Αυτεπαγωγή είναι η ιδιότητα των παθητικών ηλεκτρικών στοιχείων να εμφανίζουν στα άκρα τους ηλεκτρική τάση λόγω
ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής (νόμος του Faraday) όταν μεταβάλλεται η ένταση του ρεύματος που διέρχεται μέσα από
αυτά.
Η αυτεπαγωγή εξαρτάται από τα γεωμετρικά και φυσικά χαρακτηριστικά του κυκλωματικού στοιχείου (αριθμός
σπειρών, διατομή, ύπαρξη μαγνητικού υλικού). Η τάση λόγω αυτεπαγωγής έχει τέτοια πολικότητα ώστε να εμποδίζει
την μεταβολή του ρεύματος που την δημιούργησε (κανόνας του Lenz).
Έτσι, στο κύκλωμα του αντικειμένου, όταν κλείνουμε τον διακόπτη, ξαφνικά η πηγή τάσης προκαλεί τη ροή ρεύματος μέσα από το πηνίο.
Το πηνίο αντιδρά σε αυτή την ξαφνική παρουσία ρεύματος και προσπαθεί να το περιορίσει δημιουργώντας μία τάση (λόγω επαγωγής) με αντίθετη πολικότητα.
Το αποτέλεσμα είναι το πηνίο να καθυστερεί την τελική αποκατάσταση του ρεύματος στο κύκλωμα ("φόρτιση πηνίου"). Το ίδιο
συμβαίνει και όταν ανοίγουμε τον διακόπτη. Το άνοιγμα αυτό τείνει να μηδενίσει την ένταση του ρεύματος που περνά από το πηνίο. Το πηνίο και πάλι αντιδρά,
και με μία τάση λόγω αυτεπαγωγής προσπαθεί να το διατηρήσει. Το αποτέλεσμα τελικά είναι, ο μηδενισμός του ρεύματος να μην είναι άμεσος, αλλά να μεσολαβεί
χρονικό διάστημα ("εκφόρτιση πηνίου").
Έτσι, πολύ συχνά, τα κυκλωματικά στοιχεία που
έχουν αυτεπαγωγή αντιμετωπίζονται κατά την ανάλυση κυκλωμάτων ως αντιστάσεις.
Η αυτεπαγωγή μπορεί να έχει
επικίνδυνα αποτελέσματα όπως εμφάνιση υπερτάσεων με κίνδυνο ηλεκτροπληξίας, ανεπιθύμητα μεταβατικά φαινόμενα σε
γραμμές μεταφοράς αλλά μπορεί να αξιοποιηθεί και θετικά στην υλοποίηση ηλεκτρικών φίλτρων, σε παλμοτροφοδοτικά,
στην κατάπνιξη ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών, στην κατασκευή μετασχηματιστών κ.α.
Στο κύκλωμα του αντικειμένου θεωρούμε ότι ο λαμπτήρας έχει ωμική αντίσταση 240Ω.
Χρησιμοποιώντας την ένδειξη του αμπερομέτρου που μετρά την ένταση I2, εφαρμόστε τον β' κανόνα του Κίρκωφ στον βρόχο ΑΒΓΔΑ του κυκλώματος, για να βρείτε την τάση στα άκρα του πηνίου στο τέλος της "φόρτισης" οπότε η ένταση του ρεύματος έχει σταθεροποιηθεί (κατάσταση μόνιμης λειτoυργίας DC). Για ποιο λόγο λέμε ότι το πηνίο συμπεριφέρεται σαν βραχυκύκλωμα στη μόνιμη κατάσταση; Πόσο μεγάλη ή πόσο μικρή είναι η αντίσταση ενός πηνίου στο DC; Στην αντίθετη περίπτωση των υψηλών συχνοτήτων, πώς συμπεριφέρεται το πηνίο; Τι είναι το ηλεκτρονικό φίλτρο και πώς αξιοποιεί αυτή τη διττή συμπεριφορά των πηνίων; Αναζητήστε πληροφορίες στο διαδίκτυο με τους όρους "εφαρμογές πηνίων", ή "ηλεκτρονικό φίλτρο" πχ. στη βικιπαίδεια http://el.wikipedia.org/wiki/Πηνίο, στην ενότητα "Εφαρμογές των πηνίων" και http://el.wikipedia.org/wiki/Ηλεκτρονικό_φίλτρο
Λαμβάνοντας υπόψιν ότι ο λαμπτήρας έχει ωμική αντίσταση 240Ω, και ότι η ένταση του ρεύματος που καταγράφεται από το αμπερόμετρο στον κλάδο ΔΓ όταν ξεκινά η εκφόρτιση είναι ίδια με την ένταση στο τέλος της φόρτισης, εφαρμόστε τον β' κανόνα του Κίρκωφ στον βρόχο ΔΓΕΖΔ του κυκλώματος, για να βρείτε την τάση στα άκρα του πηνίου τη στιγμή που ανοίγει ο διακόπτης, όταν έχει προηγηθεί πλήρης «φόρτιση» με U=80V, R2=50Ω και L=60H. Είναι η τάση αυτή επικίνδυνη για τον άνθρωπο ή για τον ηλεκτρολογική/ηλεκτρονική συσκευή; Για ποιο λόγο, το εσωτερικό των μετασχηματιστών πληρούται με εξαφθοριούχο θείο(SF6);
Εφαρμόστε τον κανόνα του Lenz για να βρείτε την πολικότητα της αυτεπαγωγικής τάσης :α) στην φόρτιση και β) στην εκφόρτιση. Ποια είναι η φορά της έντασης του ρεύματος κατά την εκφόρτιση;
Παρατηρήστε ότι όταν ο διακόπτης είναι κλειστός, η ένταση του ρεύματος Ι2 στο τέλος της "φόρτισης" όπως καταγράφεται από το αμπερόμετρο, δεν επηρεάζεται από τις διάφορες τιμές της αυτεπαγωγής L. Με βάση και την εφαρμογή 2, γιατί συμβαίνει αυτό; Με ποιο μαθηματικό τύπο/νόμο προσδιορίζεται η ένταση αυτή;
Κατά τη διάρκεια της φόρτισης, από ποιους παράγοντες επηρεάζεται η ένταση του ρεύματος που διέρχεται από τον λαμπτήρα; Με ποιο μαθηματικό τύπο/νόμο προσδιορίζεται η τιμή της ένταση αυτής;
Παρατηρήστε ότι για κάποιες τιμές της τάσης της πηγής, όπως V=50V ενώ το αμπερόμετρο στον κλάδο ΕΖ καταγράφει μη μηδενική ένταση ρεύματος, ο λαμπτήρας δεν ανάβει. Γιατί συμβαίνει αυτό; Από ποια ένταση του ρεύματος αυτού και πάνω, ο λαμπτήρας ανάβει;
Με βάση και την προηγούμενη Διερεύνηση 3, παρατηρήστε ότι με τον διακόπτη κλειστό, για τάση πηγής V=40V, R2=24Ω και L=50H, ο λαμπτήρας είναι σβηστός. Γιατί ο λαμπτήρας ανάβει όταν ανοίξουμε τον διακόπτη; Γιατί η φωτοβολία αυτή διαρκεί λίγο χρόνο; Εφόσον η μπαταρία συνεχούς τάσης είναι εκτός του κυκλώματος, από πού προέρχεται η ενέργεια που ανάβει τον λαμπτήρα; Που ήταν αποθηκευμένη;
Ο χρόνος φόρτισης/εκφόρτισης ισούται κατά προσέγγιση με 5·L/R, όπου R η ωμική αντίσταση του κυκλώματος στο οποίο συμμετέχει το πηνίο. Δηλαδή ο χρόνος αυτός είναι ανάλογος με την αυτεπαγωγή και αντιστρόφως ανάλογος με τη συνολική αντίσταση. Με σταθερές τιμές για την τάση της πηγής και την αντίσταση R2, επιλέξτε διαφορετικές τιμές για την αυτεπαγωγή L και χρονομετρήστε τον χρόνο φόρτισης για να επαληθεύσετε ότι είναι ανάλογος του L. Για ποιο λόγο στο κύκλωμα του αντικειμένου η εκφόρτιση διαρκεί λιγότερο απ’ότι η φόρτιση;