Электромагнитная индукция в электротехнике

Электромагнитная индукция в электротехнике

Закон электромагнитной индукции. Рассмотрим проводник длиной /, который движется со скоростью v в магнитном поле (рис. 6.17). В проводнике имеются свободные электроны, которые вместе с проводником движутся в МП. МП воздействует на эти электроны с силой F, которая смещает электроны к концу 1 проводника. На другом конце 2 проводника будут концентрироваться положительные заряды (там возникает недостаток электронов).

В результате в проводнике возникает электродвижущая сила (ЭДС электромагнитной индукции е), а явление ее возникновения называется электромагнитной индукцией.

ЭДС определяется выражением е = Bvl sin а. Если скорость v перпендикулярна вектору В, то а =90° и в этом случае е = Bvl. Направление е можно определить по правилу правой руки: если магнитные силовые линии В входят в ладонь, а отогнутый большой палец расположен по направлению скорости V, то четыре вытянутые пальца ладони показывают направление е.

Рис. 6.17. ЭДС индукции в проводнике

Закон электромагнитной индукции был открыт английским физиком М. Фарадеем. Формулируется он следующим образом: любое изменение МП, в которое помещен проводник произвольной формы, вызывает в проводнике появление ЭДС электромагнитной индукции.

ЭДС индукции в контуре. Поместим в МП замкнутый контур — рамку из проводников, которая перемещается со скоростью V перпендикулярно линиям индукции (рис. 6.18). Если МП однородное (одинаковое во всех точках поля), то в проводниках 1 — 4 и 2 — 3 рамки будут индуцироваться одинаковые

ЭДС е, в проводниках 1 — 2 и 3 — 4 ЭДС появляться не будут, так как они не пересекают силовые линии поля. Суммарная ЭДС в контуре будет равна нулю.

Рис. 6.18. ЭДС индукции в рамке

При перемещении рамки в неоднородном МП в ней будет появляться ЭДС, которую рассчитывают по формуле е = —АФ/At (•), где АФ — изменение магнитного потока, пронизывающего контур за время At.

Изменение магнитного потока может происходить по различным причинам: из-за неоднородности МП при движении рамки; вследствие изменения потока во времени Ф = f(t); при деформации самой рамки.

Индуцированная в рамке ЭДС приводит к появлению в ней тока. Русский ученый Э.Х. Ленц первым сформулировал закон, который позволяет определить направление индуцированных ЭДС и тока. Этот закон называют законом Ленца. Формулируется он следующим образом: в замкнутом контуре, помещенном в МП, индуцируется ток такого направления, чтобы препятствовать изменению основного магнитного потока, пронизывающего контур.

Если магнитный поток, пронизывающий рамку, увеличивается, индуцируемый в рамке ток старается уменьшить основной поток, и наоборот, при уменьшении потока индуцируемый ток будет увеличивать общий поток. Об этом и говорит знак «минус» в формуле расчета ЭДС.

ЭДС самоиндукции и индуктивность катушки. Пропустим через катушку изменяющийся во времени электрический ток i (рис. 6.19). Этот ток будет создавать переменный магнитный поток и, следовательно, возникнет ЭДС, которая называется ЭДС самоиндукции eL. Для количественной оценки этой ЭДС вводят понятие потокоспепления . Хотя витки катушки пронизываются различным количеством силовых линий, можно определить ‘Р, как суммарный магнитный поток самоиндукции, создаваемый током катушки i: Ф11ъ. Фч> , где Ф]п> +. + Фм- — магнитные потоки самоиндукции от первого, второго, третьего и так далее витков катушки при протекании тока i.

Рис. 6.19. Магнитное поле катушки с током

В среде с постоянной магнитной проницаемостью существует линейная зависимость от i, т.е. ‘?=Li, где L — коэффициент пропорциональности, который называется индуктивностью катушки. Единицей индуктивности является генри (Гн).

Применяя формулу (•), получаем выражение для ЭДС самоиндукции где A4*? и Дi — изменения потокосцепления и тока за время Д/.

Так же, как и ЭДС е индукции, ЭДС самоиндукции eL подчиняется закону Ленца, т.е. препятствует изменению потока (тока) в катушке.

ЭДС взаимоиндукции. Рассмотрим случай, когда две катушки расположены рядом и по одной из них протекает ток /,, (рис. 6.20,а). Этот ток создает поток самоиндукции Фп, который полностью пронизывает катушку 1 и частично катушку 2. Поток Ф12, пронизывающий катушку 2, называется потоком взаимоиндукции. Сцепляясь с витками катушек w, и иг,, потоки образуют потокосцепления

Оба потокосцепления создаются одним током и в среде с постоянной магнитной проницаемостью будут ему пропорциональны, т.е. Ч*, = Ly и где Lx — индуктивность первой катушки, М12 — коэффициент пропорциональности, который называется взаимной индуктивностью. Единицей взаимной индуктивности является генри (Гн).

Читайте также:  Коврики пазлы для детей для ползания отзывы

Если при отсутствии тока в первой катушке во второй катушке пропустить ток /2, то возникнет поток самоиндукции второй катушки Ф22 и поток взаимоиндукции Ф2] (рис. 6.20, б). Потокосцепление взаимоиндукции Ч^ определяется выражением Ч , |2 = М12/,.

Рис 6.20. Магнитное поле индуктивно связанных катушек а — ток в катушке 1; б — ток в катушке 2

В среде без ферромагнетиков М12 = М2] = М. Взаимная индуктивность М зависит от размеров и расположения катушек, числа витков и магнитной среды.

Если ток /, будет изменяться во времени, то потокосцепления Ч’п и Ч’р тоже будут изменяться во времени. В обеих катушках будут появляться ЭДС индукции ел и е12, при этом ел называется ЭДС самоиндукции первой катушки, a ev — ЭДС взаимоиндукции (рис. 6.20). Они определяются следующими выражениями:

ЭДС взаимоиндукции образуется в любом замкнутом контуре, который пронизывается изменяющимся потоком. Так, сечение магнитопровода трансформатора можно рассматривать как контур, в котором ЭДС будет генерировать кольцевые токи. Эти токи называются вихревыми. Они вызывают потери в магнитопроводах различных устройств. Чтобы уменьшить вихревые токи маг- нитопроводы трансформаторов набирают из тонких листов электротехнической стали, изолированных друг от друга.

Возникновение в проводнике ЭДС индукции

Если поместить в магнитное поле проводник и перемещать его так, чтобы он при своем движении пересекал силовые линии поля, то в проводнике возникнет электродвижущая сила , называемая ЭДС индукции .

ЭДС индукции возникнет в проводнике и в том случае, если сам проводник останется неподвижным, а перемещаться будет магнитное поле, пересекая проводник своими силовыми линиями.

Если проводник, в котором наводится ЭДС индукции, замкнуть на какую-либо внешнюю цепь, то под действием этой ЭДС по цепи потечет ток, называемый индукционным током.

Явление индуктирования ЭДС в проводнике при пересечении его силовыми линиями магнитного поля называется электромагнитной индукцией .

Электромагнитная индукция — это обратный процесс, т. е. превращение механической энергии в электрическую.

Явление электромагнитной индукции нашло широчайшее применение в электротехнике. На использовании его основано устройство различных электрических машин.

Величина и направление ЭДС индукции

Рассмотрим теперь, каковы будут величина и направление индуктированной в проводнике ЭДС.

Величина ЭДС индукции зависит от количества силовых линий поля, пересекающих проводник в единицу времени, т. е. от скорости движения проводника в поле.

Величина индуктированной ЭДС находится в прямой зависимости от скорости движения проводника в магнитном поле.

Величина индуктированной ЭДС зависит также и от длины той части проводника, которая пересекается силовыми линиями поля. Чем большая часть проводника пересекается силовыми линиями поля, тем большая ЭДС индуктируется в проводнике. И, наконец, чем сильнее магнитное поле, т. е. чем больше его индукция, тем большая ЭДС возникает в проводнике, пересекающем это поле.

Итак, величина ЭДС индукции, возникающей в проводнике при его движении в магнитном поле, прямо пропорциональна индукции магнитного поля, длине проводника и скорости его перемещения.

Зависимость эта выражается формулой Е = Blv,

где Е — ЭДС индукции; В — магнитная индукция; I — длина проводника; v — скорость движения проводника.

Следует твердо помнить, что в проводнике, перемещающемся в магнитном поле, ЭДС индукции возникает только в том случае, если этот проводник пересекается магнитными силовыми линиями поля. Если же проводник перемещается вдоль силовых линий поля, т. е. не пересекает, а как бы скользит по ним, то никакой ЭДС в нем не индуктируется. Поэтому приведенная выше формула справедлива только в том случае, когда проводник перемещается перпендикулярно магнитным силовым линиям поля.

Направление индуктированной ЭДС (а также и тока в проводнике) зависит от того, в какую сторону движется проводник. Для определения направления индуктированной ЭДС существует правило правой руки.

Если держать ладонь правой руки так, чтобы в нее входили магнитные силовые линии поля, а отогнутый большой палец указывал бы направление движения проводника, то вытянутые четыре пальца укажут направление действия индуктированной ЭДС и направление тока в проводнике.

Правило правой руки

Читайте также:  Нагреватель воды накопительный 15 литров аристон цена

ЭДС индукции в катушке

Мы уже говорили, что для создания в проводнике ЭДС индукции необходимо перемещать в магнитном поле или сам проводник, или магнитное поле. В том и другом случае проводник должен пересекаться магнитными силовыми линиями поля, иначе ЭДС индуктироваться не будет. Индуктированную ЭДС, а следовательно, и индукционный ток можно получить не только в прямолинейном проводнике, но и в проводнике, свитом в катушку.

При движении внутри катушки постоянного магнита в ней индуктируется ЭДС за счет того, что магнитный поток магнита пересекает витки катушки, т. е. точно так же, как это было при движении прямолинейного проводника в поле магнита.

Если магнит опускать в катушку медленно, то возникающая в ней ЭДС будет настолько мала, что стрелка прибора может даже не отклониться. Если же, наоборот, магнит быстро ввести в катушку, то отклонение стрелки будет большим. Значит, величина индуктируемой ЭДС, а следовательно, и сила тока в катушке зависят от скорости движения магнита, т. е. от того, насколько быстро силовые линии поля пересекают витки катушки. Если теперь поочередно вводить в катушку с одинаковой скоростью сначала сильный магнит, а затем слабый, то можно заметить, что при сильном магните стрелка прибора будет отклоняться на больший угол. Значит, величина индуктируемой ЭДС, а следовательно, и сила тока в катушке зависят от величины магнитного потока магнита.

И, наконец, если вводить с одинаковой скоростью один и тот же магнит сначала в катушку с большим числом витков, а затем со значительно меньшим, то в первом случае стрелка прибора отклонится на больший угол, чем во втором. Значит, величина индуктируемой ЭДС, а следовательно, и сила тока в катушке зависят от числа ее витков. Те же результаты можно получить, если вместо постоянного магнита применять электромагнит.

Направление ЭДС индукции в катушке зависит от направления перемещения магнита. О том, как определять направление ЭДС индукции, говорит закон, установленный Э. X. Ленцем.

Закон Ленца для электромагнитной индукции

Всякое изменение магнитного потока внутри катушки сопровождается возникновением в ней ЭДС индукции, причем чем быстрее изменяется магнитный поток, пронизывающий катушку, тем большая ЭДС в ней индуктируется.

Если катушка, в которой создана ЭДС индукции, замкнута на внешнюю цепь, то по виткам ее идет индукционный ток, создающий вокруг проводника магнитное поле, в силу чего катушка превращается в соленоид. Получается таким образом, что изменяющееся внешнее магнитное поле вызывает в катушке индукционный ток, которой, в свою очередь, создает вокруг катушки свое магнитное поле — поле тока.

Изучая это явление, Э. X. Ленц установил закон, определяющий направление индукционного тока в катушке, а следовательно, и направление ЭДС индукции. ЭДС индукции, возникающая в катушке при изменении в ней магнитного потока, создает в катушке ток такого направления, при котором магнитный поток катушки, созданный этим током, препятствует изменению постороннего магнитного потока.

Закон Ленца справедлив для всех случаев индуктирования тока в проводниках, независимо от формы проводников и от того, каким способом достигается изменение внешнего магнитного поля.

При движении постоянного магнита относительно проволочной катушки, присоединенной к клеммам гальванометра, или при движении катушки относительно магнита возникает индукционный ток.

Индукционные токи в массивных проводниках

Изменяющийся магнитный поток способен индуктировать ЭДС не только в витках катушки, но и в массивных металлических проводниках. Пронизывая толщу массивного проводника, магнитный поток индуктирует в нем ЭДС, создающую индукционные токи. Эти так называемые вихревые токи распространяются по массивному проводнику и накоротко замыкаются в нем.

Сердечники трансформаторов, магнитопроводы различных электрических машин и аппаратов представляют собой как раз те массивные проводники, которые нагреваются возникающими в них индукционными токами. Явление это нежелательно, поэтому для уменьшения величины индукционных токов части электрических машин и сердечники трансформаторов делают не массивными, а состоящими из тонких листов, изолированных один от другого бумагой или слоем изоляционного лака. Благодаря этому преграждается путь распространения вихревых токов по массе проводника.

Но иногда на практике вихревые токи используются и как токи полезные. На использовании этих токов основана, например, работа индукционных нагревательных печей, счетчиков электрической энергии и так называемых магнитных успокоителей подвижных частей электроизмерительных приборов.

Читайте также:  Кукольные вещи из бумаги

Электромагнитная индукция— явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него.

Электродвижущая сила, возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром.

Величина электродвижущей силы (ЭДС) не зависит от того, что является причиной изменения потока — изменение самого магнитного поля или движение контура (или его части) в магнитном поле.

Электрический ток, вызванный этой ЭДС, называется индукционным током.

Если поместить в магнитное поле проводник и перемещать его так, чтобы он при своем движении пересекал силовые линии поля, то в проводнике возникнет электродвижущая сила, называемая ЭДС индукции. ЭДС индукции возникнет в проводнике и в том случае, если сам проводник останется неподвижным, а перемещаться будет магнитное поле, пересекая проводник своими силовыми линиями. Если проводник, в котором наводится ЭДС индукции, замкнуть на какую-либо внешнюю цепь, то под действием этой ЭДС по цепи потечет ток, называемый индукционным током. Явление индуктирования ЭДС в проводнике при пересечении его силовыми линиями магнитного поля называется электромагнитной индукцией.

Индукционный ток в катушке из металлической проволоки возникает при вдвигании магнита внутрь катушки и при выдвигании магнита из катушки (рис. 192),

а также при изменении силы тока во второй катушке, магнитное поле которой пронизывает первую катушку (рис. 193).

Явление возникновения электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменениях магнитного поля, пронизывающего контур, называется электромагнитной индукцией.
Передача электромагнитных волн на расстояние

Первая догадка, которая осенила мозг ученого, не увенчалась практическим успехом.

Он расположил рядом два замкнутых проводника. Около одного установил магнитную стрелку в качестве индикатора проходящего тока, а в другой провод подал импульс от мощного гальванического источника того времени: вольтова столба.

Исследователь предполагал, что при импульсе тока в первом контуре изменяющееся в нем магнитное поле наведет во втором проводнике ток, который отклонит магнитную стрелку. Но, результат оказался отрицательным — индикатор не сработал. Вернее, ему не хватило чувствительности.

Мозг ученого предвидел создание и передачу электромагнитных волн на расстояние, которые сейчас используются в радиовещании, телевидении, беспроводном управлении, Wi-Fi технологиях и подобных устройствах. Его просто подвела несовершенная элементная база измерительных устройств того времени.

Производство электроэнергии

После проведения неудачного опыта MichaelFaraday видоизменил условия эксперимента.

Для опыта Фарадей использовал две катушки с замкнутыми контурами. В первый контур он подавал электрический ток от источника, а во втором наблюдал за появлением ЭДС. Проходящий по виткам обмотки №1 ток создавал вокруг катушки магнитный поток, пронизывающий обмотку №2 и образовывающий в ней электродвижущую силу.

Во время эксперимента Фарадей:

· включал импульсом подачу напряжения в цепь при неподвижных катушках;

· при поданном токе вводил в нижнюю катушку верхнюю;

· закреплял стационарно обмотку №1 и вводил в нее обмотку №2;

· изменял скорость перемещения катушек относительно друг друга.

Во всех этих случаях он наблюдал проявление ЭДС индукции во второй катушке. И лишь при прохождении постоянного тока по обмотке №1 и неподвижных катушках наведения электродвижущей силы не было.

Ученый определил, что наводимая во второй катушке ЭДС зависит от скорости, с которой меняется магнитный поток. Она пропорциональна его величине.

Эта же закономерность полностью проявляется при прохождении замкнутого витка сквозьсиловые магнитные линии поля постоянного магнита. Под действием ЭДС в проводе образуется электрический ток.

Магнитный поток в рассматриваемом случае изменяется в контуре Sк, созданном замкнутой цепью.

Таким способом созданная Фарадеем разработка позволила поместить в магнитное поле вращающуюся токопроводящую рамку.

Ее затем сделали из большого количества витков, закрепили в подшипниках вращения. По концам обмотки вмонтировали токосъемные кольца и щетки, скользящие по ним, а через выводы на корпусе подключили нагрузку. Получился современный генератор переменного тока.

Его более простая конструкция создалась тогда, когда обмотку закрепили на стационарном корпусе, а вращать стали магнитную систему. В этом случае способ образования токов за счетэлектромагнитной индукции никак не нарушался.

Дата добавления: 2018-08-06 ; просмотров: 475 ;

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector