Физическая модель индуктивности

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Физическая модель индуктивности

Леонов Ю.В.

Аннотация

В статье описана физическая модель индуктивности, которая объясняет многие уникальные свойства индуктивности, такие как, отставание фазы тока от фазы напряжения, индуктивное сопротивление, высокие выбросы напряжения вначале и в конце полупериода на непостоянном токе, истинная самоиндукция обмотки и прямого проводника.

Ключевые слова: индуктивность, индуктивное сопротивление, самоиндукция, переменный ток.

Leonov Y.V.

Private research

Private financing

THE PHYSICAL MODEL OF INDUCTANCE

Abstract

The article describes the physical model of inductance, which can help understand many of the unique properties of inductance, like lagging of the current phase from the voltage phase, inductive resistance, high surge of voltage at the beginning and at the end of the half cycle with nonuniform current, true self induction of the winding and that of the direct conductor.

Key words: inductance, inductive resistance, self-induction, alternate current.

В прошлой статье «ПРИРОДА МАГНИТНОГО ПОЛЯ» в «Международном научно-исследовательском журнале» [Выпуск №9 (40) 2015 Часть 3 Октябрь (стр. 53) - Электронный Архив номеров: 5015 Октябрь 9-3(40)], мы рассматривали физическую модель магнитного поля. Попутно мы рассматривали закрытый параллельный и открытый колебательные контуры, где нам понадобилась физическая модель индуктивности. В связи с этим, тогда было обещано следующую статью отдельно, целиком и полностью, посвятить индуктивности. И вот, держа своё слово, я посвящаю данную статью целиком индуктивности. Явление индуктивность, как отдельная модель физической системы[1], играет, хоть и не первостепенную, но, всё же, немалую роль в формулировании общей физической модели магнитного поля. Вообще, явление индуктивности очень неординарно, и до сих пор, было совершенно непостижимо для понимания на элементарном физическом уровне. Так же не поддаётся пониманию ситуация в Электродинамике с белыми пятнами в формулировках её физической модели и с пробелами в раскрытии её физической сути, делающая её статус в Электродинамике ещё более нераскрытым и непонятным. До сих пор индуктивность не имеет внятного описания своей общей элементарной физической модели и своей образной абстрактной физической (не математической) модели, за исключением голых математических абстракций, которые, надо быть справедливым, кроме скучных математических закономерностей совершенно не раскрывают удивительной сути элементарных физических процессов, благодаря которым индуктивность обладает уникальным набором незаурядных физических свойств. Именно отсутствие ясной картины происходящего в индуктивности, и скудности (хотя, правильнее будет сказать - полного отсутствия) физических объяснений её уникальных физических свойств, чаще сопровождаемых ещё большим туманом неясности, чем приходом к пониманию её физической сути, приводит ещё к большему количеству вопросов, чем было получено ответов. Не раз, из-за этого, в научном сообществе возникали, и до сих пор не затихают, жаркие дискуссии вокруг индуктивности, и до сих пор некоторые (не все, надо сказать, а лишь те, кто на самом деле стремится к познаниям) искушённые Физики часто возвращаются к очередным исследованиям и переосмыслению данного физического явления. Вот и я, с Уважаемыми читателями, поддерживая данную тенденцию, тоже внесу свой вклад в общее дело Науки, и попробую исправить эту ситуацию с белыми пятнами в биографии индуктивности и с обделением вниманием этого удивительного физического процесса. Итак, давайте и мы попробуем разобраться в этом удивительном физическом явлении - индуктивности[2]. Перечислим основные признаки индуктивности:

1 - Отставание фазы тока от фазы напряжения при работе соленоида с непостоянным током;

2 - Наличие такого физического эффекта, как активное индуктивное сопротивление[3];

3 - Так называемая, самоиндукция, но только истинная самоиндукция, а не та о которой написано во всех факультативах;

4 - Высокие броски напряжения в начале и в конце полупериодов, в соленоиде, работающем на непостоянном токе, причём величина напряжения в пике таких скачков явно намного превышает величину напряжения источника питания, питающего этот соленоид;

