 |
Использование явления электромагнитной индукции в технике
|
|
|
|
Физическая суть явления электромагнитной индукции
Величина индуцированной ЭДС
Потокосцепления
Использование явления электромагнитной индукции в технике
Явление самоиндукции
Энергия магнитного поля
Вихревые токи
Литература
Данилов Н.А., Иванов Н.М., «Общая электротехника с основами электроники», М.: 2005.
Гаврилов В.А. «Общая электротехника с основами электроники», М.: 1980
Физическая суть явления электромагнитной индукции
Явлением елекипромагнитнои индукции называется виникнення ЭДС в проводнике при пересечении проводником магнитних силовых линий или при изменении величины магнитного потока, пронизывающего контур.
Изменение величины магнитного потока внутри катушки вызывает наведення ЭДС.
Для определения направления ЭДС, индуцированной в контуре или в катушке, что возникает при изменении магнитного потока в них используется правило Ленца:
Индуцированная ЕPC всегда направлена так, что своим смрумом и магнитным потоком противодействует причине, что ее вызвало
Например, если постоянный магнит вносится в катушку то в ней возникает индукционный ток такого направления, противодействует движения магнита к катушке, то есть сверху катушки возникает одноименный полюс, отталкивает магнит Если магнит, который находился внутри катушки, отдаляется от нее, то направление индукционного тока будет таким, еще сверху катушки возникает противолежащий полюс, который притягивает магнит к катушке, то есть препятствует его удалению, что, в свою очередь, и было причиной возникающую тока
Величина индуцированной ЭДС
Величина индуцированной ЭДС при перемещении проводника в магнитном поле определяется по формуле
|
|
|
е=Blv sinα,
где е - индуцированная ЭДС, В; v- скорость движения проводника, м / с; l - длина проводника, м; α - угол между направлением вектора магнитной индукции и направлением движения проводника, градус.
При перемещении проводника под углом 90 ° к направлению магнитной индукции поля индуцированная ЭДС имеет максимальную величину, sin 90 ° = 1 при других углах движения величина ЭДС меньшая. Это объясняется тем, что при перемещении под углом 90 ○ проводник за единицу времени пересекает самую килькисть магнитных силовых линий.
 |
Когда индуцированная ЭДС возникает в контуре или внутри катушки с счет магнитного потока, меняется, то величина ЭДС зависит от скорости изменения магнитного потоку и определяется по формуле
где e - индуцированная ЭДС, В; dФ = Ф1-Ф2 - прирост магнитного потока, Вб; dt = t1-t2 прирост времени: dФ / dt - скорость изменения магнитного потока, убьет / с.
Знак «минус» отображает физическую суть правила Ленца, то есть противодействие индуцированной ЭДС причине, что ее вызвало. Вообще электромагнитная индукция - это явление перетворення механической энергии в электрическую.
Потокосцепления
Если через катушку проходит ток, то образуется магнитный поток Ф, сцепленный с витками катушки N. Если все магнитные линии сцеплении со всеми витками катушки (см. Рис.), То потокосцепления выражается формулой
Ψ = NФ,
где Ψ - потокосцепления, Вб.
Если магнитный поток меняется, то изменение потокосцепления определяется так:
 |
Ψ = NdФ,
Тогда индуцированной ЭДС можно выразить через потокосцепления
Закон электромагнитной индукции выражается так: электродвижущая сила, индуцируется в замкнутом контуре при изменении сцепленного с ним магнитного потока, равна скорости изменения потокосцепления.
Использование явления электромагнитной индукции в технике
|
|
|
Явление электромагнитной индукции широко применяется в технике, например на электростанциях в генераторах большой мощности, которые превращают механическую энергию и электрическую. Это явление применяют также в устройствах, работающих с достаточно малыми мощностями (звукознимачi электропроигрывателей, которые обеспечивают воспроизведение грампластинок; магнитофоны; электродинамические микрофоны) Мощности развивающихся в этих устройствах, измеряются долями микроватт.
Явление самоиндукции
Если с помощью потенциометра изменять напряжение, подаваемое на тороидальных катушку, то при изменении величины тока в обмотке катушки меняется магнитный поток, и поэтому в катушке индукуватиметься ЭДС, называется ЭДС самоиндукции.
