Электричество шаг за шагом

Т-110. Катушка запасает энергию в своём магнитном поле. Имея достаточно точные измерительные приборы, можно обнаружить странное, на первый взгляд, явление: если, замкнув выключатель, мгновенно подать напряжение на катушку, ток в катушке установится не сразу, он будет нарастать, может быть, и быстро, но постепенно (Р-62). И это объясняется так: при увеличении тока в катушке наводится э.д.с. самоиндукции, она направлена против растущего тока и притормаживает его нарастание. Когда ток достигнет своей нормальной, постоянной величины, он, естественно, перестанет расти, и при этом, конечно, исчезнет э.д.с. самоиндукции, которая только что противодействовала нарастанию тока.

ВК-129.При последовательном соединении катушки с резистором и конденсатора с резистором ток в каждой из этих двух цепей общий и величина его известна. Каждую пару напряжений можно сложить в простейшей геометрической фигуре и, пользуясь в итоге теоремой Пифагора, определить общее напряжение двух сдвинутых по фазе на 90 градусов напряжений, как гипотенузу прямоугольного треугольника. Задача этого и следующего рисунков (ВК-130) показать, что такое в принципе возможно.

Похожая картина наблюдается и при выключении, при разрыве цепи — ток сразу, резко не прекращается, его какое-то мгновение поддерживает э.д.с. самоиндукции, в момент выключения она направлена в ту же сторону, что и э.д.с. батареи, и как может поддерживает убывающий ток. Электродвижущую силу самоиндукции из-за этих её действий часто называют противоэ.д.с., она всегда противодействует изменениям тока в цепи катушки — при нарастании тока препятствует этому нарастанию, при уменьшении тока препятствует уменьшению, замедляет, затягивает его, поддерживая ток.

Нарисованная картина не покажется странной, если вспомнить, что ток, проходя по катушке индуктивности, создаёт её магнитное поле. А в любом поле — гравитационном, электрическом, магнитном — всегда запасается энергия. На создание магнитного поля катушки, на создание в нём запасов энергии как раз и расходуется энергия батареи в момент включения. Именно поэтому ток резко не нарастает, он в первое мгновение тратит часть своей энергии на создание энергетических запасов в магнитном поле. А при выключении эти запасы возвращаются в электрическую цепь, поддерживая ток вместо уже отключённой батареи.

Катушка запасает тем больше энергии, чем больше её индуктивность L и чем больше сила постоянного тока I, который по этой катушке проходит. С практической, так сказать, с хозяйственной точки зрения хранить энергию в магнитном поле катушки не очень удобно — нужно всё время пропускать по катушке ток, чтобы поддерживать её магнитное поле. В этом отношении конденсатор более удобная энергетическая кладовая, хотя катушка, как это бывает в спорте, может ещё выйти вперёд, оставив конденсатор далеко позади, если достоянием практической энергетики станет высокотемпературная сверхпроводимость.

ВК-130. При параллельном соединении катушки с резистором и конденсатора с резистором на каждой из этих пар действует одинаковое для обоих элементов напряжение. Задача в этот раз сводится к тому, чтобы, измерив каждый из пары токов, сдвинутых по фазе на 90 градусов (токи в первом случае через катушку и резистор и во втором случае через конденсатор и резистор), найти общий ток, а затем и общее сопротивление. Общий ток находим в простейшем геометрическом построении, пользуясь идеей Пифагора.