§ 48. Вихревые токи. § 49. Самоиндукция

§ 48. Вихревые токи

Рассматривая принцип действия генератора, мы видели, что при его вращении в проводниках обмотки якоря, пересекающих магнитное поле, индуктируется э. д. с. Так как и сам стальной якорь пересекает те же магнитные линии, то в нем, так же как и в проводнике, должны индуктироваться токи. Токи, которые индуктируются в массивных металлических телах при пересечении их магнитными линиями, называются вихревыми токами, или токами Фуко.

На рис. 97 схематически изображен якорь, вращающийся в магнитном поле. Вихревые токи в якоре, условно показанные пунктирными стрелками, проходя по телу якоря, будут нагревать его, на что затрачивается энергия. Если не принять мер к уменьшению вихревых токов, они, сильно нагревая якорь, могут привести к порче изоляции его обмотки. Устранить полностью потери на вихревые токи нельзя, но уменьшить их можно и нужно.

Рис. 97. Возникновение вихревых токов в сплошном стальном якоре электрической машины

Для уменьшения потерь на вихревые токи якори генераторов, электрических двигателей и сердечники трансформаторов собирают из отдельных тонких (0, 35-0, 5 мм) штампованных листов мягкой стали, расположенных по направлению линий магнитного потока и изолированных один от другого лаком. Это делается для того, чтобы вследствие малого поперечного сечения каждого стального листа уменьшить величину проходящего через него магнитного потока, а стало быть, уменьшить индуктируемые в нем э. д. с. и ток.

Путь вихревых токов в теле якоря при разделении последнего на отдельные изолированные участки схематически показан на рис. 98. Чтобы еще больше ослабить вихревые токи, увеличивают удельное сопротивление стали путем добавления в нее около 4% кремния. Такая сталь называется легированной.

Рис. 98. Изменение пути вихревых токов при разделении стального якоря электрической машины на изолированные участки (стрелками показаны направления индукционных токов)

§ 49. Самоиндукция

В цепях электрического тока часто наблюдается особый вид электромагнитной индукции, называемой самоиндукцией. Рассмотрим подробнее это явление. Ранее было выяснено, что при всяком изменении магнитного потока, пронизывающего данный контур, в последнем индуктируется э. д. с.

Это будет справедливо и для того случая, когда проводниковый контур будет пересекаться своим собственным магнитным потоком.

Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из катушки, источника тока и ключа К (рис. 99). При разомкнутом ключе тока в цепи нет. Магнитное поле катушки отсутствует. При замыкании ключа в цепи начинает проходить ток, создающий магнитный поток внутри катушки. Направление тока в витках катушки показано одинарной стрелкой. Появившийся магнитный поток катушки, увеличиваясь, будет пересекать витки катушки и согласно закону электромагнитной индукции в витках при этом возникает индуктированная э. д. с. Это явление называется самоиндукцией, а э. д. с., возникшая в результате самоиндукции, называется э. д. с. самоиндукции и обозначается e_L.

Рис. 99. Включение катушки к источнику с постоянной э. д. с

Величина э. д. с. самоиндукции определяется тем же уравнением

Знак минус, стоящий в правой части уравнения, говорит о направлении индуктированной э. д. с., потому что в нем отображено правило Ленца. В самом деле, в момент замыкания цепи катушки появившийся ток вызовет возрастание магнитного потока катушки, т. е. поток получает положительное приращение (+Δ Φ ). э. д. с. самоиндукции получит отрицательное значение.

Это означает, что э. д. с. самоиндукции, стремясь противодействовать возрастанию магнитного потока, будет иметь направление, противоположное э. д. с. (току) источника. Направление э. д. с. самоиндукции в момент замыкания цепи показано на рис. 99 двойной стрелкой.

По истечении некоторого промежутка времени возрастающий магнитный поток катушки достигнет своего установившегося значения, прирост потока будет равен нулю (Δ Φ = 0), индукция прекратится и э. д. с. самоиндукции исчезнет.

Момент размыкания цепи с катушкой показан на рис. 100. Исчезающий ток, направление которого показано одинарной стрелкой, будет уменьшать магнитное поле катушки. Изменение поля вызовет появление э. д. с. самоиндукции в витках катушки. Убывание магнитного потока можно представить как отрицательное приращение потока (-Δ Φ ). э. д. с. самоиндукции при этом получает положительное значение. Это означает, что, стремясь поддержать величину магнитного потока, противодействуя его убыванию, э. д. с. самоиндукции будет иметь направление, согласное с э. д. с. (током) источника. Это направление показано на рис. 100 двойной стрелкой.

Рис. 100. Отключение катушки от источника с постоянной э. д. с

Необходимо заметить, что появление э. д. с. самоиндукции в катушке будет происходить не только в моменты включения или отключения цепи, но и при всяком изменении тока в цепи катушки.