Саяомдукциею называется явление возникновения в проводнике или в катушке ЭДС, которая образуется в результате изменения собственного тока и созданного им магнитного потока.
Явление самоиндукции - это частный случай электромагнитной индукции, оно наблюдается во всех электрических колах, где меняется величина тока. В цепях переменного тока ЭДС самоиндукции возникает непрерывно, а в цепях постоянного тока - только в трех случаях, а именно:
при замыкании цепи, поскольку ток в цепи возрастает от нуля до некоторой величины, определяется по закону Ома;
при размыкании цепи, поскольку ток уменьшается от существующей величины до нуля;
при изменении величины тока с помощью реостата или потенциометра.
Направление ЭДС самоиндукции определяется по правилу Ленца, то есть при увеличении величины тока в цепи возникает ЭДС самоиндукции, противоположная по направлению к току, так, что противодействует его росту, который является причиной возникновения ЭДС.
Если ток в цепи уменьшается, то ЭДС самоиндукции имеет тот же направление, что и ток, уменьшается, то есть препятствует его уменьшению. Таким образом, ЭДС противодействует уменьшению тока, поддерживая его.
 |
коэффициент самоиндукции и индуктивность обозначается буквой Д и Единицей индуктивности является генри (Гн).
 |
Формула ЭДС самоиндукции часто спрашивают так:
Отсюда величина ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения тока и индуктивности катушки.
|
|
|
 |
Рассмотрим физическую суть индуктивности L, определяется формулой
Из формулы L = фn / I следует, что индуктивностью катушки называется величина, характеризующая способность данного катушки создавать определенную величину магнитного потоку при токе в катушке 1 А.
Итак, чем больше индуктивность катушки, тем больше величина магнитного потока, созданного током, и тем больше ЭДС самоиндукции при данной скорости изменения тока.
Если в формуле L = фn / I взять единицы величин N, Ф, И, может L = 1 генри. Отсюда единица индуктивности один генри - это индуктивность такого контура, с которым сцеплен магнитний поток один вебер при токе в контуре в один ампер.
Индуктивность катушки равна одному генри, если в ней при изменении тока со скоростью один ампер за одну секунду индуцируется ЭДС самоиндукции в один вольт.
В электронных схемах часто используют катушки с индуктивностью, значительно меньше одного генри, а именно, моли и микрогенри 1 Гн = 103 мГн; 1 Гн = 106 мкГн. В формуле Ldi / dt можно заменить Ldi на dΨ. Тогда ЭДС самоиндукции определится так, как и для электромагнитной индукции:
 |
На практике иногда необходимы безиндукцийни катушки, в которых L = 0 и при изменении тока в которых не возникает ЭДС самоиндукции. Чтобы получить такие катушки, их обмотки выполняют бифилярной, то есть когда в соседних витках катушки ток имеет противоположные направления и магнитные потоки созданные этими витками, имеют противоположные направления. Тогда общий магнитный поток катушки равен нулю. Следовательно, при изменении тока в витках катушки ЭДС самоиндукции не возникает.
Чтобы получить катушки с переменной индуктивностью, в таких котущках индуктивность меняют следующими способами:
1) меняют магнитную проницаемость посредством внесения в катушку или вынесением из нее различных сердечников
2) изменяют количество витков катушки с помощью переключателя.
3) применяют устройство, называемое вариометром.
|
|
|
Энергия магнитного поля
Если через проводник или катушку проходит ток, то часть электроэнергии расходуется на преодоление сопротивления проводника и превращается в тепло, а часть образует магнитное поле, в котором накапливается некоторая часть энергии превращается в потенциальну энергию.
При размыкании цепи ток уменьшается до нуля в течение очень малого промежутка времени, а также уменьшается до нуля и магнитное поле. При этом в проводнике или катушке индуцируется ЭДС самоиндукция за счет накопленной в магнитном поле энергии.
 |
Итак, энергия магнитного поля
Пример
В магнитном поле катушки с индуктивностью L = 0,5 Гн накапливается энергия WL = 6,25 Дж. Найти силу тока в котутци.
Решение. Из формулы WL = LI2 / 2 найдем величину тока:
Взаимоиндукция
Пусть имеем две катушки, расположенные рядом. Через первую катушку проходит ток, созданный источником ЭДС. Часть магнитных силовых линий этой катушки перетинае витки обеих катушек. Обозначим эту часть магнитного потока через Ф12. Если с помощью реостата начать изменять величину тока в цепи первой катушки, то такое изменение магнитного потока обусловливает индуцированной ЭДС, как в первой, так и во второй катушках.
ЭДС, возникающая в витках второй катушки от изменения магнитного потока первой катушки, называется ЭДС взаимоиндукции.
Явление возникновения индуцированной ЭДС в проводниках, расположенных вблизи других проводников, по которым проходит переменный во времени электрический ток, называется взаимоиндукции.
ЭДС взаимоиндукции образовываться также при замыкании и размыкании цепи первой катушки том, что при этом тоже происходит изменение тока и его магнитного потока от нуля до постоянной величины и от постоянной величины до нуля.
 |
ЭДС самоиндукции во второй катушке определяется формулой
 |
Изменение потокосцепления dΨ2 происходит за счет изменения тока di1, следовательно,
 |
Тогда
Согласно этой формуле, величина ЭДС самоиндукции зависит от постоянных величин катушек и сердечника
N1N2 μa S/l
 |
Обозначим это выражение буквой М:
 |
Тогда
Коэффициент пропорциональности М называют взаимной индуктивности.
Итак, взаимной индуктивности и зиваеться величина, характеризующая степень передачи энергии от одной электрической цепи в другого.0диницею взаемоиндуктивности является генри.
 |
Если круг второй обмотки включено на потребителя енергии, то ЭДС взаимной индукции eM2 создает в нем ток i2 магнитный поток Ф2, которые при
Таким образом, напряжение источника U1 частично падает на сопротивлении катушки R1, а частично идет на преодоление противодействия ЭДС самоиндукции eL1 и ЭДС взаемоиндукции EM1.
|
|
|
Связь между взаимной индуктивности M и индуктивностями катушек:
M2 = L1L2.
 |
Отсюда
 |
Это равенство выполняется при отсутствии магнитного рассеяния, то есть когда все магнитный поток, образованный током первой обмотки, проходит внутри второй обмотки, например, весь магнитный поток замыкается по ферромагнитного сердечника, вследствие его малого сопротивления магнитному потоку. При наличии магнитного рассеяния часть магнитного потока не проходит внутри второй катушки и ЭДС взаимоиндукции меньше, тогда это равенство надо брать с коэффициентом K <1, который называется коэффициентом связи:
Коэффициент связи характеризует степень индуктивной связи двух контуров. Рассматривают три степени связи: очень слабый связь, K = 0,001... 0,01; слабый связь, К = 0,01... 0,1; сильная связь, К = 0,1... 0,9.
При отсутствии индуктивной связи между катушками общая индуктивность цепи
L = L 1 +L 2,
 |
Для согласованного соединения катушек можно доказать, что при отсутствии индуктивной связи общая индуктивность
При наличии индуктивной связи при согласованном соединении катушек а при встречном соединении
Как видим, индуктивность взаимосвязанных катушек зависит от
коэффициента связи. На этом принципе построены приборы, предназначенные для постепенного изменения индуктивности, которые называются вариометрами. Вариометр имеет две последовательно соединенные катушки, одна из которых неподвижна, а другая - подвижная, малого размера и может вращаться внутри первой. При вращении подвижной катушки меняется взаимное положение катушек, поэтому меняется и коэффициент связи.
Когда магнитные потоки катушек имеют одинаковое направление, то индуктивность вариометра максимальная
Lmax = L1+L2+2M,
когда магнитные потоки имеют противоположные направления, то индуктивнисть вариометра наименьшая
Lmin = L 1 +L 2 -2M
Явление взаимоиндукции широко применяется в технике, на нем основана работа трансформаторов; индукционных катушек в системе зажигания автомашин и передачи энергии от одного индуктивно связанного контура ко второму, и тому подобное. Иногда взаимоиндукция бывает вредной. Например, образуются препятствия в линиях связи от внешних магнитных полей, мощных радиостанций, линий электропередач и т. Д. Магнитные поля индуцируют токи в линиях связи, которые мешают передачи сигналов связи.
Вихревые токи
|
|
|
