 

 

1

2

1

2

N

N

U

=

 (23.1) 

 
Widać, że regulując ilość zwojów w cewkach możemy zamieniać małe napięcia na duże 
i odwrotnie. 

Przykład 1 

Obliczmy straty mocy w linii przesyłowej o oporze 10 

Ω przesyłanej z generatora 

10 MW gdy napięcie wynosi 1.5·10

4

 oraz 10

5

 V. 

P = IU 
P

strat

 = I

2

 R = (P/U)

2

 R 

P

strat1

 = 4.4 MW  (44%) 

P

strat2

 = 0.1 MW  (1%) 

23.1.2 Indukcyjność własna 

Gdy natężenie prądu przepływającego przez cewkę zmienia się to zmienia się też 

strumień przez każdy zwój tej cewki więc zgodnie z prawem indukcji Faradaya induku-
je się SEM. Tę siłę elektromotoryczną nazywamy 

siłą elektromotoryczną samoindukcji

 

 

t

N

d

d

φ

ε −

=

 (23.2) 

 
Wielkość N

φ jest całkowitym strumieniem zawartym w obwodzie i nosi nazwę strumie-

nia skojarzonego. Strumień skojarzony jest proporcjonalny do prądu płynącego przez 
cewkę. 
 

 N

φ = LI  

(23.3) 

 

23-1 

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

Stała proporcjonalności 
 
 

 L = N

φ/I  

(23.4) 

 
nazywana jest 

indukcyjnością.

 

Zróżniczkowanie(po czasie) równania (23.3) daje 
 

t

I

L

t

N

d

d

d

d =

φ

 

Stąd 
 

 

t

I

L

d

d

=

ε

 (23.5) 

 
Jednostką L jest henr. 1 H = 1 Vs/A 
Jako przykład obliczmy indukcyjność cewki o długości l

0

 i N zwojach. 

Strumień przez każdy zwój wynosi 
 

φ = BS 

gdzie B dla cewki wynosi 

B = 

µ

0

nI = 

µ

0

I(N/l

0

Zatem 

I

l

NS

0

0

µ

φ =

 

 
Indukcyjność L otrzymujemy mnożąc strumień przez N/I 
 

 

0

2

0

l

S

N

L

µ

=

 (23.6) 

 
Zauważmy, że L zależy tylko od geometrii

23.1.3 Indukcja wzajemna 

Omawiając transformator pokazywaliśmy, że dwie cewki mogą oddziaływać na sie-

bie. Prąd zmienny w jednej wywoływał SEM w drugiej. Tym razem strumień przecho-
dzący przez cewkę 2 jest proporcjonalny do prądu płynącego przez cewkę 1. 
 

N

2

φ

21

 = M

21

I

1

 

 
Stałą proporcjonalności M

21

 nazywamy 

indukcją wzajemną.

 

Różniczkując to równanie otrzymujemy 
 

t

I

M

t

N

d

d

d

d

1

21

21

2

=

φ

 

Stąd 

 

23-2 

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

t

I

M

d

d

1

21

2

=

ε

 

 
Jeżeli zmieniamy prąd I

2

 to analogicznie 

 

t

I

M

d

d

2

12

1

=

ε

 

 
Można pokazać (ale w skomplikowany sposób), że 
 

M

12

 = M

21

 = M 

 
Podobnie jak L tak samo M zależy tylko od 

geometrii układu

 
23.2  Obwody RC i RL, stałe czasowe 

Zaczniemy teraz zajmować się prądami zmieniającymi się w czasie. 

23.2.1 Obwód RC 
  Rozpatrzmy jaki prąd popłynie w obwodzie po zamknięciu wyłącznika do pozy-

cji (a). 

ε 

 

Korzystamy z prawa Kirchoffa. 
 

 

C

q

IR

+

=

ε

 (23.7) 

 
W równaniu tym są dwie niewiadome I oraz q. Ale możemy skorzystać ze związku 
I = dq/dt. Otrzymujemy równanie różniczkowe  
 

C

q

R

t

+

=

d

d

ε

 

 
Szukamy rozwiązania q(t). Ma ono postać 
 
 

)

1

(

RC

t

e

C

q

=

ε

 (23.8) 

 

23-3 

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

 
Możemy sprawdzić czy funkcja ta jest rozwiązaniem równania różniczkowego poprzez 
jej podstawienie do tego równania. 
Prąd obliczamy różniczkując dq/dt 
 

RC

t

e

R

t

q

I

/

d

d

=

=

ε

 

 
Rysunki przedstawiają zależność q(t) oraz I(t). 

 

Cε 

 

ε/R 

 

 

Jeżeli teraz przełączymy wyłącznik do pozycji (b) to będziemy rozładowywać konden-
sator. Teraz w obwodzie nie ma 

ε i prawo Kirchoffa przyjmuje postać 

 

0

=

+

C

q

IR

   czyli  

0

d

d

=

+

C

q

t

q

R

 

 
Rozwiązanie ma postać 
 
 

RC

t

e

q

q

/

0

=

 (23.9) 

 
gdzie q

0

 jest ładunkiem początkowym na kondensatorze. 

Natężenie prądu przy rozładowaniu wynosi 
 

RC

t

e

RC

q

t

q

I

/

0

d

d

=

=

 

 
W równaniach opisujących  ładowanie i rozładowanie kondensatora wielkość  RC ma 
wymiar czasu i jest nazywana 

stałą czasową

 obwodu. Opisuje ona fakt, że ładunek na 

kondensatorze nie osiąga od razu wartości końcowej lecz zbliża się do niej wykładni-
czo. Podobnie przy rozładowaniu. 

