Взаимоиндукция

Если две катушки (первичная и вторичная) намотаны на одном и том же сердечнике из железа, то любое изменение магнит­ного поля одной из катушек будет наводить на­пряжение в другой. Это происходит, когда ток в первичной обмотке включается или выключается. Это явление на­зывается «трансформацией», и на нем основана работа катушки зажигания. На рис. 2.11 показан принцип взаимной индукции.

Рис. 2.11. Взаимоиндукция

Значение наведенного напряжения зависит от следующих факторов:

1. тока первичной обмотки;

2. соотношения между числом витков первич­ной и вторичной обмоток;

3. скорости изменения магнитного поля.

Cогласно закону Био-Савара-Лапласа, магнитное поле, прямо пропорциональное силе тока,

Φ = LI,

где коэффициент пропорциональности L носит название индуктивность контура и измеряется в Генри [Гн]. Если теперь мы начнём менять ток в контуре, то будет изменяться и магнитный поток, сцепленный с контуром, и, следовательно, возникнет ЭДС, препятствующая изменению тока. Такое явление (сопротивление изменению тока) называют самоиндукцией контура. Применяя к явлению самоиндукции закон Фарадея, получим:

U = - dФ/dt = -LdI/dt.

Таким образом, интенсивность явления самоиндукции описывается индуктивностью контура. Чем больше индуктивность, тем труднее изменить ток. Отметим, что здесь видна полная аналогия с механической инерцией: чем больше масса движущегося тела, тем труднее изменить его движение.

Рабочий процесс системы зажигания можно разделить на три этапа:

1. замыкание контактов прерывателя и накопление энергии в магнитном поле катушки;

2. размыкание контактов и индуктирование вторичного напряжения;

3. преобразование электромагнитной энергии в энергию искрового разряда между электродами свечи.

Замыкание контактов прерывателя (процесс нкопления энергии)

Полагая, что при замыкании контактов (рис. 116), сила тока в первичной обмотке равна нулю, можно записать

U = i₁ R₁ - e_s = i₁ R₁ + L₁ di/dt,

где e_s – напряжение самоиндукции первичной обмотки, R₁ и L₁ соответственно активное сопротивление и индуктивность первичной цепи.

Рис. 116, Схема замещения батарей­ной системы зажигания после замы­кания контактов

Решая это дифференциальное уравнение, получим

i₁ = U/R₁(1 – e^-R1t/L1).

К началу размыкания контактов сила тока первичной обмотки достигнет значения

i₁ = U/R₁(1 – e^-R1tз/L1),

где t_з, время замкнутого состояния контактов прерывателя, которое зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя n. Тогда выражение для тока примет вид,

i₁ = U/R₁(1 – e^{-R1/L1· γз120/zn}).

Как видно, сила тока первичной обмотки в момент размыкания контактов прерывателя уменьшается с увеличением частоты вра­щения коленчатого вала и числа цилиндров двигателя. Cила тока первичной обмотки зави­сит также от параметров первичной цепи, т. е, от постоянной вре­мени

Изменения силы тока при раз­личных частотах вращения двигателя приведены на рис. 117.

Рис. 117. Осциллограммы первичного тока катушки зажигания при различ­ной частоте вращения двигателя:

а - n_дв = 1000 об/мин; б - n_дв = 2000 об/мин

К моменту размыкания контактов прерывателя в магнитном поле катушки накапливается энергия

W_M = I²_pL₁/2.

Во время нарастания тока в первичной обмотке наводится ЭДС самоиндукции,

e₁ = - L₁×di₁/dt_з = - L₁×d [U/R₁ (1 – e ^{-t R1/L1})] /dt_з = - L₁ (U/R₁× R₁/L₁e ^{-tз R1/L1}) =

= - L₁U/L₁e ^{-tз R1/L1}) = - U e^{-tз R1/L1}.

ЭДС самоиндукции убывает по экспоненциальному закону.

Во втроричной обмотке индуцируется ЭДС взаимоиндукции

e₂ = - M di₁/dt_з = - M/L₁Ue^{-tз R1/L1} = k_T Ue^{-tз R1/L1},

где М – взаимоиндуктивность (примерно равна L₂). Взаимоиндуктивность, является коэффициентом пропорциональности между скоростью изменения тока в первичной цепи и ЭДС, индуктируемой этим током во вторичной цепи и измеряется в Генри [Гн].

Она достигает максимального значения в момент замыкания контактов прерывателя (при I = 0) и равна Uk_т.