Физический смысл тока и напряжения, часть 2

05.11.2019 г.

«Посвящается всем истинным любителям естествознания».

Часть 2 (катушка индуктивности)

1. Вступление.

Друзья, пройдёт ещё много времени, прежде чем люди полностью освоят электричество. Восхождение по лестнице вверх бесконечно, как и само познание. Процесс включения Непознанного в Познанное будет длиться вечно. Но пока человек будет оставаться в форме человеческого существа, всегда будет оставаться то, что можно назвать только как Непознаваемое.

Тех людей, которые считают, что человек – царь природы, это высказывание сильно возмущает. Поэтому специально для них я даю пояснение: чтобы познать абсолютно всё, то есть полностью включить Непознаваемое в область Познанного, необходимо побывать сознательно во всех формах сущего (а не только в одной форме человеческого существа) и полностью реализовать в каждой из них свой потенциал! Но никто не знает, вообще возможно и нужно ли полное включение – или это прерогатива только самого Творца?

Во 2-й части работы «Физический смысл тока и напряжения» речь пойдёт о физическом смысле запаздывания тока в катушке индуктивности, включённой в цепь переменного тока, а также о физическом смысле ЭДС самоиндукции.

Друзья, перед просмотром ролика настраивайтесь на совместную работу, вместо того, чтобы удобно устроиться в кресле и ожидать, когда автор, наконец, «разжуёт тему и положит в рот». Надо осознать, что результат опыта для всех нас один и тот же, но выводы по нему придётся делать каждому самостоятельно. Так должно быть, по-человечески. Нельзя навязывать всем одну и ту же жвачку. Результат подобного многолетнего навязывания у нас всех перед глазами.

В комментариях к предыдущему ролику некоторые умники потешаются надо мной, что я, мол, применяю вибратор хрущёвских времён, вместо того, чтобы спроектировать и собрать электронную схему на современных электронных компонентах. Нет, ребята, проектировать и собирать крутые электронные схемы будете Вы, а не я.

Я смеюсь над такими деятелями, которые кто по злобе, кто по зависти, а кто просто по своему невежеству пытаются нагадить там, где появляется хоть что-то настоящее. Неужели у них элементарно не хватает ума понять, что во времена Тесла реально не было никаких полупроводников и прочих плодов технической революции. Но, несмотря на это, Н. Тесла сумел шагнуть в понимании работы катушек, конденсаторов и влияния на них окружающей среды так далеко, что современная наука ещё только подбирается к его уровню.

Те, кто читал работы Н. Тесла, знают, что его жизнь была сплошным экспериментом, так как им двигала огромная жажда познания. Только в результате проведения многочисленных физических опытов он «наощупь» смог накопить первичную опытную информацию, из которой потом уже начал складывать свою мозаику понимания физических процессов. Те, кто мечтают познать тайны Мироздания, должны подходить к этому трезво, понимая, что другого, виртуального пути в познании Мироздания не существует, кроме как опытного пути, и его, в той или иной степени, должен будет пройти каждый исследователь. Опытные педагоги понимали это, создавая кабинеты по естествознанию, в которых ученики должны сами непосредственно наблюдать физические и химические опыты, «пощупать своими руками физические эффекты и явления», и в заключение для закрепления на практике полученных знаний выполнять лабораторные работы. Если было бы это не нужно, то педагоги обошлись бы простыми рисунками и пояснениями, что и предпочитают современные диванные физики.

Сейчас все, кому не лень, приобретают различные достижения современной техники, вместо того, чтобы на опыте познакомиться с элементарными свойствами катушек индуктивности и конденсаторов. Одних книг недостаточно! Для этого исследователю достаточно будет лишь источника питания, простого устройства, у которого есть замыкающиеся контакты, и есть возможность регулировать момент их замыкания и размыкания в некоторых пределах и тетрадки. Кроме этого, понадобится прилежание, терпение и внимание.

Подобная ситуация наблюдается и в современной медицине, в которой медики окружили себя самым современным цифровым оборудованием, но до сих пор так и не понимают, из каких систем складывается целостная система – человеческое тело, что является нормой его функционирования, какие принципы и пропорции лежат в основе взаимосвязи, взаимозависимости и взаимодействия элементов целостной системы.