23.2.2 Obwód RL 

Analogicznie opóźnienie w narastaniu i zanikaniu prądu pojawia się w obwodzie RL 

przy włączaniu lub wyłączaniu źródła SEM. 

 

23-4 

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

ε 

 

Gdyby nie było cewki prąd osiągnąłby natychmiast wartość 

ε/R. Dzięki cewce w obwo-

dzie pojawia się dodatkowo SEM samoindukcji 

ε

L

, która zgodnie z regułą Lenza prze-

ciwdziała wzrostowi prądu (po włączeniu) co oznacza, że jej zwrot jest przeciwny do 

ε. 

Z prawa Kirchoffa otrzymujemy 
 

0

d

=

t

L

IR

ε

I

 

 (23.10) 

 

oszukujemy rozwiązania tego równania różniczkowego w postaci I(t). 

P
Ma ono postać 

)

1

(

L

Rt

e

R

I

=

ε

 

 (23.11) 

 

prawdzamy poprzez podstawienie do równania. Napięcie na oporniku i cewce pokaza-

S
ne jest na rysunkach poniżej. 

 

ε

ε 

 

 

arastanie prądu w obwodzie jest opisane stałą czasową 

τ

L

 = L/R

 i otrzymamy 

N
Jeżeli przełącznik ustawimy w pozycji (b) to wyłączmy źródło SEM
 

0

d

=

IR

t

L

I

 

 (23.12) 

 

 rozwiązaniem 

z
 

L

Rt

e

R

I

/

=

ε

 (23.12) 

 

 

23-5 

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

 

23.3  Energia, a pole magnetyczne 

awa Kirchoffa otrzymaliśmy 

Pozostańmy przy obwodzie RL. Z pr
 

t

d

 
Mnożąc to równanie przez I dostajem

I

L

IR

d

+

=

ε

 

 

t

I

LI

R

I

d

d

2

+

 

 

ępująca: 

  lewa strona równania przedstawia szybkość (moc = 

εI tj εdq/dt) z jaką źródło prze-

tycznym. 

 

I

=

ε

Interpretacja tego równania z punktu widzenia pracy i energii jest nast

kazuje do obwodu energię 

εq

•  pierwszy wyraz po prawej stronie to szybkość (moc) wydzielania ciepła na oporze 

R

•  drugi wyraz po prawej stronie to szybkość z jaką energia gromadzi się w polu ma-

gne

To ostatnie możemy zapisać jako 

t

I

LI

t

W

B

d

d

d

d

=

 

czyli 
 

I

LI

dW

B

d

=

 

Po scałkowaniu otrzymujemy 

 

 

2

2

1

d

d

LI

I

LI

W

B

B

=

=

=

 

W

 (23.13) 

ównanie określa 

całkowitą

rzez, którą płynie prąd I

 
R

 w cewce o indukcyjności L 

 energię magnetyczną

 zawartą

p
Porównajmy to z energią naładowanego kondensatora 
 

 

C

C

2

q

W

2

1

=

 

 

(23.14) 

3.4 Gęstość energii a pole magnetyczne 

Rozpatrzmy solenoid o długości l i powierzchni przekroju S czyli o objętości lS

2

Tak więc gęstość energii 
 

 

23-6 

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

lS

W

w

B

B

=

 

Ponieważ 

2

1

LI

W

=

2

B

 

więc 

LI

w

2

1

=

lS

2

B

 

 
Przypomnijmy, że 
 

l

S

N

L

2

0

µ

=

   oraz   

l

N

I

In

B

0

0

µ

µ

=

=

 

 
co w połączeniu daje wyrażenie 
 

 

0

2

µ

2

B

w

B

=

 (23.15) 

opisujące 

gęstość energii

 zawartej w ka

 punkcie przestrzeni w której jest indukcja 

agnetyczna B

 

żdym

m

Przykład 2 

Długi koncentryczny kabel składa się z cylindrycznych przewodników o promieniach 

my energię zawartą w polu magnetycznym kabla na odcinku o długości l

0

 

b. Oblicz
oraz jego indukcyjność. 

dr 

 

pera dla przestrzeni pomiędzy cylindrami otrzym

 
Stosując prawo Am

amy 

zyli 

 

I

rB

0

2

µ

π =

 

c

r

π

2

 
Gęstość energii w punktach pomię

I

B

µ

0

=

 

dzy przewodam

 

23-7 

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

 

2

2

2

0

I

w

B

µ

=

=

=

 

 
Rozpatrzmy teraz cienką

i. Objętość tej warstewki 

ynosi: 

dla odcinka kabla o długości l

0

nergia w tej objętości wynosi więc 

2

0

2

1

1

I

B

µ 

0

0

8

2

2

2

r

r

π

π

µ

µ

 (dr) warstewkę pomiędzy cylindram

w

dV = 2

πrdrl

0

 

 

E
 

r

r

4

8

π

c) po całej objętości obliczamy całkowitą energię

r

l

I

rl

r

I

V

w

W

B

d

d

2

d

d

0

2

0

0

2

2

2

0

π

µ

π

µ

=

=

=

 

 
Sumując (całkują

 W 

 

a

r

a

4

4

π

π

y z zależności 

b

l

I

r

l

I

b

d

0

2

0

0

2

0

µ

µ

W

W

ln

d

=

=

=

 

 
Indukcyjność znajdziem
 

2

1

LI

U

=

 

2

 czyli  

2

2

I

U

L

=

 

 

a

b

l

L

ln

2

0

0

π

µ

=

 

 
L zależy tylko od czynników geometrycznych. 
 

 

23-8