Лекция №10
Скачать 356.12 Kb.
|
| Лекция № 10 Электромагнитная индукция Магнитный поток. Закон электромагнитной индукции. ЭДС в движущемся проводнике. Правило Ленца. Трансформатор. Индуктивность. Энергия магнитного поля. Колебательный контур. Свободные электромагнитные колебания. Переменный ток. Уравнения Максвелла. Шкала электромагнитных волн. Их классификация. Открытие закон электромагнитной индукции позволило совершить колоссальный рывок в развитии цивилизации. За этим открытием последовало создание трансформаторов, электродвигателей и генераторов переменного тока. Следующим шагом стало создание беспроводной передачи информации, теле и радио связи. Нам трудно представить состояние нынешнего мира без этих достижений. ^ Трудно представить, как бы выглядела наша цивилизация без открытия Фарадеем его гениального закона. Ведь именно благодаря ему физики создали генератор переменного тока, электродвигатель и трансформатор. Это позволило опутать проводами всю планету и обеспечит почти все население планеты электричеством. Более того, люди научились повышать и понижать напряжение, для того, чтобы не оставлять большую часть электроэнергии в проводах. При этом потребитель использует в своих целях достаточно безопасное невысокое напряжение. Электродвигатели позволили обеспечить передвижение на городском (трамваи, троллейбусы, метро) и железнодорожном (электрички и поезда дальнего следования) транспорте. Электродвигатель – основной элемент большого количества бытовых приборов (пылесос, фен, электробритва, вентилятор, в том силе и в компьютере и многое другое). В двадцатых годах девятнадцатого века было установлено, как уже отмечалось, что электрический ток создает магнитное поле, а со стороны электромагнитного поля на движущиеся заряды действует сила. Вполне логичным стал вопрос о возможности с помощью магнитного поля получить электрический ток. Учеными было сделано много попыток с помощью магнитного поля возбудить ток в контуре. Эта задача была решена Майклом Фарадеем1, открывшим 1831 году явление электромагнитной индукции. Связь магнитного поля с током открыла огромные перспективы. С помощью установки, изображенной на рис. 10.1, Фарадей провел ряд экспериментов для получения электрического тока с помощью магнитного поля. Катушка Х соединена с источником постоянного тока. Ток в катушке создает магнитное поле, которое усиливается железным сердечником. Фарадей предположил, что при достаточной мощности батареи поле, создаваемое в катушке Х, будет способно возбудить ток в катушке Y. Но опыты с постоянным током результатов не дали. К открытию привела наблюдательность Фарадея, заметившего, что стрелка гальванометра катушки Y сильно отклоняется лишь в момент замыкания и размыкания цепи. Причем стрелка отклоняется в разные стороны. При быстром внесении или выводе магнита из катушки, подключенной к гальванометру, также происходит отклонение стрелки (рис. 10.1). Причем стрелка отклоняется в разных направлениях. Более того, если магнит неподвижен, а катушку приближать или удалять от него, то в витке потечет ток. То есть, важным является именно относительное движение катушки и магнита. а)  б)  Рис. 10.2. Опыты Фарадея: первый (а) и последующие (б). Фарадей сделал вывод, что стационарное магнитное поле тока не создает, а при изменении магнитного поля появляется индукционный ток. Его возникновение указывает на наличие в цепи электродвижущей силы электромагнитной индукции или ЭДС индукции. Явление возникновения электрического тока в проводнике при изменении магнитного потока в нем носит название электромагнитной индукции. Направление индукционного тока определяется с помощью правила Ленца: индукционный ток в контуре имеет всегда такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот индукционный ток.  ^ Таким образом, результатом исследований Фарадея стал закон электромагнитной индукции: ЭДС электромагнитной индукции в контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром.  (10.1.1)В системе СИ, возникающая при изменении магнитного потока, электродвижущая сила имеет размерность: [i] =  .Знак минус в этом выражении отражает правило Ленца: при возрастании магнитного потока (  0), ЭДС в контуре убывает ( 0) и, наоборот, при убывании магнитного потока (<0) >0.Как видно из формулы (10.1.1) ЭДС индукции пропорциональна изменению не просто магнитного поля, а изменению магнитного потока, который описывается выражением:  .