Начнём по порядку. Многие не раз видели на двух лучевом осциллографе, как ведёт себя индуктивность в соленоиде, особенно в колебательном контуре, и как кривая тока отстаёт от кривой напряжения. До сих пор, это туманно объяснялось невнятным свойством, какой то самоиндукции (не той, о которой будет написано тут), которое, якобы, выражается в том, что оно препятствует наращиванию собственного магнитного потока и тока в соленоиде, и, мол, из-за этого в соленоиде и происходит задержка фазы тока от фазы напряжения… Характерное объяснение, типичное для ситуаций, в которых попытка математикой описать физическийпроцесс, сопровождаласьполным отсутствием понимания физической сути описываемого физического процесса, на элементарном уровне, и называются такие объяснения - «Всё в кучу» (то есть, когда отдельные физические модели, которые входят в общую физическую систему конкретного физического процесса [например такого, как индуктивность], не имеют логической и физической связи) или «Сама Очевидность» (то есть, когда и без высшей математики, очевидно, что и как). Магнитные и электрические процессы перемешались и потерялись, в этих своеобразных математическо-физических хаосе и неразберихе, где уже не понять - что, где и почему… Но, попробуем подойти к этому вопросу с других сторон и по другому, нежели это делали до нас другие физики. Для начала, рассмотрим сопротивление наращиванию магнитного потока и тока - иными словами сопротивление наращиванию магнитного поля. Данное свойство очень напоминает проявление одного физического процесса, подробно рассмотренного в прошлой статье «ПРИРОДА МАГНИТНОГО ПОЛЯ». Совершенно очевидно, что это элементарное проявление диамагнетизма. Именно его физическую модель я, подробнейшим образом, описал в прошлой статье. Давайте вспомним из прошлой статьи, как влияет магнитное поле на диамагнетик: 1 - Диамагнетик сопротивляется собственному намагничиванию; 2 - При сопротивлении собственному намагничиванию, диамагнетик локально поглощает внешниймагнитный поток источника магнитного поля, незначительно ослабляя общее магнитное поле самого источника магнитного поля; 2 - Диамагнетик-проводник, взамен сопротивляемости собственному намагничиванию (которое, надо заметить, всё равно происходит, но только очень незначительно), изумительно генерирует в себе упорядоченный поток зарядов - ток;

Теперь можно сделать первый вывод:

1 - Именно сопротивление, у проводника, собственному намагничиванию, решительно, ни как не может мешать наращиванию в нём тока, но наоборот, должно помогать наращиванию в нём тока, согласно свойствам диамагнетиков-проводников (среди которых, надо отметить, такие характерные диамагнетики-проводники, как Серебро [Ag], Медь [Cu], Золото [Au]);

Итак, объяснение отставания фазы тока от фазы напряжения, в соленоиде, сопротивляемостью проводника собственному намагничиванию более не состоятельно. Поскольку на этом вразумительные объяснения закончились, то дальше нам с Вами придётся разбираться самостоятельно. Вспомним, из статьи «ПРИРОДА МАГНИТНОГО ПОЛЯ», что же ещё интересного происходит, с атомами проводника, который наращивает магнитное поле - Наращивание магнитного потока проводником происходит при возрастании напряжённости внешнего электрического поля (например, под действием разности потенциала источника питания), что, в свою очередь, приводит к наращиванию неоднородности напряжённости внутренних электрических полей (в пространстве между электронными частями «e -» и позитронными частями «p +» атомов проводника - См. Статья «ПРИРОДА МАГНИТНОГО ПОЛЯ» Схема 3) атомов проводника, с образованием в атомах проводника областей «В» (ближайших, к «+» потенциалу) повышенной напряжённости и областей «А» (ближайших, к «-» потенциалу) пониженной напряжённости внутреннего электрического поля атомов проводника, что, уже в свою очередь, приводит к увеличению силы связи электрона-оболочки с ядром атома проводника в области «В» - то есть к элементарному увеличению электрического сопротивления. Если рассмотреть данный процесс с учётом взаимодействия соседних витков данного соленоида друг с другом, то мы увидим, что соседние витки данного соленоида будут обладать взаимно содействующими напряжённостями наружного электрического поля ( Проводника 1 и Проводника 2 - См. Статья «ПРИРОДА МАГНИТНОГО ПОЛЯ» Схема 6), что даёт некоторое увеличение электрического сопротивления - это есть ни что иное, как активноеиндуктивное сопротивление [4], которое является ни чем иным, как элементарным электрическим (омическим), или, как его ещё принято называть, активным сопротивлением. В чём уникальность активного индуктивного сопротивления? А уникальность его в том, что ввиду локальной повышенной напряжённости магнитного поля вокруг проводника соленоида, так же локально повышается и активное сопротивление проводника этого соленоида, в то время, как этот же проводник, но находящийся вне соленоида, распрямлённый, и вне области повышенной напряжённости магнитного поля, имеет активное сопротивление меньшее, чем проводник в соленоиде. Отсюда второй вывод:

2 - Взаимное усиление соседними витками соленоида магнитного поля друг в друге, ведёт к усилению в них активного (омического) электрического сопротивления;

