Конечно. Здесь действительно одна тема: индуктивность и самоиндукция. Разберу так, чтобы можно было решать похожие задачи по шаблону.
Короткая теория перед задачами
Главная идея: катушка с индуктивностью L сопротивляется изменению тока.
Если ток через катушку меняется, возникает ЭДС самоиндукции:
Eси=−LdtdI
Минус означает правило Ленца: ЭДС самоиндукции направлена так, чтобы мешать изменению тока.
- ток растёт → катушка мешает ему расти;
- ток уменьшается → катушка пытается его поддержать.
Для конечного промежутка времени:
∣Eси∣=LΔt∣ΔI∣
Если известен магнитный поток через один виток Φ, то потокосцепление катушки:
Ψ=NΦ
и
L=INΦ
Поэтому при изменении потока и тока:
L=ΔINΔΦ
Также непосредственно из закона Фарадея:
∣E∣=NΔt∣ΔΦ∣
Для участка, содержащего сопротивление R и катушку L:
U=IR+LdtdI
если ток направлен от начала участка к концу.
1. Зависимость тока от времени при размыкании ключа
До размыкания ключа цепь долго была в установившемся режиме.
Это важная фраза.
При постоянном токе
dtdI=0,
поэтому ЭДС самоиндукции равна нулю и катушка фактически ведёт себя как обычный провод.
Следовательно, до размыкания:
I0=RE.
То есть непосредственно перед переключением:
I(0)=RE
Что происходит после размыкания?
Катушка не позволяет току мгновенно исчезнуть. Возникает ЭДС самоиндукции, которая некоторое время поддерживает ток.
Для свободного затухания тока в RL-цепи:
LdtdI+RI=0.
Переносим:
LdtdI=−RI.
Делим на L:
dtdI=−LRI.
Разделим переменные:
IdI=−LRdt.
Интегрируем:
lnI=−LRt+C.
Отсюда
I=Ce−Rt/L.
При t=0:
I(0)=C=RE.
Поэтому
I(t)=REe−Rt/L
Ответ
I(t)=REe−Rt/L
Ток убывает экспоненциально.
Удобно вводить время релаксации:
τ=RL.
Тогда
I(t)=I0e−t/τ.
Через время t=τ:
I=eI0≈0.37I0.
Замечание к рисунку: буквально при разрыве идеального последовательного контура ток не имеет пути для протекания, а на ключе в идеальной модели возникло бы очень большое напряжение. В стандартной учебной постановке этой задачи подразумевают затухание тока в оставшемся RL-контуре; именно для него получается формула выше. В реальной цепи ток после размыкания может некоторое время течь через искру, паразитную ёмкость и т. п.
13.290
Дано
I1=2.5 А
I2=14.5 А
ΔΦ=2.4 мВб=2.4⋅10−3 Вб
N=800
Δt=0.15 с
Найти среднюю ЭДС самоиндукции.
Способ 1 — самый короткий
По закону электромагнитной индукции:
∣E∣=NΔt∣ΔΦ∣.
Подставляем:
∣E∣=800⋅0.152.4⋅10−3.
Сначала:
800⋅2.4⋅10−3=1.92.
Поэтому
∣E∣=0.151.92=12.8 В.
Ответ
∣Eси∣=12.8 В
Знак ЭДС зависит от выбранного направления отсчёта. По правилу Ленца она направлена против увеличения тока.
Почему тогда в условии даны I1 и I2?
Можно решить и через индуктивность.
Изменение тока:
ΔI=I2−I1=14.5−2.5=12 А.
Связь:
L=ΔINΔΦ.
Подставляем:
L=12800⋅2.4⋅10−3=121.92=0.16 Гн.
Теперь:
∣Eси∣=LΔtΔI.
∣Eси∣=0.16⋅0.1512=12.8 В.
То же самое.
Итак:
L=0.16 Гн
Eси=12.8 В по модулю
13.295*
На участке AB последовательно соединены сопротивление и катушка.
Дано:
R=0.1 Ω
L=10−2 Гн=0.01 Гн
Ток изменяется по закону
I=2t.
Найти:
- UAB(t);
- UAB при t=1 с.
Шаг 1. Напряжение на резисторе
Для сопротивления:
UR=IR.
Так как
I=2t,
то
UR=(2t)⋅0.1.
Получаем:
UR=0.2t.
Шаг 2. Напряжение на катушке
Для катушки:
UL=LdtdI.
У нас
I=2t.
Следовательно:
dtdI=2 А/с.
Поэтому
UL=0.01⋅2=0.02 В.
То есть
UL=0.02 В.
Обрати внимание: оно здесь постоянное, потому что ток растёт с постоянной скоростью.
Шаг 3. Разность потенциалов между A и B
Ток на рисунке идёт от A к B, поэтому
UAB=φA−φB=UR+UL.
Следовательно:
UAB=0.2t+0.02.
Закон изменения напряжения
UAB(t)=0.2t+0.02 В
Шаг 4. При t=1 с
UAB(1)=0.2⋅1+0.02.
UAB(1)=0.22 В.
Ответ
UAB(t)=0.2t+0.02 В
UAB(1 с)=0.22 В
Главное, что нужно запомнить по этой теме
Для этих задач фактически достаточно четырёх формул:
Eси=−LdtdI
UL=LdtdI
E=−NΔtΔΦ
и для затухания тока:
I=I0e−Rt/L
Причём перед размыканием установившейся RL-цепи:
I0=RE.
Самый полезный способ думать о катушке: она не любит, когда ток меняется. При постоянном токе она почти никак себя не проявляет; как только ток начинает расти или падать, появляется ЭДС самоиндукции.