При подаче на катушку индуктивности постоянного тока в катушке формируется магнитное поле. Если во время этого быстро прервать протекание тока в катушке, то это созданное магнитное поле быстро спадает, что может привести к появлению высокого напряжения между выводами катушки индуктивности, вплоть до сотен вольт. Ключевое слово в этом предложении — это слово "может". Далее я попытаюсь объяснить почему, я уделяю этому особое значение.
Обычно в подобных экспериментах и их объяснениях основную роль отдают переменному магнитному полю. При этом само магнитное поле не может приводить электрические заряды в упорядоченное движение, а значит, не может вызывать электрический ток. Также магнитное поле не может разделять электрические заряды, создавая тем самым электрическое напряжение.
Это может делать только электрическое поле, порожденное меняющимся во времени магнитным полем.
То, что переменное магнитное поле создает вихревое электрическое поле, которое и приводит электрические заряды в движение, известно и, это можно сказать ни для кого не секрет (рис.1).
В серии экспериментов будет показан переход запасённой энергии магнитного поля в катушке индуктивности в напряжение и ток. А также объяснение процессов, приближенных к пониманию физического смысла на основе классической электродинамики.
Все эксперименты с катушкой индуктивности будут строиться на обратном ходе. То есть после формирования магнитного поля будет быстрое закрытие транзистора, а затем спад магнитного поля в катушке индуктивности, что может дать ток и напряжение на выводах этой катушки.
На обмотку катушки подаётся напряжение. Ток текущий по ней, будет отвечать за формирование магнитного поля. Схема подключения изображена на (рис.2). Основные компоненты: катушка индуктивности, диод, источник питания, транзистор и генератор сигналов. Некоторые компоненты будут добавляться и убираться по мере необходимости.
Так как начало катушки подключено к плюсу источника питания, то после быстрого закрытия транзистора на выводах катушки мы можем зарегистрировать разность электрических потенциалов: плюс в конце катушки, а минус в начале катушки. При этом мы получаем замкнутую цепь для электрического тока, а катушка индуктивности представляет собой в этот момент источник тока.
До того как сердечник полностью насыщен, мы можем резко выбросить накопленную энергию в нагрузку, как это сделано в обратноходовых преобразователях, к примеру телефонных зарядках и других блоках питания.
Но само утверждение, не привязанное к конкретной схеме, что катушка индуктивности обязательно создаст повышенное напряжение на своих выводах не совсем верное.
После быстрого закрытия транзистора мы можем получить с одной и той же катушки индуктивности выброс в виде напряжения в несколько сотен вольт, что гарантированно пробьёт транзистор и диод. Но при этом же мы можем получить и десятки вольт на выводах катушки. И даже единицы вольт и менее. Что, будет продемонстрировано далее.
Опыт1.
На имеющуюся схему подадим напряжение 9 вольт. И быстро откроем транзистор на 200 микросекунд. В течение этого времени по основной цепи течет ток и формируется магнитное поле у катушки индуктивности. В данном случае начальный момент мы упускаем, нас интересует то, что будет в самом конце, после быстрого закрытия транзистора.
Как видим, на выводах катушки мы получили напряжение всего 1 вольт (рис.3).
Опыт 2.
Добавим в схему резистор на 1 Ом, после диода. Напряжение питания и время протекания по основной цепи постоянного тока те же. Как можно видеть, напряжение на выводах катушки достигло 9 вольт (рис.4).
Опыт 3.
Добавим в схему резистор на 10 Ом. Напряжение питания и время протекания по основной цепи постоянного тока те же. Как можно видеть, напряжение на выводах катушки достигло 77 вольт (рис.5).
Если мы заменим резистор на другой, большего номинала, то как можно догадаться напряжение кратковременно на выводах обмотки вырастет ещё больше.
После размыкания ключа идет спад магнитного поля. Магнитное поле меняется во времени по величине, от максимума до минимума. Это меняющееся магнитное поле создает в пространстве вихревое электрическое поле, которое является источником ЭДС для электрических зарядов в обмотке катушки. Вихревое электрическое поле разделяет заряды в обмотке катушки. С одной стороны — избыток электронов и отрицательный заряд, а с другой —недостаток электронов и положительный заряд. Это является причиной протекания электрического тока в цепи катушки.
Опыт 4.
Присутствие напряжения на выводах обмотки на обратном ходе, зависит от наличия и величины сопротивления в цепи катушки. Если сопротивление в цепи катушки минимальное, то напряжение на концах катушки будет иметь небольшую величину и можно сказать, что почти все электрические заряды которые ЭДС будет разделять в обмотке катушки индуктивности, быстро перейдут в электрический ток, без заметного скопления на выводах катушки (рис. 6).
Чтобы получить и далее измерить напряжение на выводах катушки, нужно создать "затор" из электрических зарядов с помощью сопротивления в цепи катушки. Чем больше сопротивление резистора, тем больше зарядов скопятся на входе/выходе резистора, тем больше напряжение на выводах катушки в итоге будет. Под "затором" понимается именно локальное скопление поверхностных зарядов. Это скопление зарядов даёт их заметное и кратковременное разделение, которое мы можем измерить как разность потенциалов (рис.7).