Магнитный поток измеряется в единицах вебер: 1Вб=1Тлм2=  . По смыслу магнитный поток можно изменять тремя способами: либо изменять магнитную индукцию, либо площадь, которую пронизывает магнитный поток, либо одновременно изменять и площадь, и магнитное поле. Когда магнитное поле постоянно магнитный поток описывается выражением:  ,где θ – угол между нормалью к площадке, через которую проходит магнитный поток и его направлением. Примером служит вращение витка с током в магнитном поле, причем величина магнитного поля пропорциональна току. Во втором случае меняется магнитное поле пропорционально изменению тока в витке с током. Изменение магнитного потока приводит к возникновению в витке вихревого электрического поля. Это происходит, например, при прохождении переменного электрического тока по виткам трансформатора. Закон Фарадея универсален: значение индукционного тока не зависит от способа изменения потока магнитной индукции, а определяется лишь скоростью его изменения. ^ Чтобы разобраться в природе возникновения ЭДС индукции, рассмотрим опыт с движущимся проводником. Поместим П-образный проводник и лежащий на нем подвижный проводящий стержень в однородное магнитное поле  как показано на рис.10.4 (линии магнитной индукции направлены перпендикулярно к плоскости проводника к читателю). За время dt площадь контура увеличивается на dS = LVdt, где V – скорость движения стержня.Согласно закону Фарадея получим:  . (10.2.1)Соотношение (10.2.1) получено при условии  , то есть, когда выполняется правило левой руки. Рис. 10.4. Движение проводника в магнитном поле. С другой стороны на заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле, действует сила Лоренца. Так как стержень движется в магнитном поле  , то на каждую его частицу действует сила Лоренца: . (10.2.2)Если бы стержень не находился в контакте с проводником, то разноименные заряды скапливались бы в противоположных концах стержня. При скольжении подвижного стержня по П-образному проводнику, контур оказывается замкнутым, и через него от плюса к минусу потечет ток. Работа по перемещению заряда из одного конца стержня в другой составляет:  . (10.2.3)А разность потенциалов  , это отношение работы по перемещению заряда вдоль стержня, к величине заряда q: . (10.2.4)Из полученного выражения (10.2.4) видно, что ЭДС имеет магнитную природу, так как вычисляется с использованием магнитной индукции  .По этой причине между концами крыльев самолета возникает разность потенциалов, поскольку крылья, по аналогии с движением проводника на рис.10.2, пересекают силовые линии магнитного поля Земли. Причем в этом случае магнитное поле считается постоянным. Пример 10.1. Определить разность потенциалов, которая возникает между крыльями пассажирского самолета с размахом крыльев L=40 м. Скорость самолета v составляет 900 км/час. Магнитное поле Земли B составляет 0.001 Тл. Самолет представляет собой проводник, который пересекает линии магнитного поля Земли. Поэтому крылья самолета, как и в рассмотренном выше случае прямолинейного проводника на рис.10.2, охватывают площадь в магнитном поле dS = LVdt. Откуда разность потенциалов между крыльями вычисляем по формуле (10.2.1):  Примером использования движущегося проводника в магнитном поле является вращение рамки в постоянном магнитном поле. Ее площадь будет изменяться с частотой  по гармоническому закону: При этом в рамке будет возникать переменное электрической поле, и, следовательно, переменное напряжение:  .Если рамку заставить вращаться в магнитном поле, то в цепи возникнет переменный ток. На этом принципе работают все источники (генераторы) переменного тока (рис.10.5а). На этом принципе работает атомные, тепловые и гидроэлектростанции. В первых двух способах получения переменного тока лопасти генератора тока (рамки с большим числом витков) вращаются при помощи горячего пара, в последнем случае – падающей с большой высоты водой. а) б)  Рис. 10.5. Генератор переменного тока (а), электродвигатель (б). Электродвигатель2, по сути, устройство обратное генератору. Под действием переменного напряжения происходит механическое вращение ротора электродвигателя благодаря действию силы Ампера, которая стремиться развернуть виток вдоль силовых линий магнитного поля. На рис.10.5б представлен простейший электродвигатель, в котором ротор состоит из двух обмоток провода, намотанных на одну ось. Ротор помещен между двумя дугообразными магнитами. При пропускании электрического тока по обмоткам, они поворачиваются в магнитном поле на четверть оборота. Вторую четверть оборота ротор проходит по инерции. Затем, через половину оборота, с помощью специального коллектора ток в них меняет направление на противоположное. Ротор вновь поворачивается под действием силы ампера на проводник, расположенный в магнитном поле. Для того, чтобы двигатель вращался не рывками, а плавно, его ротор может состоять из нескольких обмоток, например четырех, расположенных на двух взаимно перпендикулярных осях, восьми и более. 10.3. Трансформатор Трансформатор3 - это устройство для повышения или понижения переменного напряжения. Он, как видно на рис.10.4, состоит из двух катушек (обмоток): первичной и вторичной. Концы первичной обмотки подключены к сети питающего тока, а концы вторичной – к потребителям электрической энергии. Обмотки наматываются на металлический сердечник, либо на разные его стороны, как на рис.10.6, либо одна обмотка на другую, располагаясь на общем сердечнике. При подаче переменного напряжения на первичную обмотку, в ней возникает переменный магнитный поток. Поток по металлическому сердечнику передается ко второй катушке, и возбуждает во вторичной обмотке переменное напряжение той же частоты. Но напряжение на обмотках будет различным в зависимости от числа витков на каждой из них. Для определения соотношения токов и напряжений в первичной и вторичной обмотках трансформатора. Из закона Фарадея следует:  и  .Откуда, учитывая, что поток магнитной индукции во всем металлическом сердечнике примерно одинаков  . Его изменение в обоих обмотках трансформатора одинаково: .Откуда следует:   , (10.3.1)Рис. 10.6. Схема трансформатора. где N1 и N2 соответственно число витков в первичной и вторичной обмотках. Формула (10.3.1) представляет собой уравнение трансформатора. Если N2>N1, то трансформатор называется повышающим, если N2 Электрическая мощность, передаваемая с первичной обмотки на вторичную примерно одинакова:  ,  (10.3.2)или  (10.3.3)Важно отметить, что трансформаторы работают только на переменном токе! Потери энергии в трансформаторе происходят в результате его нагрева под действием вихревых токов. По фамилии французского физика, исследовавшего их, эти вихревые токи получили название токов Фуко. Для уменьшения их величины сердечник трансформатора набран из большого количества тонких пластин, изолированных друг от друга. Это обусловлено тем, что в сердечнике возникают вихревые токи поперек пластин трансформатора, которые разогревают сердечник и приводят к бесполезным потерям электрической энергии при ее передаче от первичной обмотки трансформатора к вторичной. Поэтому железные сердечники трансформаторов, электродвигателей, генераторов и других устройств состоят из отдельных пластин, изолированных друг от друга, а поверхности пластин перпендикулярны направлению вектора напряжённости вихревого электрического поля. Сопротивление электрическому току в этом случае будет максимальным, а выделение тепла минимальным. Однако полностью избавиться от нагрева трансформатора и потери части электрической мощности не удается. Поэтому трансформаторы, как правило, охлаждают жидкостью, воздухом или маслом. Трансформаторы имеют высокий коэффициент полезного действия (до 90%), не содержат никаких движущихся частей, являясь, таким образом, удобными техническими устройствами. Трансформаторы играют огромную роль в современной электротехнике. По электрическим сетям, идущим от электростанции, передается напряжение порядка тысяч и десятков тысяч вольт, напряжение же в сети составляет 220 вольт. Передача высокого напряжения позволяет уменьшить потери электроэнергии на нагревание проводов. Чем выше напряжение U, тем меньше будет ток I при одной и той же мощности P = UI. По закону Джоуля – Ленца выделяющееся в проводах тепло пропорционально квадрату протекающего по проводнику тока: Q ~ I2. Для уменьшения напряжения на подстанциях служат понижающие трансформаторы. Токи Фуко используются для нагревания проводников, например, в индукционных печах. Особенно широкое применение печи получили для плавки металлов в вакууме. Они успешно применяются на обычной кухне для приготовления пищи. В промышленности практически все электрические приборы, имеют среди составляющих его элементов трансформатор. Для того, чтобы, например, подзарядить свой мобильный телефон, подключить к сети компьютер вы также пользуетесь устройством, содержащим понижающий трансформатор. |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Авторский коллектив: Н. С. Щекин (лекция 8); Г. И. Касперович (лекция 9); В. Ф. Берков (лекция 10); И. Г. Подпорин (лекция 11); В.... | | Монография представляет собой изложение курса лекций, про* читанных автором на факультете психологии Московского государственного... |
| Монография представляет собой изложение курса лекций, про* читанных автором на факультете психологии Московского государственного... | | Лекция 15. Финансирование государственной службы. Контроль и надзор за соблюдением законодательства о государственной службе |
| Редактор Т. Липкина Художник Л. Чинёное Корректор Г. Казакова Компьютерная верстка М. Егоровой | | Лекция II. Судебная власть и правосудие |
| Лекция Государственное регулирование внешнеэкономической деятельности: сущность, методы (тарифные и нетарифные) | | Лекция основные правовые системы современности. Международное право как особая система права – 2 часа 65 |
| Лекция Модернизм и постмодернизм в искусстве и эстетической теории ХХ века | | Введение. Предмет дисциплины. Краткие сведения из истории метрологии и стандартизации (Лекция №1) |