Kas ir spoles? (pašindukcija)
Apskatīt video Khan Academy platformā: 
What are inductors? (self-inductance)
Transkripts:
00:00
Man ir baterija, kas caur slēdzi pievienota spuldzei.
00:03
Es aizveru slēdzi, spuldze spīd.
00:05
Atvērts, spuldze nespīd.
00:07
Ciet, spuldze spīd.
00:09
Tur nav nekā pārsteidzoša.
00:10
Bet tagad virknē ar spuldzi pievienosim ap metālu aptītu spoli un
00:15
paskatīsimies, kas notiks.
00:17
Gatavi? 3, 2, 1, ciet.
00:22
O, tagad redzam, ka paiet laiks, līdz spuldze sāk spīdēt.
00:27
Kāpēc tā?
00:29
Nu, noskaidrosim. [spuldze pārdeg] Paga, vai tu to redzēji?
00:32
Nopietni, kas notiek?
00:35
Ar spoli virknē mēs redzējām, ka, aizverot slēdzi,
00:39
paiet laiks, līdz spuldze sāk spīdēt ar pilnu spilgtumu.
00:44
No tā varam secināt, ka strāvai vajag laiku, lai pieaugtu līdz maksimālajai vērtībai,
00:49
vērtībai, ko nosaka Oma likums, varbūt 1 ampērs.
00:51
Teiksim, tā ir maksimālā vērtība, kas nozīmē, ka spole,
00:55
kāda iemesla dēļ to aizkavē, palēninot strāvas pieaugumu.
00:59
Bet kāpēc tā to dara?
01:00
Izpētīsim!
01:02
Ja šeit apturam animāciju, mēs zinām, ka ķēdē plūst noteikta strāva.
01:05
Tā vēl nav maksimālā vērtība, bet strāva ir,
01:09
un šī strāva, protams, plūst caur spoli.
01:11
Un mēs esam redzējuši – ja caur spoli plūst strāva,
01:15
tā rada magnētisko lauku.
01:16
Mēs to tagad esam redzējuši pietiekami daudz reižu.
01:18
Interesanti šeit ir tas, ka šī strāva pieaug.
01:22
Atceries, mēs neesam sasnieguši maksimālo vērtību.
01:24
Mēs esam apturējuši animāciju.
01:25
Strāva pieaugs, kas nozīmē, ka radītais magnētiskais lauks
01:30
šeit arī tiecas pieaugt.
01:33
O, tas nozīmē, ka plūsma pieaug, un mēs zinām no Faradeja likuma,
01:41
ka ikreiz, kad mainās plūsma, spole inducēs EDS, mēģinot
01:47
pretoties šīm izmaiņām.
01:50
Tātad šeit, šajā spolē, tiks inducēts EDS, kas pretosies šīm izmaiņām
01:56
plūsmā.
01:57
Labi, tas ir daudz, ko aptvert, tāpēc lēnām to pierakstīsim.
02:01
Šobrīd redzam, ka ir mainīga strāva.
02:04
Sauksim to par di vai delta i.
02:07
Šīs mainīgās strāvas dēļ, tāpēc, ka strāva rada magnētisko lauku un
02:11
pastāv magnētiskā plūsma, ir mainīga plūsma.
02:14
Šeit plūsma mainās.
02:16
Un no Faradeja likuma zinām, ka šī mainīgā plūsma liek spolei radīt
02:22
jeb inducēt EDS, un šis EDS vienmēr tiecas pretoties izmaiņām.
02:28
Labi? Ko tas viss nozīmē?
02:31
Nu, ja atbrīvojamies no starpnieka, tad tas būtībā nozīmē, ka ikreiz,
02:35
kad caur spoli mainās strāva, spole radīs EDS, mēģinot pretoties
02:42
izmaiņām.
02:43
Tas nozīmē – ja tu mēģini palielināt strāvu caur spoli,
02:46
tā radīs jeb inducēs EDS un mēģinās to samazināt.
02:49
Ja mēģini samazināt strāvu, tā inducēs EDS un mēģinās to
02:53
palielināt. Atceries, spolei nav problēmu ar pašu strāvu.
02:57
Tiklīdz strāva sasniedz maksimālo vērtību, spole neinducē nekādu EDS.
03:01
Spole ir laimīga.
03:02
Tieši strāvas izmaiņas ir tās, kur slēpjas problēma.
03:06
Ikreiz, kad mēģini mainīt strāvu caur jebkuru spoli,
03:09
tā inducēs EDS un mēģinās pretoties šīm izmaiņām.