Но сопротивление в виде резистора не единственный способ повлиять на напряжение, которое может быть получено на выводах катушки индуктивности.
Опыт 5.
Добавим в схему конденсатор (рис.8). Он будет накапливать энергию в виде напряжения на своих обкладках.
Напряжение на выводах катушки в одном из опытов достигло 77 вольт, но в данном опыте с конденсатором, сам конденсатор может быть рассчитан на небольшое напряжение, скажем 10 вольт. Разряженный конденсатор в начальный момент не обладает заметным сопротивлением току, который его заряжает, а значит энергия магнитного поля перейдёт в электрический ток, который зарядит конденсатор. Что даст в итоге напряжение на самом конденсаторе.
Подключим цепь к источнику питания 9 вольт, на 200 микросекунд. Далее быстро закроем ключ и измерим напряжение на конденсаторе, а также измерим напряжение на выводах катушки индуктивности. За один управляющий импульс конденсатор зарядился до 820 милливольт. А напряжение на выводах катушки достигло 1,8 вольта.
Опыт 6.
Теперь подадим на транзистор 5 последовательных управляющих импульсов, длительностью каждый 200 микросекунд и паузами между ними.
Итоговое напряжение на конденсаторе выросло до 2,3 вольта, а на выводах катушки до 3,6 вольта (рис. 9).
Как можно понять, чем большее напряжение накапливается на конденсаторе, тем большее напряжение мы получаем на выводах катушки. Это связано с тем, что со стороны конденсатора и катушки идёт разделение и накопление зарядов.
Для катушки те электрические заряды которые скапливаются на обкладках конденсатора, оказывают сопротивление протеканию электрического тока, созданного ЭДС катушки после закрытия транзистора и последующего спада магнитного поля.
Так как электрические заряды не могут беспрепятственно протекать по цепи катушки, они скапливаются на выводах катушки, что даёт напряжение. И оно тем выше, чем выше заряд конденсатора, то есть чем выше напряжение между его обкладками.
Со стороны конденсатора, катушка выступает в виде источника упорядоченно движущихся электрических зарядов. Чем больший заряд получает конденсатор, тем сложнее катушке его заряжать, по причине кулоновского отталкивания между одноимёнными зарядами. И тем большее скопление зарядов на выводах катушки образуется (рис.10).
Можно сделать вывод, что рост напряжения на выводах катушки после закрытия транзистора связан с локальным скоплением электрических зарядов. Как в случае с резистором, так и в случае с конденсатором в цепи катушки.
При этом скорость спада магнитного поля после закрытия ключа зависит от наличия и величины сопротивления протеканию электрическому току в цепи катушки. При малом сопротивлении в цепи катушки спад энергии магнитного поля идет медленно, а при большом сопротивлении в цепи катушки, спад энергии магнитного поля резкий.
Опыт 7.
Намотаем на катушку индуктивности в целях эксперимента 2 обмотки. Мотаем сдвоенным проводом в одном направлении. Количество витков первой и второй обмотки одинаковое.
Получаем первичную обмотку, то есть обмотку на которую поступает ток от источника питания, который формирует магнитное поле. И вторичную обмотку, то есть обмотку, которая наравне с первичной попадает под влияние как переменного магнитного поля, так и вихревого электрического поля, при этом данная обмотка гальванически не связана с первичной (рис.11). Вторичная обмотка не имеет замкнутой цепи, то есть её выводы не будут соединены между собой.
Схема опыта полностью соответствует опыту 1 (рис.2), за исключением того, что катушка будет заменена на двухобмоточную. В первичной цепи катушки имеется только диод.
Так как в данном опыте вторичная обмотка не имеет замкнутой цепи и её выводы "висят в воздухе", а воздух является хорошим изолятором, чтобы пробить сантиметр воздуха нужны тысячи вольт, значит условно можно считать, что выводы вторичной обмотки соединены между собой резистором очень большого сопротивления.
Поэтому можно предположить, что скопление зарядов на выводах вторичной обмотки будет велико, что даст в итоге большое напряжение на выводах этой обмотки. Но связь между двумя гальванически не связанными обмотками всё-таки имеется.
Все обмотки попадают под влияние общего магнитного и вихревого электрических полей, при этом протекающие токи в первичной обмотке, которые появляются под влиянием вихревого электрического поля в данном случае также влияют и на вторичную обмотку, поэтому напряжение на вторичной обмотке будет зависеть от наличия и величины сопротивления в цепи первичной обмотки. То есть, напряжение во вторичной обмотке будет примерно соответствовать напряжению в первичной обмотке. В опыте 1 это один вольт.
Итог. Если рассматривать катушку индуктивности как электронный компонент, то можно прийти к пониманию, что на обратном ходе она в равной степени может выдавать как большой электрический ток при малом напряжении, так и большое напряжение при малом токе. После быстрого закрытия ключа, катушка представляет собой генератор тока, а не напряжения. Что именно будет преобладать в цепи —напряжение или ток — зависит только от сопротивления движению электрических зарядов в цепи катушки.