Светила медицины совершенно ничего не понимают в человеческом теле, как целостной саморегулирующейся системе. Разрезать и зашить – это всегда, пожалуйста, а вот сделать профилактику или что ещё хуже – правильно поставить диагноз, то это уже не к нам.

Причина такого положения дел заключается в том, что главный упор в воспитании и образовании человека делается на левое полушарие, анализ (дробление, деление на части), что делает человека бездушным биороботом. Любые системы с перекосом их функций (в левую сторону) не имеют возможности саморегулирования и обречены на саморазрушение.

Поймите, что этика – это не скучная мораль, а техника безопасности человека, при его взаимодействии с социумом и Природой. Она нужна, чтобы выжить, а не быть случайно уничтоженным.

В этой работе мы увидим, что ток в цепи лампочки накаливания возникает сразу, как только щёлкнет выключатель, а вот в катушке индуктивности ток появляется с опозданием. А в случае, если величина индуктивности у катушки будет огромной, то ток в ней может появиться даже спустя несколько минут. А почему так?

Не зная основных свойств конденсаторов и катушек индуктивности или не понимая их, приходится строить схемы наугад, не увязывая между собой причину и следствие и продвигаться вперёд методом научного тыка, что обычно все и вынуждены делать.

2. Немного теории

В первой части этой работы я демонстрировал опыт, в котором конденсатор включался в цепь переменного тока, но не постоянно, а только в тот момент, когда напряжение в цепи было равно нулю.

Ниже я предлагаю опыт, в котором, по аналогии с опытом с конденсатором, катушка индуктивности будет подключаться к сети переменного тока в тот самый момент, когда напряжение в сети достигает максимума.

Известно, что ток в цепи конденсатора опережает напряжение по фазе на 90°. У катушки индуктивности всё обстоит иначе – напряжение опережает ток по фазе на 90°. Почему-то этот факт ни у кого не вызывает удивления и вопроса: «А по какой причине оно опережает?». Все считают, что так и должно быть, по умолчанию.

Но нет, ничего подобного – отставание и опережение являются переменными величинами и могут различаться по фазе от нескольких градусов до четверти периода.

Ниже представлены графики тока и напряжения в цепи с катушкой индуктивности, взятые из интернета: «Переменный ток в картинках» http://electricalschool.info/diafilmy/1619-peremennyjj-tok-v-kartinkakh.html

Ниже представлена ещё одна иллюстрация из учебника М. И Кузнецова «Основы электротехники».

Здесь автор хорошо показал, что в тот момент, когда ток i в катушке индуктивности равен нулю, амплитуда напряжения uL и ЭДС самоиндукции eL находятся в противофазе и имеют максимальное значение. Тот факт, что uL и eL  равны по абсолютной величине, но имеют разные знаки и объясняет, почему в момент замыкания цепи ток в катушке индуктивности равен нулю.

Действительно, если напряжение источника питания равно плюс 100 вольт, то и ЭДС самоиндукции  индуктивности также равна 100 вольтам, только с отрицательным знаком.  В сумме +100 вольт  и –100 вольт дадут 0 вольт, поэтому в первый момент замыкания цепи напряжение источника питания скомпенсировано на концах катушки индуктивности действием  ЭДС самоиндукции, поэтому движение электрических зарядов будет отсутствовать (i =0).

Дальше всё идёт действительно так, как написано в учебнике, но возникает вопрос, а почему всё-таки напряжение и ток в цепи не совпадают по фазе?

Нам объясняют, что во всём виновато магнитное поле. Это обмотка катушки индуктивности трансформирует энергию электрического тока в магнитное поле, а затем, когда ток в катушке начинает убывать, магнитное поле начинает обратно отдавать накопленную энергию в катушку, но уже в электрической форме. Понятно, что ничего не понятно!

Магнитное поле ведь не является самостоятельной сущностью! Оно представляет собой только эффекты, производимые в окружающей среде при движении в ней электрических зарядов.

Если говорить обобщённо, то физическая суть ЭДС самоиндукции состоит в том, что внешняя среда (чем бы она ни являлась), в которой находится катушка индуктивности, при деформации обладает упругостью и способна накапливать энергию, подобно сжатой пружине.

Магнитной проницаемостью μ обладают практически все вещества, и даже сам физический вакуум μ0 ≈ 1,2566370614·10−6 Н/А2 (эфир), следовательно, все они способны деформироваться и, хотя бы и в разной степени, но накапливать при этом энергию.

3. Подготовка к опыту

Для проведения опыта возьмём сетевой понижающий трансформатор ТС-100-4 и присоединим к нему сетевой шнур.

Но, прежде чем начинать опыт, необходимо настроить осциллограф.

Смотрим видеофрагмент №1:

Подключим 1-й канал осциллографа к обмотке трансформатора напряжением 14,6 вольта. 

В результате мы должны увидеть синусоиду. Развернём её и разместим её положительную полуволну ровно по центру экрана осциллографа, как это показано ниже.

Дальше для расширения возможностей регулировок вибратора (они у него узкие) нам понадобится сдвинуть ток относительно напряжения в цепи катушки электромагнита вибратора. Для этой цели соберём схему, приведённую ниже. Фазовый сдвиг тока обеспечит конденсатор ёмкостью 10 мкФ. Если мы подключим щуп 2-го канала осциллографа, как это показано на схеме, то увидим, что ток в цепи катушки вибратора действительно будет опережать напряжение почти на 90°. Поскольку электромагнит приводится в действие не напряжением, а электрическим током, следовательно, контакты вибратора также будут замыкаться  на 90° раньше, прежде чем амплитуда напряжения достигнет своего максимального значения.

Общий вид собранного вибратора с остальными элементами показан ниже.

Подключим к другой обмотке понижающего трансформатора напряжением 6,3 вольта катушку индуктивности и шунт, для наблюдения за током в цепи индуктивности. 

Всё, теперь схема питания электромагнита вибратора завершена, переходим к подготовке  самого опыта.

Главным условием выбора величины индуктивности ХL у катушки было равенство её реактивного сопротивления с реактивным сопротивлением конденсатора.

У меня нашлась в наличии катушка, индуктивность которой, как показал тест, равна 20,5 Гн, следовательно её реактивное сопротивление равно ХR = 6,4 кОм,

что очень близко по значению с реактивным сопротивлением конденсатора

равного  Хс = 6,3 кОм, показанного в опыте первой части этой работы.

Соберём окончательную схему устройства, подсоединив обмотку трансформатора, шунт и катушку индуктивности к контактам вибратора и осциллограф, как показано на схеме ниже.

Теперь мы видим две синусоиды – напряжения и тока, отстающего по фазе на 90° (четверть периода). Растянем их по горизонтали.

Не будем забывать, что второй канал осциллографа подключён к шунту и его луч показывает падение напряжения на шунте.

Если на осциллографе мы видим горизонтальную линию, как показано на фото слева, то это означает, что ток в шунте равен нулю.

Смотрим видеофрагмент №2:

    

4. Проведение опыта

В данном опыте из трёх контактов вибратора будут использоваться только два, так как катушку индуктивности не надо, подобно конденсатору, принудительно разряжать. Обратная ЭДС в виде высоковольтных импульсов в мгновение ока сама разряжается при размыкании контактов вибратора, сбрасывая накопленную в катушке энергию деформированной среды, окружающей катушку при прохождении электрического тока по обмотке катушки.

После включения устройства в сеть, на экране появится осциллограмма, показанная на фото ниже.

Выше видны переходные процессы при размыкании контактов вибратора. Чтобы сбить эти высоковольтные импульсы, параллельно катушке индуктивности подключим резистор сопротивлением около 80 кОм.

Если осциллограмму развернуть по горизонтали (для удобства восприятия)  и разместить переход синусоиды напряжения через нуль точно по центру экрана, то получится вот такая картинка:

На рисунке ниже видно, что в момент замыкания контактов, показанный жёлтой вертикальной штриховой линией на осциллограмме, приходится ровно на ¾ часть всего периода и отстаёт на ¼ периода (то есть на 90°) от точки перехода синусоиды напряжения через нуль. На осциллограмме хорошо видно, несмотря на то, что энергия в катушке индуктивности равна нулю (прямая горизонтальная линия) и контакты вибратора замкнулись в тот момент, когда амплитуда напряжения на концах катушки индуктивности достигла максимального значения (жёлтая точка), ток в ней имеет значения нуля.

Кроме того, и это самое главное, как бы мы ни подключали щупы осциллографа, увидеть непосредственно саму ЭДС самоиндукции на осциллограмме у любой катушки индуктивности нам не удастся из-за того, что цепь остаётся замкнутой. О ней мы можем судить лишь косвенно, по темпу изменения тока в цепи катушки индуктивности. ЭДС можно измерить, при условии, если цепь катушки индуктивности будет разомкнута.

Забегая вперёд, я должен сказать, что я понял, как можно зарегистрировать непосредственно саму ЭДС самоиндукции катушки индуктивности. Об этом речь пойдёт в третьей части этой работы.

Смотрим видеофрагмент №3:

5. Выводы

Ну, вот и подошла к концу 2-я часть этой работы. Как видите, я постарался сделать эту работу предельно открытой и ясной. Думаю, что при желании и прилежании любой человек сможет на собственном опыте её повторить и проверить, верно или нет изложен здесь материал.

Физический смысл явления самоиндукции в данном опыте заключается не в том, что в катушке индуктивности возникает магнитное поле, в форме которого накапливается энергия. Посмотрите на моём канале ролик под названием «Обратная ЭДС» https://www.youtube.com/watch?v=Y0zI27-thBE, в котором об этом рассказано более подробно.

Повторюсь, объяснить появление ЭДС самоиндукции на концах катушки можно только в одном случае, если мы признаем существование двух факторов:

1) существование у электрических зарядов продольной оси, которая под действием скалярного магнитного поля меняет свою ориентацию;

2) существование скалярного магнитного поля, которое способно менять ориентацию продольных осей электрических зарядов в пространстве.

В тот самый момент, когда замыкается электрическая цепь (в том числе и катушки индуктивности), электрические заряды ещё остаются на месте, а их продольные оси поворачиваются по направлению приложенного скалярного магнитного поля, что аналогично развороту доменов и атомов вещества по направлению силовых линий приложенного векторного магнитного поля.

В заключение приведу графики для конденсатора и катушки индуктивности в цепи переменного тока из учебника М. И Кузнецова «Основы электротехники».

Из этих графиков я вырежу для сравнения те фрагменты, которые получены в опыте на осциллограммах:

Ниже показаны именно  те осциллограммы, которые имеют отношение к опытам с конденсатором и индуктивностью соответственно. Смотрите сами:

Кривые, выделенные жёлтым цветом, имеют отношение к реакции внешней среды на проявления электричества в конденсаторе и катушке индуктивности. Из них в учебнике приведена только одна кривая для катушки индуктивности,  она называется ЭДС самоиндукции и представляет реакцию внешней среды на появление тока в обмотке катушки. В конденсаторе диэлектрик проявляет точно такую же реакцию на возникновение напряжения на обкладках конденсатора, что проявляется в возникновении в нём х-тока, который полностью нейтрализует в момент замыкания цепи ток в цепи конденсатора. Именно по этой причине напряжение на обкладках конденсатора в этот момент равно нулю, что никак не укладывается в головах исследователей.

Самое главное, что нам дадут поиски физического смысла явлений в наших исследованиях, так это понимание взаимосвязи, взаимозависимости и взаимодействия всего сущего, локальных процессов в окружающей среде. Основным выводом из этого является то, что любые наши действия мгновенно отражаются на внешней среде и наоборот! Только наше невежество заставляет нас не обращать на это внимание. Но рано или поздно жизнь заставить нас это сделать, когда на карту будет поставлено само выживание человека.

На этом 2-я часть работы окончена. Тема ЭДС самоиндукции в катушках индуктивности и существование третьих кривых на графиках будет продолжена в 3-й, заключительной части.

Но, боюсь, что в одну третью часть я не уложусь, и будет ещё и 4-я часть.

Часть 1, Приложение 1, дополнение 1 к приложению 1 к части 2, Продолжение следует...

Источник

Контакты

Отправить сообщение: