![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Электромагнетизм
§ 3.1. Преобразование механической энергии в электрическую.
Рис.3-1. Схема простейшего генератора.
1 – проводник; 2 – токоведущие пластины. Заставим проводник (1) под действие внешней силы (груз G) двигаться в магнитном поле перпендикулярно силовым линиям магнитной индукции (В). Тогда, согласно явлению электромагнитной индукции на концах проводника будет индуктироваться ЭДС
где l – активная длина проводника; υ – скорость движения проводника. Направление индуктированной ЭДС определяем по правилу правой руки. Подключим к проводнику через пластины 2 нагрузку в виде сопротивления R, тогда согласно законам Ома для всей цепи
где I – величина тока, определяемая значением индуктируемой ЭДС; R и R0 – сопротивления, в которых расходуется энергия, образовавшаяся в результате преобразования механической энергии в электрическую. Покажем процесс преобразования механической энергии в электрическую и какое между ними соотношение. Для этого умножим левую и правую часть выражения (3) на силу тока I, тогда
где F – электромагнитная сила, действующая на проводник с током, помещенным в магнитном поле. Причина возникновения силы заключается в следующем: при подключении нагрузки к проводнику, на концах которого индуктируется ЭДС, цепь окажется замкнутой и в цепи появится ток, а значит, на проводник с током будет действовать электромагнитная сила. Причем направление этой силы, найденное по правилу левой руки, противоположно движущей и называется тормозной. Поэтому
где Fυ – механическая мощность, которая развивается при движении груза; I2R – электрическая мощность, потребляемая в нагрузке; I2R0 – мощность потерь в проводнике. Таким образом, процесс преобразования механической энергии в электрическую связан: 1. с наведение ЭДС; 2. с появлением тормозной силы, действующей на проводник с током, в котором индуктируется ЭДС.
Принцип работы электрического генератора.
При движении провода (рис.3-2) в направлении вектора скорости υ в плоскости, перпендикулярной магнитным линиям, в нем наводится э. д. е. Е, Под действием ее в замкнутой цепи с сопротивлением R проходит ток I. На провод с током в магнитном поле действует электромагнитная сила F=BlI, направление которой, найденное по правилу левой руки, противоположно направлению вектора скорости, следовательно, она является тормозной. Рис.3-2. Принцип работы электрического генератора.
Очевидно, для движения провода необходима внешняя сила, равная по величине и противоположная по направлению тормозной силе, т. е. необходим первичный двигатель, развивающий механическую мощность,
Таким образом, полученная проводником механическая энергия при движении его в магнитном поле преобразуется в электрическую, а движущийся под действием механической силы провод в магнитном поле можно рассматривать как простейший электрический генератор. Э. д. с. генератора
следовательно, механическая мощность равна электрической мощности Р, состоящей из мощности приемника энергии Pn=UI, и мощности потерь в генераторе P0=I2r0.
§ 3.2. Преобразование электрической энергии в механическую.
К проводнику длиной l, помещенному в магнитное поле, приложено напряжение источника U и в цепи существует ток I. На проводник действует электромагнитная сила
Рис.3-3.
Направление индуктируемой ЭДС найдем по правилу правой руки противоположно току, протекающему в проводнике, т.е. противоположно напряжению, приложенному к проводнику. Тогда, по второму закону Кирхгофа для этой цепи следует:
где R0 – сопротивление проводника. Отсюда, ток в цепи
Умножим уравнение
т.е.
где Таким образом, преобразование электрической энергии в механическую связано: 1. с появлением механической энергии (в данном случае проводник поднимает груз); 2. с возникновением противо ЭДС. Т.к. ЭДС направлена навстречу действия источника питания, она называется противо ЭДС.
Принцип работы электродвигателя.
Если по проводу длиной 1, расположенному в однородном поле перпендикулярно магнитным линиям, проходит ток I от источника С напряжением U, то на него действует электромагнитная сила F=BlI, направление, которой определяется по правилу левой руки. Под действием этой силы провод будет двигаться со скоростью υ, совершая механическую работу, и в нем будет индуктироваться э. д. с., направление которой, найденное по правилу правой руки, противоположно току. Величина встречной э. д. с.
Если сопротивление провода r0, то по второму закону Кирхгофа можно написать: или
откуда ток в цени
Умножив уравнение на ток, найдем электрическую мощность
Произведение I2r— это мощность тепловых потерь в проводе, а Fυ — механическая мощность. Рис.3-4. Принцип работы электродвигателя.
Таким образом, полученная проводом электрическая энергия при движении его в магнитном поле преобразуется в механическую, а процесс преобразования энергии связан с наведением противо-э. д. с. Проводник, движущийся магнитном поле, можно рассматривать как простейший электродвигатель
§ 3.3. Характеристики магнитного поля.
