Электромагнитная индукция

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Открытие и понятие Электромагнитной индукции

электромагнитный ток индукция цепь

В 1821 г. Майкл Фарадей записал в своем дневнике: «Превратить магнетизм в электричество». Через 10 лет эта задача была им решена.

М. Фарадей был уверен в единой природе электрических и магнитных явлений, но долгое время взаимосвязь этих явлений обнаружить не удавалось. Трудно было додуматься до главного: только меняющееся во времени магнитное поле может возбудить электрический ток в неподвижной катушке или же сама катушка должна двигаться в магнитном поле.

Открытие электромагнитной индукции, как назвал Фарадей это явление, было сделано 29 августа 1831 г. Вот краткое описание первого опыта, данное самим Фарадеем. «На широкую деревянную катушку была намотана медная проволока длиной в 203 фута (фут равен 304,8 мм), и между витками ее намотана проволока такой же длины, но изолированная от первой хлопчатобумажной нитью. Одна из этих спиралей была соединена с гальванометром, а другая - с сильной батареей, состоящей из 100 пар пластин… При замыкании цепи удалось заметить внезапное, но чрезвычайно слабое действие на гальванометр, и то же самое замечалось при прекращении тока. При непрерывном же прохождении тока через одну из спиралей не удавалось отметить ни действия на гальванометр, ни вообще какого-либо индукционного действия на другую спираль, не смотря на то что нагревание всей спирали, соединенной с батареей, и яркость искры, проскакивающей между углями, свидетельствовали о мощности батареи».

Итак, первоначально была открыта индукция в неподвижных друг относительно друга проводниках при замыкании и размыкании цепи. Затем, ясно понимая, что сближение или удаление проводников с током должно приводить к тому же результату, что и замыкание и размыкание цепи, Фарадей с помощью опытов доказал, что ток возникает при перемещении катушек относительно друг друга (рис. 3).

Знакомый с трудами Ампера, Фарадей понимал, что магнит - это совокупность маленьких токов, циркулирующих в молекулах. 17 октября, как зарегистрировано в его лабораторном журнале, был обнаружен индукционный ток в катушке во время вдвигания (или выдвигания) магнита.

В течение одного месяца Фарадей опытным путем открыл все существенные особенности явления электромагнитной индукции. Оставалось только придать закону строгую количественную форму и полностью вскрыть физическую природу явления. Уже сам Фарадей уловил то общее, от чего зависит появление индукционного тока в опытах, которые внешне выглядят по-разному.

В замкнутом проводящем контуре возникает ток при изменении числа линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность, ограниченную этим контуром. Это явление называется электромагнитной индукцией.

И чем быстрее меняется число линий магнитной индукции, тем больше возникающий ток. При этом причина изменения числа линий магнитной индукции совершенно безразлична. Это может быть и изменение числа линий магнитной индукции, пронизывающих неподвижный проводник вследствие изменения силы тока в соседней катушке, и изменение числа линий вследствие движения контура в неоднородном магнитном поле, густота линий которого меняется в пространстве.

2. Закон электромагнитной индукции: правило Ленца

Закон электромагнитной индукции

Электродвижущая сила, индуцируемая в проводящем контуре, равна скорости изменения магнитного потока, сцепляющегося с этим контуром.

В катушке, которая имеет несколько витков, общая ЭДС зависит от количества витков n:

Но в общем случае, применяют формулу ЭДС с общим потокосцеплением:

ЭДС возбуждаемая в контуре, создает ток. Наиболее простым примером появления тока в проводнике является катушка, через которую проходит постоянный магнит. Направление индуцируемого тока можно определить с помощью правила Ленца.

3. Правило Ленца

Ток, индуцируемый при изменении магнитного поля проходящего через контур, своим магнитным полем препятствует этому изменению.

В том случае, когда мы вводим магнит в катушку, магнитный поток в контуре увеличивается, а значит магнитное поле, создаваемое индуцируемым током, по правилу Ленца, направлено против увеличения поля магнита. Чтобы определить направление тока, нужно посмотреть на магнит со стороны северного полюса. С этой позиции мы будем вкручивать буравчик по направлению магнитного поля тока, то есть навстречу северному полюсу. Ток будет двигаться по направлению вращения буравчика, то есть по часовой стрелке.

В том случае, когда мы выводим магнит из катушки, магнитный поток в контуре уменьшается, а значит магнитное поле, создаваемое индуцируемым током, направлено против уменьшения поля магнита. Чтобы определить направление тока, нужно выкручивать буравчик, направление вращения буравчика укажет направление тока в проводнике - против часовой стрелки.

4. Самоиндукция

Частный случай явления индукции токов (см. Индукция), а именно индукция тока в проводнике, вызываемая изменением силы тока, протекающего по этому проводнику. Это явление было замечено Фарадеем в 1834 г., три года спустя после его знаменитого открытия индукции токов. Фарадей нашел, что всякое изменение силы тока в проводнике сопровождается возникновением особой электродвижущий силы, которая стремится возбудить в этом проводнике ток, противодействующий происходящему изменению главного тока. Так, при увеличении силы тока в проводнике появляется в нем электродвижущая сила, вследствие которой происходит замедление в возрастании силы тока; при уменьшении силы тока появляется электродвижущая сила, от которой ослабление тока становится также медленнее. Такая электродвижущая сила, возникающая в проводнике при изменении силы тока в нем, называется электродвижущей силой С., а ток, возбуждаемый ею, носит название экстратока. - С. наблюдается особенно хорошо, когда в цепи тока находится катушка, и еще лучше, когда внутри этой катушки помещен железный сердечник. В последнем случае при замыкании цепи ток появляется сначала слабый, а затем только в течение некоторого промежутка времени он, непрерывно возрастая, достигает своей наибольшей силы. При размыкании цепи С. усиливает искру, являющуюся в месте разрыва цепи, и может вызвать весьма сильное физиологическое действие на организм человека или животного, когда тело человека или животного введено в цепь тока. Закон, которому подчинено явление С., тот же, какой управляет вообще явлениями индукции токов. Самоиндукция происходит вследствие того, что при изменении силы тока изменяется магнитный поток, пронизывающий контур этого тока и возбуждающийся самим этим током. Электродвижущая сила С., являющаяся в какой-либо момент времени, равна скорости изменения силы этого магнитного потока, взятой с обратным знаком и соответствующей рассматриваемому моменту времени, или иначе - она равна взятому с обратным знаком и рассчитанному на единицу времени изменению числа линий магнитной индукции, пронизывающих контур данного тока и возбуждающихся этим же током (см. Магнитизм). Обозначая чрез i силу тока, мы можем силу магнитного потока, пронизывающего контур этого тока и возбуждаемого последним, выразить чрез Li. Величина L, зависящая от формы и размеров контура тока, от свойства окружающей среды и в некоторых случаях (когда проводник приготовлен из сильно магнитного металла) от магнитных свойств проводника, носит название коэффициента С. цепи. Согласно вышеприведенному закону, электродвижущая сила С. е выражается через

е = d(Li)/dt

и в случае, когда находящиеся в цепи проводники неизменны, т.е. сохраняют свои размеры и форму, а также магнитные свойства этих проводников остаются одинаковыми при различных силах тока и окружающая среда не подвергается никакому изменению, электродвижущая сила С. вычисляется по формуле

е = - L (di/dt)

т.е. при данных условиях коэффициент С. имеет постоянную величину. Принимая во внимание закон Ома и формулу (2), мы получаем для силы тока i, являющегося в какой-либо цепи, которой сопротивление R и коэффициент С. L, от электродвижущей силы Е, выражение

i = [(Е - L) (di/dt)]/R

Отсюда при условии, что Е постоянна, т.е. что ток получается от источника, обладающего постоянной электродвижущей силой (элемент, гальваническая батарея или аккумуляторы), при помощи интегрального исчисления находим

i = (Е/R) [1 - e^-(R/L)t]

Здесь е обозначает основание Неперовых логарифмов, a t - время, протекшее от момента замыкания цепи до момента, для которого мы определяем силу i. Из формулы (4) видно, что ток достигает своей наибольшей силы Е/R только через бесконечно большое время, но на самом деле величина e-^(R/L)t очень быстро становится ничтожно малой и притом тем быстрее, чем больше R и меньше L. Однако для большой величины L, как это будет в том случае, когда в цепи находится электромагнит, продолжительность установления тока может быть немалая. Она может измеряться даже минутами. Когда в цепи находится источник тока, которого электродвижущая сила изменяется гармонически n раз в единицу времени (в секунду), т.е. выражается через Е = Е₀Sin2рnt, то для получающегося при этом переменного тока теория дает (см. Переменный ток) формулу

i = Е₀(Sin2рnt - и)/(?[R² +4р²n²L²])

в которой tgи = 2рnL/R. Из формулы (5) видно, что в данном случае для определения силы тока необходимо знать, кроме величины электродвижущей силы и сопротивления цепи, еще и коэффициент С. цепи. При таком переменном токе кажущееся сопротивление, т.е. величина v(R² +4р²n²L²) при большой величине L может быть значительно больше R, т.е. того сопротивления, какое оказывает цепь току постоянному. Определение величины L производится в большей части случаев непосредственно путем опыта, так как теория дает возможность только для немногих проводников найти формулу для L. Так, напр., для очень длинной прямой катушки, состоящей из n оборотов, расположенных в одном слое, теоретически выводится формула

L = 4р²(n²/l) S.

В этой формуле S обозначает поперечное сечение катушки. Для длинной прямой катушки, состоящей из n оборотов, расположенных в нескольких слоях, может быть применена формула

L =n²r²/(0,01844r + 0,035l + 0,031d)

в которой r обозначает средний радиус оборотов, l - длину катушки, d - толщину обмотки ее. Для цилиндрического проводника, приготовленного из немагнитного металла и имеющего длину l, а диаметр d, коэффициент С. вычисляется по формуле

L = 2l [log(4l/d) - 0,75]

когда ток распространяется равномерно по всей массе проводника, и по формуле

L = 2l [log(4l/d) - 1]

- когда ток ограничивается только поверхностным слоем проводника. Последняя формула особенно важна в теории вибратора Гертца (см. Гертца явления). Соответственно абсолютной электромагнитной (С. G.S.) системе единиц величина L выражается в сантиметрах. Практическая единица для коэффициентов С., называемая генри или также квадрантом, равняется 10⁹ см.

Опытное сравнение коэффициентов С. двух проводников может быть произведено по способу, аналогичному способу сравнения сопротивлений проводников при помощи мостика Витстона. Составляется цепь по схеме мостика Витстона, при чем в две соседние ветви четырехугольника этой схемы помещаются сравниваемые проводники, в две другие ветви ящики сопротивлений [Образцы сопротивлений обыкновенно принимаются неиндуктивными, т.е. полагают, что коэффициенты самоиндукции их равны 0. Вообще у проволоки, сложенной вдвое, можно считать коэффициент С. равным нулю, хотя это не вполне строго.], в диагональную ветвь помещается вторичная обмотка катушки Румкорфа, а в другую диагональную ветвь, т.е. в самый мостик, вводится телефон. Изменением сопротивлений в двух ветвях четырехугольника достигают наконец того, что телефон перестает издавать звуки. В этом случае должно быть L₁:L₂ = R₃:R₄. Здесь L₁ и L₂ обозначают коэффициенты С. проводников, находящихся в ветвях 1 и 2, R₃ и R₄ - сопротивления ветвей 3 и 4. Об опытном определении абсолютной величины коэффициента С. см. в подробных курсах физики, напр. в соч. И. Боргмана «Основания учения об электрических и магнитных явлениях» (т. II).

5. Индуктивность

(от лат. inductio - наведение, побуждение), величина, характеризующая магн. св-ва электрич. цепи. Ток, текущий в проводящем контуре, создаёт в окружающем пр-ве магн. поле, причём магнитный поток Ф, пронизывающий контур (сцепленный с ним), прямо пропорционален току I:Ф=LI. Коэфф. пропорциональности L наз. И. или коэфф. самоиндукции контура. И. зависит от размеров и формы контура, а также от магнитной проницаемости окружающей среды. В СИ И. измеряется в генри, в Гаусса системе единиц она имеет размерность длины (1 Гн=109 см).

(DI изменение тока за время Dt). И. определяет энергию W магн. поля тока I:

W =LI2/2.

Если провести аналогию между электрич. и механич. явлениями, то магн. энергию следует сопоставить с кинетич. энергией тела T=mv2/2 (m - масса тела, v - его скорость), при этом И. будет играть роль массы, а ток - скорости. Т. о., И. определяет инерц. св-ва тока.

Для увеличения И. применяют катушки индуктивности с железными сердечниками; в результате зависимости магн. проницаемости m ферромагнетиков от напряжённости магн. поля (а следовательно, и от тока) И. таких катушек зависит от I. И. длинного соленоида из N витков с площадью поперечного сечения S и длиной l в среде с магн. проницаемостью m равна (в ед. СИ):

L=mm0N2S/l,

где m0 - магн. проницаемость вакуума.

6. Применение электромагнитной индукции в приборах и учет в самоиндукции в электрических цепях переменного тока

Закон электромагнитной индукции лежит в основе современной электротехники, а также радиотехники, которая, в свою очередь, составляет ядро современной индустрии, полностью преобразившей всю нашу цивилизацию. Практическое применение электромагнитной индукции началось только спустя полвека после ее открытия. В то время технический прогресс шел еще сравнительно медленно. Причина, по которой электротехника играет столь важную роль во всей нашей современной жизни, состоит в том, что электричество является наиболее удобной формой энергии и именно благодаря закону электромагнитной индукции. Последний позволяет легко получать электроэнергию из механической (генераторы), гибко распределять и транспортировать энергию (трансформаторы) и преобразовывать ее обратно в механическую (электромотор) и другие виды энергии, причем все это происходит с очень высоким КПД. Еще каких-нибудь 50 лет назад распределение энергии между станками на заводах осуществлялось через сложную систему валов и ременных передач - лес трансмиссий составлял характерную деталь индустриального «интерьера» того времени. Современные станки оборудованы компактными электродвигателями, питаемыми по системе скрытой электропроводки.

Современная индустрия использует единую систему электроснабжения, охватывающую всю страну, а иногда и несколько соседних стран.

Система электроснабжения начинается с генератора электроэнергии. Работа генератора основана на непосредственном использовании закона электромагнитной индукции. Схематически простейший генератор представляет собой неподвижный электромагнит (статор), в поле которого вращается катушка (ротор). Возбуждаемый в обмотке ротора переменный ток снимается с помощью специальных подвижных контактов - щеток. Так как через подвижные контакты трудно пропустить большую мощность, часто применяется обращенная схема генератора: вращающийся электромагнит возбуждает ток в неподвижных обмотках статора. Таким образом, генератор преобразует в электричество механическую энергию вращения ротора. Последний приводится в движение с помощью либо тепловой энергии (паровая или газовая турбина), либо механической (гидротурбина).

В технике переменный ток играет огромнейшее значение. Большинство горнотехнических, нефтегазовых и др. установок работают на основе использования переменного тока большой мощности. С точки зрения безопасности ведения каких-либо работ на подобной технике естественным является грамотная эксплуатация и уход за электрооборудованием. Для этого используются дроссели, реле, каскадные усилители, измерительно-контролирующая аппаратура и др. - то есть те приборы, которые способствуют качественной и безотказной работе.

При работе на переменном токе с реактивными элементами в цепи (индуктивность, емкость) следует обязательно учитывать их реактивный характер проводимости. Так, если индуктивность не оказывает сопротивления постоянному току, то по переменному току её сопротивление может быть значительным. Конденсатор не пропускает постоянный ток (т.е. имеет бесконечно большое сопротивление), а при переменном высокочастотном токе его сопротивление может оказаться малым. Кроме того, реактивные элементы вносят фазовый сдвиг между током и напряжением в цепи, что отражается, например, на потребляемой мощности.

Изучение закономерностей протекания переменного тока с учетом наличия в цепи реактивных элементов позволит обобщить приобретенные знания и успешно использовать их как в лабораторных условиях, так и в производстве.

В большинстве электронных устройств используют RC- и RL-цепочки, с помощью которых можно интегрировать или дифференцировать электрические сигналы. Используя свойства RC- и RL-цепочек, можно формировать рабочую полосу частот электронных устройств, тем самым добиваться сглаживания (интегрирования) сигнала. При этом шумовая дорожка сигнала становится меньше за счет «электронного» усреднения соседних значений регистрируемого сигнала, т.е. они становятся скоррелированными. Характеристикой, описывающей эту корреляцию, является постоянная времени. При выборе оптимальных условий измерений в эксперименте, таких как скорость и точность измерений, постоянная времени играет важную роль. Даже для улучшения качества ведения взрывных работ в настоящее время всё больше применяются детонаторы со встроенными электронными замедлителями времени! Другим примером использования RC- и RL-цепей может служить типичная проблема пробоя при включении и выключении электрического оборудования, содержащего реактивные элементы. В таких цепях переход к новому установившемуся режиму связан с нарастанием или убыванием электрической и магнитной энергии W в реактивных элементах. Как известно, мощность P связана с энергией следующим выражением: . При мгновенном изменении энергии (dt  0) мощность P бесконечно велика, что, естественно, может быть лишь при бесконечно больших токах и напряжениях в цепи. В большинстве случаев это и является причиной выхода из строя электронной аппаратуры, в том числе и измерительно-контролирующей.

Переменный ток - это электрический ток, изменяющийся во времени. В общем понимании к переменному току относят различные виды импульсных, пульсирующих, периодических и квазипериодических токов. В технике под переменным током обычно подразумевают периодические или почти периодические токи переменного направления. Наиболее употребителен переменный ток, сила которого меняется во времени по гармоническому закону.

Если к активному сопротивлению R приложено переменное напряжение U = U_mcos(t), то текущий ток через это сопротивление по закону Ома будет равен

.

Размещено на Allbest.ru