Тем не менее, совершенно очевидно, что в индуктивности величина приращения активного индуктивного сопротивления ? не адекватно меньше величины приращения напряжённости магнитного потока ?, из чего наглядно наличие ещё какого-то физического процесса, ответственного за нелинейную зависимость ? и ? - данный факт, есть вновь поставленная физическая задача, для решения которой, мы, на данном этапе, не располагаем достаточным количеством данных. Откладываем данный вопрос на какое-то время, до получения большего количества данных. Итак, сформулирована физическая суть активного индуктивного сопротивления, но она, определённо, не может являться основной причиной отставания фазы тока от фазы напряжения. Также, обнаружен неизвестный физический процесс сдерживающий прирост ? при увеличении ?. Продолжим… Вопреки распространённому заблуждению, выражающемуся в том, что напряжённость электрического поля появляется одновременно во всей цепи, появление напряжённости электрического поля в проводнике, в реальности, носит, хоть и очень быстрый, но, всё-таки, поступательный, последовательный и нарастающий характер, а уже, относительно, одновременным во всей цепи, является перемещёние самих зарядов (после замыкания напряжённости электрического поля между полюсами источника питания [далее по тексту - ИП]). Распространение напряжённости электрического поля в цепи происходит от положительного потенциала (с избытком зарядов) и отрицательного потенциала (с недостатком зарядов)[5], навстречу друг другу, постепенно, с задержкой (околосветоваяскорость+время на раскомпенсацию - См. Статья «ПРИРОДА МАГНИТНОГО ПОЛЯ») - то есть, сначала появление напряжённости электрического поля происходит только непосредственно около положительного и отрицательного потенциалов ИП, потом чуть далее от них, навстречу друг другу, и так, постепенно, напряжённость электрического поля распространяется в проводнике от его концов к его середине, что мы и видим на осциллограмме на прямом проводнике как задержку фазы тока от фазы напряжения (и на прямом проводнике этот эффект проявляется тем более, чем длиннее проводник - это принято понимать как самоиндукцию, но правильнее было бы это называть электрической инерцией цепи и это есть следствие наличия собственной внутренней полевой ёмкости проводника - ёмкости, именно для поглощения атомами проводника напряжённости электрического поля [а не перемещаемых зарядов], подобно тому, как жидкость заполняет пустую трубу, и давление на другом конце этой трубы появляется не сразу, но разность давлений появляется мгновенно). Более глубоко этот эффект можно понять после усвоения материала прошлой статьи. Сейчас же, вкратце, напомню - напряжённость внутренних электрических полей атомов проводника раскомпенсируются, под действием напряжённости внешнего электрического поля (например, от ИП). Соответственно, напряжённость общего электрического поля (напряжённость внешнего электрического поля + напряжённость внутренних электрических полей внутри атомов) всей системы принимает скомпенсированный вид, и стремиться к 0[6] (как в открытом колебательном контуре). Однако, напряжённости внешнего электрического поля и внутренних электрических полей атомов проводника, находятся, тем не менее, в раскомпенсированном состоянии, если рассматривать их в отдельности друг от друга, но, при этом, в составе напряжённости общего электрического поля всей системы. Таким образом, время, затрачиваемое на процесс раскомпенсации напряжённостей внутренних электрических полей атомов проводника, является временем задержки фазы тока от фазы напряжения в прямом проводнике. То есть, электрическая инерция или полевая электрическая ёмкость проводника, объясняют нам отставание фазы тока от фазы напряжения, но только, и лишь только, в прямом проводнике, и, совершенно определённо, ни как не объясняют нам многократное усиление этого эффекта в проводнике, свёрнутом в соленоид, а итогом поиска физических процессов, приводящих к отставанию фазы тока от фазы напряжения в соленоиде, в целом, являются: - формулирование физической модели активного индуктивного сопротивления; - обнаружение неизвестного физического процесса ответственного за нелинейную зависимость ? и ?; - обнаружение физического процесса приводящего к отставанию фазы тока от фазы напряжения, но пока только в прямом проводнике, в виде полевой электрической ёмкости проводника, которая лишь частично объясняет отставание фазы тока от фазы напряжения в соленоиде, поскольку, оно зависит, практически, исключительно, только от длины проводника (или по-другому - от количества атомов на пути распространения напряжённости внешнего электрического поля), но не от геометрии и числа витков, которые образует этот проводник в соленоиде. Тем не менее, не будем останавливаться на достигнутом, и продолжим. Поскольку с вопросами отставания фазы тока от фазы напряжения и нелинейной зависимости ? и ? у нас возникли трудности, оставим, на время, данные вопросы в покое, и отвлечёмся от них, переключившись на другой. Обратим, внимание на то, что все обнаруженные и объяснённые нами физические процессы ни как не влияют на аномальное поведение напряжения в соленоиде. Пора вспомнить про четвёртое свойство индуктивности - Индуктивность, в соленоиде, работающем на непостоянном токе, генерирует высокие броски напряжения в начале и в конце полупериодов, причём величина напряжения в пике таких скачков явно намного превышает величину напряжения источника, питающего этот соленоид, и тем больше это видно, чем ближе форма сигнала, подаваемая на соленоид, к прямоугольной, то есть, чем круче у этого сигнала фронт (например, «Меандр») (См. Схему 1 «Осциллограмма прямоугольного сигнала в соленоиде»).

