Индуктивность. Коэффициенты взаимной индукции. Энергия магнитного поля.

Краткая теория

Пусть задана система $N$ замкнутых контуров с токами $I_i,\,\,1\leqslant i\leqslant N$. Отдельный контур с током создает в пространстве магнитное поле $\vec{B}_j(\vec{r})$. Поток поля через произвольную поверхность, стягиваемую $i$-м контуром, можно выразить в виде линейной комбинации $$ \Phi_i=\sum\limits_{j=1}^{N} \frac{L_{ij}I_j}{c}, $$ где $L_{ij}$ – коэффициенты взаимоиндукции контуров $i$ и $j$. При совпадении индексов $L_{ii}$ называются коэффициентами самоиндукции (индуктивностью) $i$-го контура. При неизменной геометрии системы коэффициенты $L_{ij}$ полностью задаются этой геометрией. (Здесь сделаем единственное уточнение, что, вообще говоря, коэффициенты $L_{ij}$ зависят еще и от того, как текут токи по проводникам. Например, в толстом кольце могут течь соленоидальные токи, которые не дают вклада во внешнее поле. Тогда соответствующие коэффициенты взаимоиндукции оказываются равными нулю. Коэффициенты взаимоиндукции могут также отличаться в случаях сильного и слабого скин-эффекта).

Матрица коэффициентов $L_{ij}$ симметрична: $L_{ij}=L_{ji}$. Физически это означает, что если ток $I$, пропускаемый по контуру $i$, создает поток $\Phi$ через контур $j$, то тот же ток, пропущенный по контуру $j$, создаст точно такой же магнитный поток через контур $i$.

В терминах коэффициентов $L_{ij}$ можно выразить энергию магнитного поля, формируемого токами в контурах: $$ W=\frac{L_{ij}I_i I_j}{2c^2}, $$ где подразумевается суммирование по повторяющимся индексам. Данная формула позволяет определять индуктивности толстых проводников, в то время как их определение через потоки в этом случае оказывается неоднозначным (см. задачи № 279, № 429).
В общем случае магнитного поля в среде $\vec{B}(\vec{r})$, сформированного произвольно распределенными токами, энергия этого поля равна \begin{equation}\label{induct_eq1} W=\int w dV, \end{equation} где $w=\frac{(\vec{H}\cdot \vec{B})}{8\pi}$ – плотность энергии магнитного поля, и интегрирование производится по всему пространству.
Энергию $W$ можно выразить также через плотность тока $\vec{j}(\vec{r})$. Для этого представим вектор магнитной индукции в \eqref{induct_eq1} в виде $\vec{B}=\rot \vec{A}$: \begin{equation}\label{induct_eq2} W=\frac{1}{8\pi}\int (\vec{H}\cdot \rot \vec{A}) dV. \end{equation} С учетом векторного тождества $\Div [\vec{a}\times \vec{b}] = (\vec{b}\cdot \rot \vec{a}) - (\vec{a}\cdot \rot \vec{b})$ подынтегральное выражение разбивается на два слагаемых: $$ (\vec{H}\cdot \rot \vec{A})= \Div [\vec{A}\times \vec{H}] + (\vec{A}\cdot \rot \vec{H}). $$ Тогда для энергии магнитного поля имеем \begin{equation}\label{induct_eq3} W=\frac{1}{8\pi}\int \Div [\vec{A}\times \vec{H}] dV +\frac{1}{8\pi}\int (\vec{A}\cdot \rot \vec{H}) dV. \end{equation} Первый интеграл по теореме Остроградского-Гаусса преобразуется в поверхностный, второй можно переписать с учетом уравнения Максвелла $\rot \vec{H} = \frac{4\pi}{c}\vec{j}$: \begin{equation}\label{induct_eq4} W=\frac{1}{8\pi}\oiint [\vec{A}\times \vec{H}] d\vec{S} +\frac{1}{2c}\int (\vec{A}\cdot \vec{j}) dV. \end{equation} Областью интегрирования в первом интеграле является сфера, радиус которой стремится к бесконечности. На таких расстояниях ограниченная в пространстве система токов формирует поле магнитного диполя, так что $H\sim \frac{1}{r^3},\,\,\,A\sim \frac{1}{r^2}$. Поэтому первый интеграл имеет порядок не выше $\frac{r^2}{r^5}=\frac{1}{r^3}$ и на бесконечности стремится к нулю. Отсюда \begin{equation}\label{induct_eq5} W=\frac{1}{2c}\int (\vec{A}\cdot \vec{j}) dV. \end{equation} В полученном выражении область интегрирования сводится к объему, в котором протекают токи. Отметим также, что формула \eqref{induct_eq5} применима только к той калибровке векторного потенциала, для которой поток вектора $[\vec{A}\times \vec{H}]$ через сферу бесконечного радиуса обращается в ноль.

Задача №603

Каково изменение индуктивности $\Delta L$ кругового витка радиуса $b$ при внесении в его центр маленького шарика радиуса $a \ll b$ с магнитной проницаемостью $\mu$?

Показать решение

Задача №557

Два одинаковых квадратных проволочных витка со стороной a расположены в одной плоскости на большом расстоянии $l$ друг от друга $(l \gg a)$. Найти коэффициент взаимоиндукции $L_{12}$ этих витков.

Показать решение

Задача №553

Найти индуктивность длинного соленоида круглого сечения радиуса $a$, с равномерной намоткой плотности $n$, длины $l\gg a$, если магнитная проницаемость его сердечника меняется по закону $\mu(R) = 1 + \frac{R}{a}$, где $R$ – расстояние от оси соленоида.

Показать решение

Задача №501

Внутрь длинного соленоида сечением $S$ с числом витков $N$ индуктивностью $L$ вносят шарик радиуса $a\ll \sqrt{S}$ с магнитной проницаемостью $\mu$. Найти изменение индуктивности $\Delta L$, считая, что шар находится вдали от витков и торцов соленоида и краевыми эффектами можно пренебречь.

Показать решение

Задача №471

По маленькому прямоугольному контуру длиной $b$ и шириной $a$ течёт переменный ток $I = I_0 \cos\omega t$. Найти ЭДС, наводимую в большом прямоугольном контуре, лежащем в плоскости маленького слева от него так, что правая его сторона параллельна левой стороне $b$ маленького контура и находится на расстоянии $h$ от неё. Расстояния от маленького контура до углов большого контура много больше $a$, $b$ и $h$.

Показать решение

Задача №467

Внутри длинного соленоида радиуса $a$ с равномерной намоткой, по которой течет постоянный ток, находится соосный с ним сердечник той же длины радиуса $b,\, (b < a)$ с магнитной проницаемостью $\mu$. Чему равно отношение $W_с/W$ магнитной энергии, сосредоточенной в сердечнике, к полной магнитной энергии?

Показать решение

Задача №429

По двум параллельным металлическим пластинам размерами $a \ll h \ll l$ вдоль наибольших сторон пропускается переменный ток в противоположных направлениях. Расстояние между пластинами $2d \ll h$. Найти разность между индуктивностью системы при низких частотах тока (скин-эффект слабый) и индуктивностью системы при высоких частотах тока (скин-эффект сильный).

Показать решение

Задача №428

Какую работу нужно совершить, чтобы привести во вращение с частотой $\omega$ вокруг собственной оси симметрии лёгкую сферу радиуса $R$, равномерно заряженную зарядом $Q$?

Показать решение

Задача №386

Два одинаковых соосных кольца радиуса $R$, находятся на расстоянии $l$ друг от друга. Найти изменение их взаимной индуктивности $\Delta L_{12}$ если на оси между кольцами посередине поместить шарик радиуса $a\ll l,R$ с магнитной проницаемостью $\mu$.

Показать решение

Задача №381

В соленоид длиной $l$ с сечением $S$ ($l\gg\sqrt{S}$) с числом витков $N$ вставлен проводящий сердечник той же длины, с сечением $s<S$ с магнитной проницаемостью $\mu$. а) Найти индуктивность соленоида для постоянного тока. б) Какая будет индуктивность при сильном скин-эффекте (переменный ток)?

Показать решение

Задача №336

Маленькая бусинка с магнитным моментом $m$ может перемещаться вертикально без трения по спице, проходящей через центр горизонтально расположенного сверхпроводящего контура, представляющего собой окружность радиуса a с самоиндукцией $L$. В начальный момент бусинка расположена далеко от контура, а ток в контуре отсутствует. Затем бусинка перемещается в случайную точку A и отпускается без начальной скорости в поле тяжести $g$. Считая магнитный момент бусинки направленным вдоль спицы, определить минимальную массу $M$, при которой бусинка пройдет сквозь кольцо независимо от положения точки A.

Показать решение

Задача №334

Два одинаковых сверхпроводящих плоских витка с индуктивностью $L$ закреплены во взаимно перпендикулярных плоскостях, первый – в плоскости $xz$, второй – в плоскости $xy$. Вначале по первому витку течет ток $I_0$, во втором тока нет. Затем, включают медленно увеличивающееся однородное магнитное поле, направленное параллельно плоскости $yz$ под углом $\alpha $ к оси $y$. В некоторый момент ток в первом витке исчез, а ток во втором витке стал равным $I$. Определите коэффициент взаимной индукции двух витков.

Показать решение

Задача №281

Неподвижный круговой виток радиуса $r_0$, обладающий сопротивлением $R$ и индуктивностью $L$, и большое кольцо с радиусом $r_1 \gg r_0$ с постоянным током $I_0$, вращающееся вокруг оси $z$ с частотой $\omega$, имеют общий центр O, при $t = 0$ нормали витков совпадают (см. рисунок). Найти ток $I(t)$ в неподвижном витке.

Показать решение

Задача №279

Найти внутреннюю часть самоиндукции на единицу длины проводника в форме бесконечного полого цилиндра (трубы) с внутренним радиусом $a$ и внешним – $b$, ток бежит однородно по сечению трубы.

Показать решение

Задача №229

Найти изменение индуктивности тонкого кольца радиуса $R$, на оси которого на расстоянии $h$ поместили шарик радиуса $a\ll h$ с магнитной проницаемостью $\mu$.

Показать решение

Задача №184

Найти взаимную индуктивность (коэффициент взаимоиндукции) двух плоских витков произвольной формы, помещенных на плоскую границу раздела двух магнетиков с проницаемостями $\mu_1$ и $\mu_2$, если в вакууме она была равна $L_{12}$.

Показать решение

Задача №183

На длинный короткозамкнутый сверхпроводящий соленоид, состоящий из $N$ витков, надет проволочный виток. Размер витка много меньше расстояний до торцов соленоида. По витку пустили постоянный ток $I$. Какой ток потечет по обмотке соленоида? Изначально в соленоиде и в витке токов не было.

Показать решение

Задача №161

Квадратная сверхпроводящая тонкая рамка со стороной $a$ находится во внешнем однородном магнитном поле $\vec{B}_0$, направленном перпендикулярно ее поверхности. Рамке придали форму окружности. Определите величину тока, возникшего в рамке, если известно, что индуктивность кругового витка равна $L$, а начальный ток был равен нулю.

Показать решение

Задача №122

Найти индуктивность на единицу длины коаксиального кабеля (радиус жилы $a$, радиус оплетки $b$) при сильном скин-эффекте.

Показать решение

Задача №121

Катушка длиной $l$ имеет $2N$ витков. Все витки охватывают цилиндры, нечетные – сечением $S_{1} $, а четные – $S_{2}$. Второй цилиндр касается первого изнутри $(l>>\sqrt {S_{1} })$. Найти индуктивность такой катушки.

Показать решение

Задача №120

Найти взаимную индуктивность двух тонких одинаковых параллельных соленоидов длиной $l$, плотностью намотки $n$, сечением $S$, расположенных на расстоянии $a$ друг от друга ($a,l\gg\sqrt S)$.

Показать решение

Задача №116

На какую величину $\Delta L$ изменится индуктивность тонкого кругового витка радиуса $a$, если на большом расстоянии $h\, (h\gg a)$ от его центра О поместить сверхпроводящую плоскость так, что угол между ней и плоскостью кольца равен $\theta$? Указать явно, увеличится или уменьшится индуктивность.

Показать решение

Задача №115

Два соосных сверхпроводящих витка занимают начальное положение в плоскости $z=0$, имея токи $J_{10}\neq 0$ и $J_{20}=0$ соответственно. Радиусы витков $r_{1}$ и $r_{2}\ll r_{1}$, индуктивности $L_{1}$ и $L_{2}$. Малый виток перемещают вдоль оси $z$, как показано на рисунке.
1. Считая коэффициент взаимной индукции известной функцией $L_{12}\left( z^{\ast } \right)$, найти значение токов $J_{10}(z^{\ast })$ и $J_{20}(z^{\ast })$ в зависимости от координаты $z^*$ малого витка (3 б).
2. Вычислить функцию $L_{12}(z^{\ast })$ (2 б).

Показать решение

Задача №108

В неподвижном кольце радиуса $b$ поддерживается постоянный ток $I_{\mathrm{0}}$. Идеально проводящее кольцо радиуса $a\ll b$ с индуктивностью $L$ занимает положение, характеризуемое координатой $z$. В положении $z=0$ ток в кольце равнялся нулю. Найти:
а) магнитное поле на оси $z$, т. е. $\vec{B}(z)$, создаваемое током $I_{\mathrm{0}}$ в кольце радиуса $b$ (1 б);
б) ток в малом кольце $I_{a}(z)$ в зависимости от его положения (2 б);
в) силу $\vec{F}(z)$, действующую на это кольцо (1 б);
г)  работу, которую необходимо совершить, чтобы перенести кольцо из положения $z=0$ до $z=\infty $ (1 б).

Показать решение

Задача №104

Тонкое проводящее кольцо, обладающее в вакууме индуктивностью $L_0$, поместили в магнетик. Магнетик состоит из трех областей, границы между которыми образуют три двугранных угла $\alpha_1, \alpha_2, \alpha_3$ ($\alpha_1+\alpha_2+\alpha_3=2\pi$), исходящих из общей прямой, совпадающей с осью кольца. Магнитные проницаемости в каждой области равны $\mu_1, \mu_2, \mu_3$ соответственно. Найти индуктивность $L$ кольца с учетом среды.

Показать решение