Токи при замыкании и размыкании цепи

Рассмотрим процесс выключения тока в цепи, содержащей источник тока с э.д.с. e, резистор сопротивлением R и катушку индуктивностью L. Под действием внешней э. д. с. в цепи течет постоянный ток

I₀ = e_i / R

(внутренним сопротивлением источника тока пренебрегаем).

В момент времени t=0 отключим источник тока. Ток через катушку индуктивности L начнет уменьшаться, что приведет к возникновению э.д.с. самоиндукции e_S , препятствующей, согласно правилу Ленца, уменьшению тока. В каждый момент времени ток в цепи определяется законом Ома I = e_S /R, или

. (17.5)

Разделив в выражении (17.5) переменные, получим . Интегрируя это уравнение по I (от I₀ до I) и t (от 0 до t), находим , или

, (17.6)

где — постоянная, называемая временем релаксации. Из (17.6) следует, что t есть время, в течение которого сила тока уменьшается в е раз.

Таким образом, в процессе отключения источника э.д.с. сила тока убывает по экспоненциальному закону (17.6) и определяется кривой 1 на рис. 17.1. Чем больше индуктивность цепи и меньше ее сопротивление, тем больше t и, следовательно, тем медленнее уменьшается ток в цепи при ее размыкании.

При замыкании цепи помимо внешней э.д.с. e возникает э.д.с. самоиндукции e_S , препятствующая, согласно правилу Ленца, возрастанию тока. По закону Ома, IR = e + e_S, или

IR = e .

Введя новую переменную e, преобразуем это уравнение к виду

,

где t — время релаксации.

В момент замыкания (t=0) сила тока I = 0 и U = e. Следовательно, интегрируя по U (от - e до IR- e) и t (от 0 до t), находим , или

, (17.7)

где e /R установившийся ток (при t ® 0).

Рис. 17.1.

Таким образом, в процессе включения источника э.д.с. нарастание силы тока в цепи задается функцией и определяется кривой 2 на рис.17.1. Сила тока возрастает от начального значения I = 0 и асимптотически стремится к установившемуся значению e /R. Скорость нарастания тока определяется тем же временем релаксации , что и убывающие тока. Установление тока происходит тем быстрее, чем меньше индуктивность цепи и больше ее сопротивление.

Оценим значение э.д.с. самоиндукции e_S, возникающей при мгновенном увеличении сопротивления цепи постоянного тока от R₀ до R. Предложим, что мы размыкаем контур, когда в нем течет установившийся ток . При размыкании цепи ток изменяется по формуле (17.6). подставив в нее выражение для I₀ и t , получим

.

Э.д.с. самоиндукции

e_S e ,

т.е. при значительном увеличении сопротивления цепи обладающей большой индуктивностью, э.д.с. самоиндукции может во много раз превышать э.д.с. источника тока, включенного в цепь. Таким образом, необходимо учитывать, что контур, содержащий индуктивность, нельзя резко размыкать, т.к. это (возникновение значительных э.д.с. самоиндукции) может привести к пробою изоляции и выводу из строя измерительных приборов. Если в контур сопротивление вводить постепенно, то э.д.с. самоиндукции не достигнет больших значений.