Эти броски обведены на Схеме 1 красными линиями, и они имеют, в высшей степени, важнейшее значение в формулировании физической модели индуктивности. Как видно из Схемы 1, амплитуда скачков напряжения превышает амплитуду напряжения питания на немыслимую величину. Но, давайте вспомним, что напряжение может повышаться не только за счёт повышения разности потенциала ввиду избытка зарядов на одном полюсе ИП и дефицита зарядов на другом полюсе ИП, но и за счёт повышения напряжённости электрического поля без реального наличия накопленных зарядов (См. Статья «ПРИРОДА МАГНИТНОГО ПОЛЯ», в т.ч. Колебательные контуры), и раз такое напряжение отслеживается осциллографом, то это может означать следующее:

а - В соленоиде реально растёт напряжённость электрического поля, которая реально превышает напряжённость электрического поля разности потенциала ИП;

б - Фиксация в соленоиде напряжённости электрического поля, превышающей напряжённость электрического поля разности потенциала ИП может быть вызвана образованием в этом соленоиде, точки напряжённости электрического поля «+» или «-» потенциала, при этом напряжённость электрического поля разности потенциала этой точки и одного из полюсов ИП, значительно превышает напряжённость электрического поля разности потенциала полюсов ИП;

в - Поскольку измерение, фиксирующее рост напряжения в соленоиде, производится, фактически, на «концах» этого соленоида, то очевидно, что точка повышенной напряжённости электрического поля, «+» или «-» потенциала, находятся у одного из «концов» этого соленоида;

Объединим, полученные в данной статье на данном этапе данные, с данными из двух прошлых статей, и начнём искать причины генерации у «концов» соленоида точки повышенной напряжённости электрического поля «+» или «-» потенциала. Здесь нам поможет явление магнитной индукции (то есть возникновение ЭДС в проводнике, находящимся в изменяющемся магнитном поле), но сначала, один интересный факт о массово допускаемом, среди многих учёных-физиков, упущении, упускающим из вида то, что соленоид может индуцировать ЭДС не только во внешнем, гальванически с ним не связанном, проводнике, но и в самом себе - в некоторых частях проводника соленоида, которые оказались в зоне изменения магнитного поля, происходящего в других частях проводника самого этого же соленоида. Если же теперь учесть этот физический процесс, то сразу становится очевидным, что одной из причин генерации у «концов» соленоида точки повышенной напряжённости электрического поля «+» или «-» потенциала - является сам же этот же соленоид. Как же такое возможно? Всё элементарно просто. Рассмотрим (по аналогии «Планковского» временного масштаба) фрагментарно, по точечно, процессы протекания основного переменного тока от ИП и нарастания магнитной составляющей проводника в Индуктивном Элементе[7] (далее по тексту - ИЭ) в конкретных точках одного отдельно взятого полного витка ИЭ (См. Схему 2«Переменный ток в соленоиде. Изменяющееся магнитное поле индуктивного элемента и направление напряжённостей электрического поля 3D-модель» и Схему 3«Переменный ток в соленоиде. Изменяющееся магнитное поле индуктивного элемента и направление напряжённостей электрического поля. Сечение»).