Магнитное поле – одна из двух сторон электромагнитного поля, характеризующаяся воздействием на электрически заряженную частицу с силой, пропорциональной заряду частицы и ее скорости. Магнитное поле изображается силовыми линиями, касательные к которым совпадают с ориентацией магнитных стрелок, внесенных в поле. Таким образом, магнитные стрелки как бы являются пробными элементами для магнитного поля. За положительное направление магнитного поля условно принимают направление северного полюса магнитной стрелки. Вокруг проводника, в котором существует ток, всегда имеется магнитное поле, и, наоборот, в замкнутом проводнике, движущемся в магнитном поле, возникает ток. Магнитная индукция В – векторная величина, характеризующая магнитное поле и определяющая силу, действующую на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля. Эта характеристика является основной характеристикой магнитного поля, т.к. определяет электромагнитную силу, а также ЭДС индукции в проводнике, перемещающемся в магнитном поле. Единицей магнитной индукции является вебер, деленный на квадратный метр, или тесла (Тл): [В]=1Вб/1м2=1Тл. Абсолютная магнитная проницаемость среды μ а – величина, являющаяся коэффициентом, отражающим магнитные свойства среды:
где μ 0=4π *107 (Ом*с)/м – магнитная постоянная, характеризующая магнитные свойства вакуума. Единицу Ом-секунда (Ом*с) называют генри (Гн). Таким образом, [μ ]=Гн/м. Величину μ r называют относительной магнитной проницаемость. среды. Она показывает во сколько раз индукция поля, созданного током в данной среде, больше или меньше, чем в вакууме, и является безразмерной величиной. Напряженность магнитного поля Н – векторная величина, которая не зависит от свойств среды и определяется только токами в проводниках, создающими магнитное поле. Направление вектора Н (рис.3-5) для изотропных сред совпадает с вектором В и определяется касательной, проведенной в данной точке поля (точка А) и соловой линии. Напряженность связана с магнитной индукцией соотношением
Единица напряженности магнитного поля – ампер на метр [H]=1А/1м.
Рис.3-5.
Магнитный поток Ф – поток магнитной индукции. На рис.3-6 показано однородное магнитное поле, пересекающее площадку S. Магнитный поток Ф через площадку S в однородном магнитном поле равен произведению нормальной составляющей вектора индукции Вn на площадь S площадки:
Рис.3-6. § 3.4. Проводник с током в магнитном поле.
На проводник с током, находящимся в магнитном поле, действует сила. Т.к., ток в металлическом проводнике обусловлен движением электронов, то силу, действующую на проводник, можно рассматривать как сумму сил, действующих на все электроны проводника длиной l. В результате получаем соотношение
где Направление силы определяется по правилу левой руки: левую руку нужно расположить так, что бы магнитное поле входило в ладонь, вытянутые 4 пальца располагаются по направлению тока; тогда, отогнутый под прямым углом большой палец покажет направление силы.
§ 3.5. Закон электромагнитной индукции.
Суть закона электромагнитной индукции, открытым английским физиком Фарадеем, заключается в следующем: всякое изменение магнитного поля, в котором помещен проводник произвольной формы, вызывает в последнем появление ЭДС электромагнитной индукции. Направление ЭДС определяется по правилу правой руки: правую руку располагают так, что бы магнитные линии входили в ладонь, отогнутый под прямым углом большой палец совмещают с направлением скорости; тогда вытянутые 4 пальца покажут направление ЭДС.
§ 3.6. Вихревые токи.
В сердечнике катушки или трансформатора за счет явления взаимоиндукции возникает кольцевой ток, который называется вихревым. Протекание вихревых токов в сердечнике вызывает большие тепловые потери. Для уменьшения этих потерь ферромагнитные сердечники набирают из тонких, изолированных друг от друга, листов электротехнической стали с повышенным удельным электрическим сопротивлением. В том случае, когда переменное магнитное поле, созданное током одной катушки, пересекает витки другой катушки, и, наоборот, на зажимах последней катушки возникает ЭДС взаимоиндукции. Контрольные вопросы: 1. Принцип преобразования механической энергии в электрическую? 2. Как рассчитать электромагнитную силу? 3. Принцип работы электрического генератора. 4. Принцип преобразования электрической энергии в механическую. 5. С чем связано преобразование электрической энергии в механическую? 6. Принцип работы электродвигателя. 7. Как рассчитывается мощность электродвигателя? 8. Что такое магнитное поле? 9. Характеристики магнитного поля. 10. Как ведут себя проводники с током в магнитном поле? 11. Закон электромагнитной индукции. 12. Что такое вихревые токи? ГЛАВА 4
|