03:13
Un šo spēju pretoties strāvas izmaiņām, inducējot EDS, mēs bieži
03:19
saucams par induktivitāti, un tāpēc spoles bieži sauc par induktoriem.
03:26
Precīzāk sakot, tā būtu jāsauc par pašindukciju, jo mainīgā
03:31
strāva un pretestība notiek vienā un tajā pašā spolē.
03:35
Tātad spole savā ziņā pretojas pati sev, [iesmejas] un tāpēc
03:38
to sauc par pašindukciju.
03:40
Lielāka induktivitāte nozīmē lielāku spēju pretoties strāvas izmaiņām.
03:45
Tā ir sava veida inerce.
03:47
Patiesībā, tāpēc induktivitāti bieži sauc par elektrisko inerci,
03:50
pretestību izmaiņām.
03:51
Bet kā izmaiņām? Strāvas izmaiņām.
03:54
Pirms atgriežamies pie stāsta, padomāsim, cik lielu EDS vai cik
03:58
lielu spriegumu šī spole inducē strāvas izmaiņu dēļ.
04:02
Mēs to varam noskaidrot, izmantojot Faradeja likumu.
04:04
Faradeja likums nosaka, ka inducētais EDS spolē ir vienāds ar negatīvu N d fi pret dt,
04:12
kur fi apzīmē magnētisko plūsmu.
04:14
Mēs to varam saukt par d fi B pret dt.
04:16
Tas būtībā nozīmē, ka inducētais EDS ir atkarīgs no tā, cik strauji mainās plūsma.
04:20
Ja plūsma mainās ļoti strauji, tiek inducēts ļoti augsts EDS,
04:24
un tas pretojas plūsmas izmaiņām.
04:27
Mūsu gadījumā plūsmu rada strāva.
04:30
Lielāka strāva, lielāks magnētiskais lauks, lielāka plūsma.
04:33
Tāpēc varam teikt, ka induktorā jeb spolē plūsma, magnētiskā plūsma ir
04:37
proporcionāla strāvai.
04:38
Zini, ko mēs varētu darīt?
04:40
Mēs varam rakstīt, ka tas ir vienāds ar mīnuss di pret dt.
04:46
Būtībā mēs sakām, ka plūsma mainās, jo mainās strāva,
04:50
vai ne? Un tā ir proporcionāla, tāpēc jābūt proporcionalitātes konstantei,
04:55
un šo konstanti mēs bieži saucam par L, un šis L apzīmē
05:00
pašindukciju.
05:02
Tas nozīmē – ja strāva mainās ļoti strauji, inducētais EDS ir ļoti augsts.
05:07
Ja strāva mainās ļoti lēni, inducētais EDS ir ļoti zems.
05:10
Ja strāva nemainās vispār, EDS netiek inducēts.
05:13
Un pie noteiktām strāvas izmaiņām jeb noteikta strāvas izmaiņu ātruma,
05:16
ievēro, ka EDS būs augsts, ja induktivitāte ir ļoti augsta.
05:21
Ja L vērtība ir milzīga, tas nozīmē ļoti, ļoti lielu pretestību
05:26
strāvas izmaiņām, tiek inducēts ļoti augsts EDS.
05:29
Ja induktivitātes vērtība ir zema vai nulle, ievēro – nav svarīgi, vai
05:33
strāva mainās vai nē, EDS netiks inducēts.
05:36
Šī lieta apzīmē induktivitāti.
05:38
Un pavisam ātri varam izdomāt induktivitātes mērvienības.
05:41
Droši apturi video un mēģini izdomāt pats.
05:44
Induktivitātes mērvienība ir EDS, kas ir volti, dalīts ar ampēriem
05:51
sekundē, dalīts ar ampēriem sekundē, un sekunde nonāks augšā.
05:56
Bet mēs to bieži saucam par henriju, nosauktu par godu Džozefam Henrijam,
06:02
kurš bija vēl viens cilvēks, kas neatkarīgi atklāja elektromagnētisko indukciju.
06:06
Un tāpat kā kapacitāte vai pretestība, kas ir atkarīga tikai no ģeometrijas un
06:11
izmantotā materiāla, un nav atkarīga no strāvas un sprieguma,
06:15
līdzīgi arī induktivitāte ir atkarīga tikai no ģeometrijas.
06:19
Atkarīga no vijumu skaita, zini, ap ko tā ir aptīta,
06:23
izmantotā materiāla, bet tā nav atkarīga no sprieguma vai strāvas.