Рассмотрим один полный виток ИЭ - то есть виток, глядя на который вдоль оси намотки ИЭ, мы видим, что точка начала этого одного полного витка ИЭ совпадает с точкой его конца, и обозначим его как В-1. Теперь возьмём на этом витке В-1 воображаемую пару точек А и В, расположенных на витке В-1 диаметрально противоположно относительно Оси намотки витка В-1 ИЭ и относительно друг друга таким образом, что бы через Ось намотки витка В-1 ИЭ и эти две воображаемые точки Аи В можно было провести воображаемую прямую. Когда в любой точке А рассматриваемого витка В-1 начинает распространяться основная напряжённость электрического поля ИП, то эта ИП начинает в этой точке А мгновенно наращивать магнитную составляющую. Даже при ничтожно малых величинах ИП в рассматриваемой точке А, рассматриваемого витка В-1, мгновенно распространяющаяся нарастающая магнитная составляющая из этой рассматриваемой точки А, начинает своим изменением в диаметрально противоположной рассматриваемой точке Вэтого же витка В-1 наводить напряжённость электрического поля в этой рассматриваемой точке В, вектор которой касателен к кривой, образованной витком В-1, и вектор которой, пространственно направлен в туже сторону, куда направлен, касательный, к кривой образованной витком В-1, вектор ИП, но, в тоже время, наведённая напряжённость электрического поля направлена противоположно основной напряжённости электрического поля ИПотносительно оси самого проводника витка В-1. То есть касательные к кривой, образованной витком В-1, вектора ИП и , из рассматриваемых точек А и В, направлены в одну сторону, но если мы проследим направления основной напряжённости электрического поля и наведённой напряжённости электрического поля уже не по касательным, а вдоль проводника витка В-1, то мы, естественно, увидим, что вдоль проводника и противоположны друг другу. Рассматривая процесс противодействующей работы двух противоположных (в проводнике соленоида) напряжённостей электрического поля - и и процесс постепенного распространения напряжённости электрического поля от «+» и «-» ИП к соленоиду, в виде системы двух физических процессов, становится очевидным, что эта система, является не только основной причиной скачка напряжения в соленоиде, но, так же, является причиной генерации у «концов» соленоида не одной, а, как минимум, двух точек с напряжённостями электрического поля, разными, по знаку потенциала, (накопление напряжённостей электрического поля «+» потенциала в одной точке на одном конце соленоида, и «-» потенциала в другой точке на другом конце соленоида), при этом напряжённость электрического поля разности потенциала электрических полей этих двух точек, значительно превышает напряжённость электрического поля разности потенциала ИП. Точки же повышенной напряжённости электрического поля «+» и «-» потенциалов на «концах» соленоида, теперь, в силу причин их возникновения, правильнее будет называть - точками повышенныхпротиводействующих напряжённостей электрических полей соленоида. Проследив за этим процессом дальше, мы увидим, что, по мере заполнения всей длины проводника соленоидаосновной напряжённостью электрического поля ИП, точки повышенных противодействующих напряжённостей электрических полей соленоида постепенно начинают преобразовываться в общее поле напряжённости электрического поля этого соленоида, которое распространяясь по всему этому соленоиду, сопровождается постепенным снижением разности потенциала точек повышенных противодействующих напряжённостей электрических полейсоленоида, а завершение этого преобразования мы видимна осциллограмме, как конец выброса напряжения, обведённого красной линией на Схеме 1, начало же выброса напряжения, обведённого красной линией на Схеме 1, следовательно, соответствует появлению на «концах» данного соленоида и началу процесса противодействия двух встречных напряжённостей электрического поля - и . Далее может возникнуть непонимание - Откуда же тогда берётся магнитное поле у соленоида, если, в результате противодействия двух противоположных напряжённостей электрического поля - и , согласно Схеме 5 Статьи «ПРИРОДА МАГНИТНОГО ПОЛЯ», магнитное поле должно скомпенсироваться и, практически, исчезнуть для наблюдателя? Данное рассуждение ошибочно, так как оно ограничено узким рассмотрением лишь одного отдельного физического процесса, входящего в общую систему многих физических процессов, из которых, уже в свою очередь, формулируется общая физическая модель индуктивности на непостоянном токе. Здесь нужно вспомнить из прошлой статьи «ПРИРОДА МАГНИТНОГО ПОЛЯ», что магнитное поле соленоида может почти полностью скомпенсироваться и, практически, исчезнуть для наблюдателя, только в случае, если источник ИП не сможет поддерживать, относительно постоянные, разность потенциала и основную напряжённость электрического поля (См. Статью «ПРИРОДА МАГНИТНОГО ПОЛЯ» - колебательные контуры). Если же ИП в состоянии поддерживать, относительно постоянные, разность потенциала и основную напряжённость электрического поля , то, ввиду того, что каждый виток в соленоиде плотно примыкает к другим соседним параллельным виткам этого же соленоида (в которых сонаправленно распространяется основная напряжённость электрического поля ИП), а так же, ввиду, того, что между соседними витками соленоида расстояние гораздо меньше, чем расстояние между точками А и В (См. Схему 2 и Схему 3), усиление общего магнитного поля соседних параллельных витков соленоида, будет всегда много большим, чем ослабление общего магнитного поля этого соленоида противодействием двух противоположных напряжённостей электрического поля - и . То есть, в условии, относительно, постоянных разности потенциала ИП и напряжённости электрического поля , не может полностью компенсировать ИП, так как плотность магнитной составляющей основной напряжённости электрического поля ИП в рассматриваемой точке А, всегда будет больше плотности этой же магнитной составляющей, той же основной напряжённости электрического поля ИП, но уже в рассматриваемой точке В. Отсюда очевидно - так как наводится изменением магнитной составляющей ИП именно в рассматриваемой точке В (где магнитная составляющая ИП имеет меньшую плотность, чем эта же магнитная составляющая этой же ИП, но уже в рассматриваемой точке А), то, в условии, относительно, постоянных разности потенциала ИП и напряжённости электрического поля , и сама будет всегда меньше, чем наводящая его ИП (исключения составляют такие системы, как, например, колебательные контуры, где, ввиду ограниченной ёмкости источников разности потенциала, просто физически невозможна поддержка, относительно, постоянных разности потенциала ИП и напряжённости электрического поля ).

На Схеме 4«Форма напряжённости электрического поля соленоида в пространстве, в соответствующих точках осциллограммы переменного прямоугольного сигнала, проходящего через этот соленоид» примерно показано, в какой точке времени прохождения через соленоид переменного прямоугольного сигнала (в виде осциллограммы), какую форму принимает в пространстве напряжённость электрического поля этого соленоида. В т.2 показана «накачка» соленоида «постоянным неисчерпаемым»[8] электрическим полем, которое, большую часть времени работы соленоида, сохраняется в скомпенсированном (не поддающимся измерению) состоянии, даже при переходе через нулевую отметку на осциллограмме, например, в т.9 на Схеме 4. индуктивность соленоид ток

Итак, мы разобрались с вопросом высоких бросков напряжения, в начале и в конце полупериодов, в соленоиде, работающем на непостоянном токе, в своём пике, намного превышающих по напряжению, величину напряжения ИП. Поскольку, других вопросов по индуктивности у нас не осталось, возвращаемся к вопросам, которые пока оставались у нас без окончательного ответа: а - Нелинейность зависимости ? и ?; б - Отставание фазы тока от фазы напряжения. Некоторые внимательные читатели уже поняли, что при рассмотрении вопроса о высоких бросках напряжения, мы, собственно, сразу ответили и на вопросы об отставании фазы тока от фазы напряжения и нелинейности зависимости ? и ?. Для остальных я разъясню уже в обобщённом виде - процесс, с противодействующими напряжённостями электрических полей в соленоиде (описанный последним в этой статье и показанный на Схеме 2 и Схеме 3), в совокупности с процессом постепенного распространения напряжённости электрического поля от «+» и «-» ИП к соленоиду, и с полевой электрической ёмкостью, образуют систему физических процессов, которая приводит к нелинейности зависимости ? и ?, а так же, вызывает сильноеотставание фазы тока от фазы напряжения (причём, гораздо более сильное отставание фазы тока от фазы напряжения именно в проводнике, свёрнутом в соленоид, чем в таком же проводнике, такой же длины, но распрямлённом) в соленоиде. Эта система физических процессов имеет в соленоиде два явных проявления - высокий скачок напряжения, который по амплитуде намного превышает напряжение ИП, и сильное отставание фазы тока от фазы напряжения. Каким же образом? Элементарно - в индуктивности взаимодействуют четыре разных физических процесса:

Проц. 1. ИП распространяется одновременно от полюсов ИП к соленоиду с разных сторон - со стороны «+» ИП, соленоида достигает положительная , а со стороны «-» ИП, соленоидадостигает отрицательная ;

Проц. 2. Ближние к «концам» соленоида параллельные проводники соседних витков создают большую напряжённость магнитного поля, что вызывает некоторое усиление активного индуктивного сопротивления (описание физической сути см. выше по тексту), но главное то, что при этом усиливается Проц. 3;

Проц. 3. Одновременно с некоторым усилением активного индуктивного сопротивления, в витках у «концов» соленоида происходит противодействие напряжённостей электрических полей - и (См. Схему 2 и Схему 3), которое приводит к приобретению, основной частью атомов проводника в глубине соленоида (то есть, расположенных дальше от «концов» соленоида), смещения[9] электронных частей относительно протонных частей своих атомов «навстречу»[10] вектору ЭДС ИП;

Проц. 4. В результате общего действия системы процессов 1, 2, 3, значение полевой ёмкости проводника (Ёмкости именно для поглощения атомами проводника напряжённости электрического поля. Не путать с конденсаторной ёмкостью для поглощения зарядов.), очевидно, возрастает, так как при дальнейшем распространении ИП вглубь соленоида, для создания условий протекания тока через данный соленоид, ИП производит двойную работу: а - по компенсации (См. Статью «ПРИРОДА МАГНИТНОГО ПОЛЯ») и частичному возвращению электронных частей, относительно протонных частей, атомов проводника соленоида(расположенных вдали от «концов» соленоида) в исходное состояние, предшествующее процессу 3 (См. Проц. 3); б - по приобретению сонаправленного, вектору ЭДС ИП, направления смещения электронных частей, относительно протонных частей, атомов проводника соленоида(расположенных вдали от «концов» соленоида);

Результатом особого взаимодействия уникальных физических процессов 1, 2, 3 и 4, образующих сложнейшую физическую систему, является работа по замедлению способности напряжённости электрического поля ИП отделять электроны-оболочки от атомов и переносить их от атома к атому. Сделаем очередные выводы:

3 - Причинами скачка напряжения в соленоиде, и возникновения на «концах» соленоида точек повышенной напряжённости электрического поля «+» и «-» потенциала, являются постепенное распространение напряжённости электрического поля от полюсов ИП к этому соленоиду и противодействующая работа двух противоположных (антипараллельных), в проводнике этого соленоида, напряжённостей электрического поля - и ;

4 - Основными причинами отставания фазы тока от фазы напряжения в соленоиде являются увеличенная, полевая электрическая ёмкость, как следствие постепенного распространения напряжённости электрического поля от полюсов ИП к этому соленоиду и противодействия (антипараллельных) напряжённостей электрических полей - и в этом соленоиде;

Ещё раз напоминаю, что процесс противодействия напряжённостей электрических полей - и (См. Схему 2 и Схему 3) способствует накоплению соленоидом своей общей внутренней напряжённости электрического поля в скомпенсированном состоянии (то есть, в состоянии, когда силы есть, но они ни чем себя не проявляют, так как не досягаемы для наблюдений и измерений, но способные, при этом, совершать работу). Данное свойство, в совместной работе с магнитной индукцией, проявляется, например, в процессе перемагничивания (гистерезиса) сердечника соленоида с саморазгоном (так называемый, «обратный ход») - всё это, вместе взятое, является основой, обеспечивающей существование резонансного процесса в колебательных контурах. Так же важно знать, что при переходе на «обратный ход», работа соленоида, соответственно, перестраивается - генерация встречных противодействующих напряжённостей электрических полей соленоида осуществляется уже не взаимодействием диаметрально противоположных точек А и В витков соленоида (как показано на Схеме 2 и Схеме 3), но взаимодействием между соседними витками соленоида (очевидно, ввиду сворачивания магнитного поля соленоида), а взаимодействием же диаметрально противоположных точек А и Ввитков соленоида (как показано на Схеме 2 и Схеме 3), начинает осуществляться генерация содействующих напряжённостей электрических полей соленоида (соответственно, ввиду, всё того же, сворачивания магнитного поля соленоида).

Использование различных электротехнических решений в виде сердечников, магнитопроводов и т.п., снижает разницу между основной напряжённостью электрического поля ИП и противоположной ей наведённой напряжённостью электрического поля до очень малых величин, что, разумеется, выражается в увеличении общей индуктивности, и что, конечно же, сразу же отражается на осциллограммах ещё большей амплитудой скачка напряжения в соленоиде, повышением активного индуктивного сопротивления, ну и, разумеется, ещё большим сдвигом фазы тока от фазы напряжения. Иными словами, использование магнитопровода в соленоиде неминуемо усиливает все, перечисленные в статье, характерные свойства индуктивности, но с одной оговоркой - магнитопровод, сердечник и т.п., обязательно должен проходить через внутреннее пространство соленоида. Именно та часть сердечника, которая находится внутри соленоида[11], в значительной степени, отвечает за усиление процесса противодействия напряжённостей электрических полей - и (См. Схему 2 и Схему 3), а значит и такого основного свойства индуктивности, как отставание фазы тока от фазы напряжения с накоплением этим соленоидом внутренней напряжённости электрического поля, без которых соленоид теряет своё основное свойство задерживать фазу тока от фазы напряжения, что сразу же превращает его в обыкновенное активное сопротивление и делает непригодным его для использования в колебательных контурах, и открытых, и закрытых. Убедиться в этом можно, проведя простейшую экспресс-проверку таким нехитрым набором, который показан на Схеме 5 «Набор электротехнических компонентов для проверки влияния магнитопроводности внутренней части соленоида на его индуктивные свойства».

В наборе из Схемы 5 использовались: 1 - две одинаковые обмотки Обмотка 1 и Обмотка 1' из ПЭТВ 0.5[mm], с одинаковым количеством витков, одинаковым расстоянием между витками, одинаковым диаметром витков (то есть, с одинаковыми индуктивными характеристиками); 2 - Ферритовый кольцевой сердечник для поочерёдного одевания его снаружи на Обмотку 1 и Обмотку 1' (фольга не имеет отношение к статье - сердечник после этого эксперимента был подготовлен к другим исследованиям, и участвовал в экспресс-проверке без фольги); 3 - Ферритовый сборный чашечный сердечник (наиболее подходящий по диаметру под размер внутреннего отверстия наружного ферритового кольцевого сердечника+толщина Обмотки 1' вместе с каркасом) для помещения его вовнутрь Обмотки 1'; 4 - Сердечник из диамагнетика «Висмута» [Bi] с Обмоткой 1 снаружи;

Порядок проверки: 1. Берутся Обмотка 1 и Обмотка 1' только с внутренними сердечниками, (соответственно, из диамагнетика и ферромагнетика) и производится замер их индуктивности; 2. На Обмотку 1 и Обмотку 1', поочерёдно одевается наружный ферритовый кольцевой сердечник, и поочерёдно замеряется индуктивность обмоток; 3. Из Обмотки 1'извлекается ферритовый внутренний сердечник, и оставляется только наружный ферритовый кольцевой сердечник - специальным прибором производится замер индуктивности Обмотки 1';

Как показала такая нехитрая эксперсс-проверка, на основную индуктивную характеристику обмоток, больше всего повлияло изменение магнитопроводности внутренней части обмотки, нежели, чем изменение наружной магнитопроводности (можно, так же, ещё и снять осциллограммы, но это уже будет другая история - не простая экспресс-проверка, а более сложная работа с генераторами). То есть, если внутри соленоида использовать для сердечника, вместо магнитопроводящего материала, диамагнетик, а снаружи соленоида, использовать для сердечника магнитопроводящий материал, то можно увидеть, что общее активное сопротивление данного ИЭ, будет по-прежнему высоким, но отставание фазы тока от фазы напряжения сильно снизится.

Нужна помощь в продолжении исследований: email <leonovmgn74@gmail.com>; Skype «mgn74 74mgn»

[1] Под «Физической системой» здесь понимается система отдельных физических процессов, которые взаимодействуя между собой, образуют одну отдельную физической систему, которую, далее, уже можно рассматривать как отдельный физический процесс, и способную, в свою очередь, уже самостоятельно, как отдельный физический процесс, входить в состав других физических систем.

[2] Далее в статье употребляются термины: а - «индуктивность», в контексте физической системы-процесса; б - «соленоид», в контексте электротехнического элемента обладающего «индуктивностью».

[3] Данный термин здесь имеет прямой смысл, как омическое активное сопротивление, а не как реактивное.

[4] Для обозначения индуктивного активного сопротивления соленоида, введено новое обозначение .

[5] Часто люди недоумевают, почему заряды идут от «+» к «-»? Ведь на «плюсе» отрицательный «электронный» потенциал! Там ведь электронов больше, чем позитронов! - говорят они. Поясняю: «+» потенциал назван не по характеру заряда потенциала, а по количественной характеристике потенциала (сколько в данном потенциале перемещаемых зарядов) - то есть, где электронов больше, там и «+», а где меньше, там и «-».

[6] Это частное проявление электрического равновесия системы, без перехода зарядов с атома на атом. Есть, например, и другое состояние электрического равновесия системы, электростатическое, когда заряды, переходя с атома на атом, перераспределяются в проводнике, или на поверхности диэлектрика конденсатора.

[7] - Под Индуктивным Элементом понимаются такие компоненты электротехники и электрических машин, как катушки, обмотки, дроссели, трансформаторы и другие многовитковые элементы, в основе работы которых, лежат магнитное поле и магнитная индукция.

[8] Которое сохраняется, например, при непрерывности переменного сигнала, проходящего через этот соленоид, и при отсутствии, в этом сигнале, продолжительных пауз с нулевым потенциалом.

[9] См. Статью «ПРИРОДА МАГНИТНОГО ПОЛЯ» Схема 2, где: соответствует данной статьи, а , следовательно, аналогично, данной статьи, и противоположно и .

[10] То есть, смещение имеет противоположное направление, по отношению к направлению, которое приобретают атомы в прямом проводнике на участках той же цепи, в которую включен данный соленоид.

[11] А так же, межвитковая взаимоиндукция в магнитном зазоре между соседними витками соленоида.

Литература

Ландау Л.Д., Лифшиц М.Е. ЭЛЕКТРОДИНАМИКА СПЛОШНЫХ СРЕД (Серия:«Теоретическая физика», том VIII). М., 1982.

Трофимова Т.И. Курс физики: учеб.пособие для вузов. - М., 2006. - 560 с.

Размещено на Allbest.ru