Просто о сложном: что такое индуктивность и ЭДС самоиндукции?

[blagin_anton]

Я давно заметил, что многие понятия в современной физике даются как бы эзоповым языком, то есть, они описываются не в ясной форме, а чуть ли не иносказательно, иногда через второстепенные детали - так называемые следствия в причинно-следственной логике. Ярким примером может служить ставшее уже традиционным объяснение природы индуктивности и возникновения ЭДС самоиндукции.

Вот один из традиционных рассказов про ЭДС самоиндукции:

«...При протекании переменного тока через проводник магнитные силовые линии, появляющиеся при этом, будут пересекать этот проводник и, по закону электромагнитной индукции, в нём появится ЭДС самоиндукции. Это явление первым изучил русский физик Э.Х. Ленц и сформулировал правило, которое гласит: индукционный ток направлен так, чтобы своим магнитным полем противодействовать изменению магнитного потока, которым он вызван.



На этом рисунке наглядно видно, как при увеличении тока через проводник силовые магнитные линии расходятся от проводника концентрическими окружностями (область вихревого магнитного поля в пространстве вокруг проводника в это время расширяется), а направление ЭДС самоиндукции противоположно току в проводе. При этом оно тормозит рост тока в проводе до тех пор, пока вихревое магнитное поле вокруг провода не достигнет своей максимальной силы.



При уменьшении протекающего по проводнику тока силовые линии вихревого магнитного поля начинают сходиться к оси проводника (магнитное поле из внешнего пространства начинает возвращаться в проводник), при этом направление ЭДС самоиндукции совпадает с направлением тока. В этом случае ЭДС самоиндукции помогает уменьшающему току сохранять свою интенсивность...»

Формально, здесь написано всё правильно, однако, физика процессов не раскрыта никак! Нет объяснения, почему же всё так происходит!

Я открываю сейчас «Википедию», которая является мировой энциклопедией и непрерывно обновляется и корректируется по мере появления новых данных:

«Самоиндукция - это явление возникновения ЭДС индукции в проводящем контуре (в цепи) при изменении протекающего через контур тока.

При изменении тока в контуре прямо пропорционально меняется и магнитный поток через поверхность, ограниченную этим контуром. Изменение этого магнитного потока, в силу закона электромагнитной индукции, приводит к возбуждению в этом контуре индуктивной ЭДС.

Это явление и называется самоиндукцией. Стоит отметить, что данное понятие родственно понятию взаимоиндукции, являясь как бы его частным случаем.

Направление ЭДС самоиндукции всегда оказывается таким, что при возрастании тока в цепи ЭДС самоиндукции препятствует этому возрастанию (направлена против тока), а при убывании тока - убыванию (сонаправлена с током). Явление самоиндукции проявляется в замедлении процессов исчезновения и установления тока.

При сопоставлении силы электрического тока со скоростью в механике и электрической индуктивности с массой в механике ЭДС самоиндукции сходна с силой инерции.

Величина ЭДС самоиндукции пропорциональна скорости изменения силы (переменного) тока i



Коэффициент пропорциональности L называется коэффициентом самоиндукции или индуктивностью контура (катушки)...»

Источник: https://ru.wikipedia.org/wiki/Самоиндукция

Здесь, в этом объяснении, так же не раскрывается природа самого явления индуктивности и возникновения ЭДС самоиндукции, но хотя бы дан этакий намёк на то, что, если сопоставить силу электрического тока со скоростью в механике, а электрическую индуктивность с массой в механике, то ЭДС самоиндукции можно рассматривать как силу инерции!



Если грамотно воспользоваться этим намёком, то можно понять следующее: упорядоченное движение электронов по проводнику порождает вокруг проводника некий вихрь материи, который физики называют с подачи английского физики Майкла Фарадея вихревым «магнитным полем». Так как термин «поле» применим к плоскости, а магнитные эффекты возникают в некотором объёме пространства, то я считаю правильным употреблять далее термин «магнитный вихрь» вместо термина «вихревое магнитное поле». Направление вращения этого вихря определяется направлением движения электрического тока. Пока не будем разбираться с тем, что за материя участвует в образовании «магнитного вихря», оставим это на потом.

Сейчас нам надо вспомнить, что такое сила тока i (правильно говорить интенсивность потока электричества). Это отношение количества электричества q, переносимого через поперечное сечение проводника за какой-нибудь промежуток времени t, к величине этого времени. А так как «количество электричества» в нашем конкретном случае - это количество так называемых свободных электронов, участвующих в образовании электрического потока, движущегося по проводнику, то нужно понимать, что вихревое магнитное поле (магнитный вихрь) порождается вокруг провода не какими-то абстрактными «электрическими зарядами», а конкретными субатомными частицами - электронами, обладающими пусть крохотными, но не нулевыми размерами, конкретной массой m, а также свойством вращаться вокруг своей оси. В физике это свойство ряда частиц называется спином (от spin - кружусь, вращаюсь).

Надо полагать, что в силу наличия у электрона этого свойства он и раскручивает вокруг себя магнитный вихрь, представляющий собой вихрь материи.

Причём этот вихрь материи имеет сцепку с каждым электроном, его породившим, а в нашем случае мы рассматриваем вихрь материи имеющий сцепку со всем сонмом электронов, участвующих в образовании электрического потока, бегущего по проводнику под воздействием прикладываемого к этому проводнику электрического напряжения.

Это и объясняет как природу индуктивности, так и причину появления в проводниках и катушках ЭДС самоиндукции.

Читаем ещё одно определение из энциклопедии, которое говорит об этом опять же не более чем намёком:

«Индуктивность (или коэффициент самоиндукции - L) - это коэффициент пропорциональности между электрическим током I, текущим в каком-либо замкнутом контуре, и полным магнитным потоком Ψ, называемым также потокосцеплением, создаваемым этим током через поверхность, краем которой является данный контур:



Величина магнитного потока = индуктивность умножить на ток.

Главное слово здесь - «потокосцепление». Имеется ввиду, что магнитный вихрь, который в объёме пространства можно рассматривать как «вихревой магнитный поток», буквально сцеплен с электрическим потоком - подобно тому, как турбина гидроэлектростанции сцеплена с водой, движение которой заставляет турбину вращаться и вырабатывать электричество. Причём эта сцепка магнитного вихря с движением электричества может иметь разную энергетическую пропорцию. Электрический поток одной и той же интенсивности может создавать в пространстве как слабое, так и сильное вихревое «магнитное поле», всё зависит от ряда факторов:

«Коэффициент пропорциональности L (между электрическим током и создаваемым им магнитным вихрем) зависит от формы проводников с током и магнитной проницаемости среды. Обозначается буквой L, в СИ измеряется в Генри. Магнитная проницаемость - физическая величина, коэффициент (зависящий от свойств среды), характеризующий связь между магнитной индукцией и напряжённостью магнитного потока в веществе. Для разных сред этот коэффициент различен, поэтому говорят о магнитной проницаемости конкретной среды (подразумевая её состав, состояние, температуру и т. д.). Обычно обозначается греческой буквой Мю.

Итак, индуктивность определяется как отношение магнитного потока Ψ, пронизывающий контур, к электрическому потоку в контуре I».



Когда мы уже имеем представление о том, что магнитный вихрь, возникающий вокруг проводников с током, материален, а значит так называемое «магнитное поле» обладает не нулевой массой, распределённой в некоторой области пространства, и не нулевой инерцией, и оно имеет сцепку с каждым электроном, участвующем в образовании электрического потока, текущего по проводнику, то нам уже должна быть понятна природа появления ЭДС самоиндукции:

С началом упорядоченного движения свободных электронов по проводнику  все они под воздействием приложенного к проводнику электрического напряжения перво-наперво начинают менять свою пространственную ориентацию - их оси вращения становятся сонаправленными. Это приводит к тому, что сонм движущихся упорядоченно электронов начинает порождать вокруг проводника общий для них магнитный вихрь, гигантский по объёму по меркам микромира. Причём энергия магнитного поля W привязана к силе тока I через известный нам коэффициент пропорциональности L:



Из выше сказанного следует, что самой близкой моделью магнитного вихря, порождаемого электрическим потоком, является механический маховик, способный накапливать кинетическую энергию во вращательном движении.

Когда-то давно мне довелось услышать рассказ заслуженного советского учителя физики И.А.Соловейчик, который объяснял своей аудитории рассматриваемое нами явление с помощью вот такого образа:

«Когда неподвижный маховик «подключают» к источнику энергии, например, когда рукой начинают разгонять маховик, то вначале рука расходует энергию не только на преодоление трения, но и на увеличение кинетической энергии маховика. За счёт накопленной энергии маховик может некоторое время вращаться «сам», отдавая накопленную энергию в виде топлива. Аналогично при нарастании тока [протекающего через катушку] часть энергии источника расходуется на создание магнитного поля катушки, а после выключения источника за счёт этой энергии может выделяться тепло...».

Замечу, что данный пример лишний раз заставляет подумать о том, что в случае с вихревым магнитным полем (магнитным вихрем), выступающим в роли аккумулятора кинетической энергии, мы имеем дело с материальным вихревым образованием, которое, естественно, может возникать только в материальной среде, образованной из частиц, имеющих массу. (Пример тому - вихри в газовой или жидкостной среде. В пустоте, вакууме, вихри, разумеется, не возникают).

Окончательно прийти к выводу, что в любом трансформаторе в качестве передаточного звена между изолированными друг от друга проволочными катушками работает магнитный вихрь, в образовании которого участвуют (гораздо меньшие, чем электроны) материальные частицы, масса которых, разумеется, не равна нулю (иначе бы кинетическая энергия вихревого магнитного потока равнялась нулю), мы можем благодаря простому опыту с одной катушкой.

Этот опыт описан в книге «Элементарный учебник ФИЗИКИ», том II, «Электричество и магнетизм». Учебник издан под редакцией академика Г. С. Ландсберга.



«Возьмём катушку J с несколькими сотнями витков, надетую на замкнутый железный сердечник. К зажимам а - а присоединена шестивольтовая лампочка L. Катушку можно с помощью ключа K присоединить к аккумулятору В с напряжением 1,5 - 2 вольта. Таким образом, когда ключ K замкнут, то к аккумулятору присоединены параллельно катушка и лампочка. Когда же ключ разомкнут, то мы имеем только одну замкнутую цепь, состоящую из витков катушки и лампочки.

Так как наша лампочка рассчитана на напряжение, значительно большее, чем напряжение, даваемое аккумулятором, то пока ключ замкнут, она горит очень слабо, тёмно-красным накалом. В момент же размыкания ключа K она на мгновение вспыхивает очень ярким белым светом.

Почему это происходит? ...Откуда берётся энергия, поглощаемая лампочкой в момент её вспышки и превращаемая в ней в тепло и свет? Ведь вспышка происходит тогда, когда ключ K уже разомкнут. Следовательно, энергия не может браться от аккумулятора. Вспышка лампочки происходит при исчезновении тока в катушке, т.е. при исчезновении магнитного поля этой катушки.

Мы приходим, таким образом, к заключению, что энергия, поглощаемая лампочкой в момент размыкания тока, была раньше запасена в виде энергии магнитного поля. Когда мы подключали катушку к аккумулятору, мы создавали магнитное поле, на что тратился определённый запас энергии, заимствовавшийся от аккумулятора. Когда мы выключаем ток, магнитное поле исчезает, и запасённая в нём энергия …превращается в энергию электрического тока в лампочке».

Обратное преобразование кинетической энергии магнитного вихря в кинетическую энергию электрического тока, протекающего по той же самой катушке, которая породила этот вихрь, происходит, как мы теперь понимаем, исключительно по той причине, что имеется механическая сцепка между магнитным вихрем и сонмом электронов, упорядоченно ориентированных в пространстве, вращающихся вокруг своей оси, и упорядоченно движущихся по проводнику.

Итак, если магнитный вихрь является аккумулятором кинетической энергии благодаря тому, что он вращается вокруг проводника с током подобно маховику, то есть повод задуматься над тем, с какой скоростью происходит это вращение?



Лично у меня есть понимание, что скорость вращения V магнитного вихря вокруг проводника пропорциональна току I, протекающему по проводу, и пропорциональна коэффициенту сцепления L магнитного вихря с электрическим током. Чем L и I выше, тем выше скорость вращения «вихревого магнитного поля» и, соответственно, выше запасённая в нём кинетическая энергия.

А если скорость вращения магнитного вихря может варьироваться в широких пределах, то можно легко догадаться, что она значительно ниже скорости света.

Тогда возникает явное противоречие с гипотезой Д.К.Максвелла, который попытался объяснить природу поляризованного света через принцип электромагнитной индукции, ещё до конца не понимая, что представляют собою электрическое и магнитное поля.

Магнитное поле, которое, будучи вихрем, вращается то в одну, то в другую сторону вокруг проводников с переменным током, да ещё имеет определённую механическую сцепку с этим током, не может просто так порвать эту сцепку и начать свободно двигаться в пространстве как волна. Тем более, что вихрь - это вихрь, а волна - это волна. Это разные природные явления!

Значит, надо полагать, в антеннах радиопередающих устройств, в силу их конструктивных особенностей, создаются какие-то особые условия, при которых те же электроны, двигаясь по наружной поверхности излучающих проводников возвратно-поступательно, порождают вокруг себя качественно иное «магнитное поле», уже не вихревое, а ударное, способное удаляться от проводника с током как волна, движущаяся в пространстве наступательно со скоростью света!

Так что, можно с уверенностью сказать, что нашим учёным ещё только предстоит раскрыть и описать правильный механизм рождения радиоволн в антеннах. А старая теория световых волн Д.К.Максвелла, построенная на представлении работы электрического трансформатора, увы, в свете вновь открывшихся знаний не выдерживает никакой критики.



17 декабря 2023 г. Мурманск. Антон Благин