06:28
Nākotnes video mēs aprēķināsim – redzēsim, kā aprēķināt
06:31
spoles vai solenoīda induktivitāti, bet tā nav atkarīga no sprieguma vai ampēriem.
06:37
Līdz ar to tagad varam atgriezties pie mūsu sākotnējā eksperimenta.
06:40
Kas notiek brīdī, kad es aizveru slēdzi?
06:43
Nu, baterija saka: "Hei, es gribu palielināt šo strāvu no 0 līdz 1
06:46
ampēram pēc iespējas ātrāk."
06:47
Tātad parādās di pret dt, un induktors saka: "Nē, nē,
06:52
es ienīstu strāvas izmaiņas."
06:54
Un tāpēc tas pretojas šīm izmaiņām, un veids, kā tas to dara – tas inducē
07:00
EDS jeb rada spriegumu.
07:02
Un, tā kā tas pretojas baterijai, jo nevēlas, lai strāva
07:05
pieaugtu, spriegums rodas šajā virzienā, ar plusu šajā pusē un mīnusu
07:10
šajā pusē, kas pretojas strāvai.
07:13
Bet tad baterija saka: "Labi, labi, es audzēšu strāvu
07:17
nedaudz lēnāk."
07:19
Tātad di pret dt samazinās, un rezultātā inducētais EDS, inducētais spriegums,
07:26
sāk samazināties.
07:27
Tagad uzmanīgi ievēro – es neteicu, ka strāva samazinās.
07:30
Strāva sākumā ir nulle.
07:32
Kā tā var samazināties?
07:33
Bet di pret dt, ātrums, ar kādu strāva pieaug, tas samazinās.
07:38
Baterija būtībā saka: "Labi, induktor, es palielināšu strāvu
07:41
nedaudz lēnāk," tāpēc induktors kļūst mazāk dusmīgs, un tā rezultātā
07:47
tagad strāva sāk pieaugt.
07:49
Un, strāvai turpinot pieaugt, di pret dt sāk samazināties arvien vairāk un
07:55
vairāk, tas ir, kļūst mazāks un mazāks.
07:57
Un rezultātā šis inducētais EDS kļūst mazāks un mazāks,
08:01
pretestība kļūst mazāka un mazāka, un tāpēc strāva var
08:05
sākt kļūt lielāka un lielāka.
08:07
Un tāpēc lēnām un vienmērīgi spuldze sāk spīdēt.
08:12
Un galu galā, tiklīdz tā sasniedz maksimālo vērtību 1 ampēru,
08:17
strāva vairs nemainās.
08:18
di pret dt kļūst nulle, un, tiklīdz tas notiek, vairs nav inducētā
08:24
EDS. Induktors ir laimīgs, jo strāva vairs nemainās.
08:27
Atceries, induktoram nav problēmu ar strāvu, problēmas ir ar
08:31
[iesmejas] strāvas izmaiņām.
08:33
Jā, es to atkārtošu, kamēr sapratīsi, jo tas var būt mulsinoši.
08:37
Labi, un ceru, tu piekrīti – ja induktivitātes vērtība būtu ļoti augsta,
08:41
ja šis būtu lielāks induktors, tad vajadzētu vairāk laika, lai
08:46
strāva sasniegtu savu maksimālo vērtību, jo pretestība būtu daudz
08:49
spēcīgāka.
08:50
Labi, tagad strāva plūst ar maksimālo vērtību, vairs nemainās.
08:54
Induktors vairs neietekmē ķēdi, un tagad es mēģinu atvērt
08:58
[iesmejas] slēdzi.
09:00
Kā tu domā, kas notiks?
09:01
Balstoties uz apgūto, vari apturēt video un apdomāt,
09:05
kas notiks, ja es tagad atvēršu slēdzi?
09:08
Labi, darīsim to kopā.
09:09
Atvērsim to slēdzi.
09:12
Tātad, līdz šim induktors bija mierīgs.
09:14
Brīdī, kad atveram slēdzi, baterija tiek atvienota no spuldzes,
09:18
un baterija saka: "Dabūsim strāvu atpakaļ uz nulli."
09:22
Un induktors kļūst mežonīgs. [iesmejas] Induktors saka: "Tu jokojies?
09:26
Es ienīstu strāvas izmaiņas!"
09:29
Tagad di pret dt ir negatīvs.
09:32
Strāva mēģina samazināties, turklāt vērtība ir neticami augsta.
09:37
Strāva mēģina nokrist līdz nullei gandrīz momentāni.
09:40
Induktors kļūst dusmīgs.
09:41
Induktors inducē daudz augstāku EDS, bet šoreiz tiešajā virzienā.
09:46
Vai redzi? Negatīvs reiz negatīvs kļūst pozitīvs,
09:49
tāpēc šoreiz induktors mēģina uzturēt strāvu.
09:53
Atceries, induktoram nekad nav bijušas problēmas ar strāvu.
09:56
Tam vienmēr ir problēmas ar strāvas izmaiņām.
09:59
Tāpēc induktors mēģina uzturēt strāvu.
10:02
Bet paga, ķēde ir pārrauta.
10:04
Pa vidu ir gaiss.
10:05
Ir tik liela pretestība.
10:07
Kā tas to var izdarīt? Nu, tas rada milzīgu EDS.
10:10
Tagad nāk milzīgs, milzīgs EDS, un rezultātā tas mēģina uzturēt
10:15
šo strāvu. Bet paga, kur lādiņi paliks?
10:18
Lādiņiem nav kur iet.
10:19
Ķēde ir pārrauta.
10:20
Bet, tā kā induktors spiež, spiež un spiež, lādiņi
10:24
uzkrājas šeit.
10:25
Uzkrājas daudz pozitīvo lādiņu, daudz negatīvo lādiņu
10:29
uzkrāsies tur, un galu galā radīsies dzirkstele.
10:35
Bet induktors to nevar uzturēt.
10:36
Galu galā di pret dt kļūst nulle, tas kļūst nulle, un strāva izzūd.
10:41
Tāds ir stāsts.
10:42
Un tajā pēdējā sekundē, kad induktors kļuva tiešām, tiešām dusmīgs,
10:45
tā radītais spriegums bija neticami augsts.
10:48
Tie var būt simtiem vai pat tūkstošiem voltu, un tāpēc
10:51
ir neticami bīstami mēģināt izslēgt ķēdi, kurā ir milzīgi
10:55
induktori. Tas var radīt nejaukas dzirksteles.
10:59
Un [iesmejas] tāds ir stāsts par induktoriem.
11:01
Tie ienīst strāvas izmaiņas.
11:03
Jo ātrāk mēģini mainīt strāvu, jo spēcīgāku EDS tie tiecas
11:08
inducēt.
11:09
Tāpēc viens no to daudzajiem pielietojumiem ir uzturēt vienmērīgu strāvu.
11:14
Ja tev ir ierīces, kas ir jutīgas pret strāvas izmaiņām, un tu to
11:17
nevēlies, pievieno tām virknē induktoru.
11:20
Tas par to parūpēsies.
11:22
Un par citiem pielietojumiem runāsim, kad mācīsimies par maiņstrāvas ķēdēm.
Eksperta komentārs
Video tiek analizēts klasiskais skolas demonstrējums: pie baterijas pieslēgtas spuldzes darbība gadījuma, ja virknē ar spuldzi ir ieslēgta spole. Izmantojot Faradeja elektromagnētiskās indukcijas likumu, skaidrots, ka caur spoli plūstoša strāva rada magnētisko lauku un magnētisko plūsmu. Ja strāva mainās, mainās arī magnētiskā plūsma, un spolē inducējas elektrodzinējspēks (EDS), kas pretojas šīm izmaiņām.
Tiek ieviests jēdziens induktivitāte, skaidrota tās būtība, mērvienība un ietekmējošie faktori. Tiek detalizēti skaidrota pašindukcija kā parādība, kad strāvas izmaiņas spolē izraisa pašindukcijas EDS tajā pašā spolē, kas pretojas strāvas izmaiņām.
Video noslēgumā analizēta spoles darbība slēdža atvēršanas brīdī. Tiek uzsvērta pašindukcijas praktiskā nozīme un drošības aspekti.
Piezīme par apzīmējumiem un jēdzieniem. Strāvas stipruma momentāno vērtību video apzīmē ar Ai, mācību literatūrā latviešu valodā pieņemts apzīmējum i.
Video tiek izmantots jēdziens induktors. Vidusskolas fizikas kursā parasti izmanto jēdzienu spole. Termins induktors ir tehniski korekts (īpaši elektrotehnikā un elektronikas komponentu katalogos), taču skolēniem tas nav ierastais jēdziens, tāpēc video nosaukumā tas tika nomainīts.