Вращение рамки в магнитном поле кратко
Обновлено: 02.07.2024
В сети переменного тока э. д. с. и напряжение должны изменяться по гармоническому закону, т. е. должны быть синусоидальными (§ 24,6). Отклонение от синусоидальной формы напряжения в сети переменного тока приводит к дополнительным потерям энергии.
Рассмотрим получение синусоидального переменного тока при равномерном вращении рамки в однородном магнитном поле. Пусть рамка концы которой присоединены к металлическим кольцам, находится в однородном магнитном поле с индукцией В (рис. 26.1, а). К кольцам прижаты щетки соединенные с потребителем электрической энергии Если рамку привести во вращение вокруг оси 00, по часовой стрелке с постоянной угловой скоростью со, то в отрезках провода и возникнут э. д. с. индукции равные по величине и противоположные по направлению.
Движение проводов АВ и будет происходить по окружности диаметром и с линейной скоростью
Если отсчет времени и углов вести от положения 1 рамки на рис. 26.1, б, то угол поворота рамки а выразится формулой
где Т — время одного полного оборота рамки. Поскольку угол а равен углу менаду векторами В и V, для э. д. с. индукции в отрезке или имеем формулу (§ 23.3)
где I — длнна проводника или Заметим, что такие проводники называют активными, так как при вращении контура только в них наводится э. д. с. Общая э. д. с. в рамке при этом
Таким образом, при равномерном вращении рамки в однородном магнитном поле в ней наводнтся э. д. с., определяемая формулой
Поскольку и В постоянны, их произведение можно обозначить одной буквой Тогда
Вспомннм, что максимальное значение сннуса равно единице. Следовательно, в формуле (26.3) обозначает максимальную э. д. с., возникающую в рамке при ее вращении; называют еще
амплитудой э. д. с. График синусоидально изменяющейся э. д. с. изображен на рис. 26.2. Заметим, что мгновенные значения величин для переменного тока принято обозначать строчными буквами, а максимальные, амплитудные значения — заглавными буквами. Например, для мгновенного значения силы тока применяют обозначение I, а для амплитудного Напряжения соответственно обозначают и и
В рассматриваемом примере круговая (циклическая) частота переменного тока в формулах (26.2) и (26.3) совпадает с угловой скоростью вращения рамки в магнитном поле, а период изменения переменного тока Т совпадает с периодом вращения рамки. Скорость повторяемости изменений переменного тока характеризуется частотой
Поэтому формулу (26.3) можно записать так:
Если число оборотов рамки в минуту обозначить через то
Стандартная техническая частота переменного тока в СССР составляет 50 Гц. Это означает, что э. д. с. и ток меняют свое направление в цепи 100 раз в секунду. Такой ток относят к токам низкой частоты. Для специальных целей применяются токи, частота которых достигает миллионов герц. Их называют токами высокой частоты.
Открытие Фарадеем явления электромагнитной индукции привело к мысли о возможности создания электрической машины , способной вырабатывать (генерировать) электрический ток.
Первый генератор (он показан на рисунке) был построен в 1832 году:
При вращении подковообразного магнита в катушках, находящихся вблизи его полюсов, вырабатывался ток .
Этот ток совсем не был похож на постоянный ток , создаваемый в проводящей цепи батареей гальванических элементов.
Он как бы метался из стороны в сторону, то и дело меняя своё направление. В отличие от постоянного тока его назвали переменным .
На рисунке показана зависимость мгновенных значений постоянного и переменного тока от времени.
Первый генератор был весьма несовершенен.
Вскоре был сконструирован другой генератор переменного тока, схема которого показана на следующем рисунке.
Этим схематическим изображением генератора переменного тока мы пользуемся и сейчас, говоря о принципе работы генераторов переменного тока.
Здесь в поле постоянного магнита 1 вращается проволочная рамка 2. Концы провода рамки припаяны к кольцам 3 и 4, вращающимся вместе с рамкой. К кольцам прижимаются пружинящие пластины 5 и 6 (называемые щётками), от которых идут провода к внешней цепи.
При вращении рамки в магнитном поле всё время меняется магнитный поток через её площадь. В рамке появляется индукционный ток , что видно по отклонению стрелки амперметра.
В тексте ниже (см. рис.7) подробно рассмотрено возникновение индукционного тока и его направление в сторонах такой замкнутой рамки.
последовательно соединённых, вместо рамки, изолированных витков проволоки (обмотка) для получения большей ЭДС. индукции.
Рассматривая вращение рамки в магнитном поле, мы говорим только о принципе работы генератора.
В нашем примере рамка могла быть неподвижной, а магнитное поле вращалось бы. Это не принципиально. Главное условие возникновения тока в замкнутом контуре заключается в изменении магнитного потока через этот контур.
Генераторы бывают разной конструкции , о мощных генераторах переменного тока, которые устанавливаются на электростанциях будет говориться в следующей статье.
Итак, на рисунке схематически изображён генератор переменного тока, выше рассмотрен принцип его работы.
То, что ток в таком генераторе получается переменным в то время (в 19 веке) посчитали его недостатком и стали искать возможности превратить переменный ток в постоянный.
Сейчас посмотрим, что для этого делалось и одновременно рассмотрим принцип работы генератора постоянного тока.
На следующем рисунке показано схематическое изображение генератора постоянного тока с коллектором .
Эта модель генератора постоянного тока отличается от рассмотренной выше модели генератора переменного тока лишь тем, что здесь концы рамки соединены не с отдельными кольцами, а с двумя полукольцами коллектора 1, разделёнными друг от друга и одетыми на общую ось с рамкой.
К полукольцам прижимаются щётки 3, с помощью которых индукционный ток отводится во внешнюю цепь.
При каждом полуобороте рамки её концы, припаянные к полукольцам, переходят с одной щётки на другую. В эти же моменты изменяется направление тока в рамке.
Во внешней же цепи ток не меняет своего направления, то есть с помощью коллектора происходит выпрямление переменного тока.
График зависимости напряжения на зажимах такого генератора от времени, имеющего одну рамку и коллектор, состоящий из двух полуколец, изображён на следующем рисунке.
Такой ток называется пульсирующим , частота его пульсации в 2 раза больше частоты переменного тока.
Если на оси вращения укрепить ещё одну рамку (виток) под прямым углом к первой, а вместо двух щёток сделать 4, то каждая щётка будет соединяться с соответствующим проводом в течение не половины оборота, а четверти оборота.
Так? увеличивая количество рамок и количество щёток, можно получить ток, который можно назвать постоянным .
В генераторах вращается не отдельная рамка (виток), а обмотка, состоящая из большого количества витков.
Вращающаяся часть генератора называется ротором , а неподвижная - статором .
На следующем рисунке показан ротор генератора постоянного тока, на котором расположены витки четырёх обмоток.
Итак, нами рассмотрен принцип работы генераторов переменного и постоянного тока.
На производстве и в быту в основном применяется переменный ток, так как его легче получить и генераторы переменного тока проще, надёжнее и экономичнее генераторов постоянного тока.
Постоянный ток тоже нужен, например, для запуска генераторов переменного тока. Постоянный ток удобен в работе электропоездов, троллейбусов, трамваев.
Постоянный ток предпочитают получать из переменного, применяя выпрямительные схемы с использованием полупроводниковых диодов.
В промышленности и в быту используют трёхфазный переменный ток, вырабатываемый мощными генераторами переменного тока. Об этих генераторах и трёхфазном токе будет говориться в следующей статье..
Предыдущая запись : Энергия магнитного поля . Взаимная индукция. Решение задач на электромагнетизм.
Следу ющая запись : Трёхфазный переменный ток. Генераторы трёхфазного тока.
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58 .
Ниже даны ссылки на занятия (статьи), начиная с переменного тока:
Трёхфазный переменный ток. Генераторы трёхфазного тока.
Двигатели постоянного и переменного тока.. Вращающееся магнитное поле.
Характеристики переменного тока. Переменный ток в цепи, содержащей только активное сопротивление.
Конденсатор в цепи переменного тока. Емкостное сопротивление.
Катушка индуктивности в цепи переменного тока. Индуктивное сопротивление.
Последовательное соединение сопротивлений. Резонанс напряжений. Мощность переменного тока. Коэффициент мощности.
Расчёт цепей переменного тока, содержащих активное сопротивление, индуктивность и ёмкость.
Катушка в цепи переменного тока или последовательное соединение активного и индуктивного сопротивлений.
Параллельное соединение активного сопротивления, индуктивности и ёмкости в цепи переменного тока. Резонанс токов.
Краткий обзор темы: "Переменный электрический ток".
Решение задач на переменный ток с использованием диаграммы напряжений и закона Ома.
Задачи на цепи переменного тока, содержащие параллельные ветви.
Обзор темы: "Классическая механика".
Мощность переменного тока. Важность повышения коэффициента мощности на промышленных предприятиях.
Занятие 72 . Трансформаторы. Взаимная индукция.
Занятие 73 . Колебательные системы. Свободные колебания. Гармонические колебания.
Решение задач на тему: "Гармонические колебания".
Нахождение периода колебаний математического маятника.
Упругие колебания. Крутильные колебания.
Разные задачи на гармонические колебания.
Пример нахождения характеристик гармонического колебания материальной точки.
Звуковые колебания. Тембр звука. Акустический резонанс.
Истоки развития телефона, радиосвязи и звукозаписи.
Колебательный контур. Свободные электромагнитные колебания.
Вынужденные электромагнитные колебания. Электрический резонанс.
Генераторы высокой частоты. Электрические автоколебания.
Задачи на колебательный контур и цепи, содержащие активное сопротивление, индуктивность и ёмкость.
Занятие 75 . Механические волны. Виды волн. Уравнение плоской волны. Энергия механических волн.
Поперечные и продольные волны.
Сферические и плоские волны. Поглощение энергии волны. Отражение волн. Дифракция.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ
§1 Явление электромагнитной индукции.
Закон Фарадея
а) В соленоид, замкнутый на гальванометр, вдвигается и выдвигается постоянный магнит. На гальванометре будет отклонение стрелки, и оно будет тем больше, чем быстрее происходит вдвижение и выдвижение. При изменении полюсов магнита направление отклонения стрелки изменится.
б) В соленоид, замкнутый на гальванометр, вставлена катушка (другой соленоид), через которую пропускается ток. При включении и выключении (т.е. при любом изменении тока) происходит отклонение стрелки гальванометра. Направление отклонения изменяется при включении – выключении, уменьшении – увеличении тока, вдвигании – выдвигании катушек.
Явление электромагнитной индукции заключается в том, что в замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции, охватываемого этим контуром, возникает индукционный (наведенный) электрический ток.
Возникновение индукционного тока означает, что в контуре действует электродвижущая сила ? i – ЭДС индукции.
ЭДС индукции, возникающая в проводящем контуре, равна скорости изменения магнитного потока через площадь, ограниченную этим контуром – закон Фарадея.
В 1834 г. Э.Х. Ленц установил закон, позволяющий определить направление индукционного тока.
Правило Ленца : индукционный ток в контуре всегда имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот индукционный ток.
Знак минус в законе Фарадея является математическим выражением правила Ленца.
Если контур, в котором индуцируется ЭДС, состоит не из одного витка, а из N витков (например, соленоид), то если витки соединены последовательно, ? i будет равна сумме ЭДС, индуцируемых в каждом из витков в отдельности:
- потокосцепление или полный магнитный поток.
Т.к. Ф B = BScosα , то для того чтобы изменить магнитный поток Ф можно изменить:
1) магнитное поле ;
§2 Вращение рамки в магнитном поле
Явление электромагнитной индукции используется для преобразования механической энергии и энергии электрического тока в генераторах.
Рамка площадью S вращается в однородном магнитном поле ( ) равномерно с постоянной угловой скоростью ω.
Т.к. частота сети , то для увеличения нужно увеличивать В и S . В можно увеличить, применяя мощные постоянные магниты, или в электромагнитах пропускать большие токи. Сердечник электромагнита выбирают с большим µ. Для увеличения S используют многовитковые обмотки.
Если через рамку, помещенную в магнитном поле, пропускать электрический ток, то на нее будет действовать вращающий момент
и рамка начнет вращаться. На этом принципе основана работа электродвигателей, предназначенных для превращения электрической энергии в механическую.
§3 Токи Фуко.
Индукционные токи могут возбуждаться и в сплошных массивных проводниках. В этом случае их называют токами Фуко или вихревыми токами. Электрическое сопротивление массивного проводника мало, поэтому токи Фуко могут достигать очень большой силы.
Токи Фуко, как и индукционные токи в линейных проводниках, подчиняются правилу Ленца: их магнитное поле направлено так, чтобы противодействовать изменению магнитного поля, индуцирующего вихревые токи. Поэтому движущиеся в сильном магнитном поле хорошие проводники испытывают сильное торможение, обусловленное взаимодействием токов Фуко с магнитным полем. Это используют для демпфирования (успокоения) подвижных частей гальванометров, сейсмографов и т.п. Тепловое действие токов Фуко используется в индукционных плавильных печах.
Для уменьшения токов Фуко сердечники трансформаторов делают из отдельных пластин и пластины перпендикулярны токам Фуко.
Вследствие возникновения вихревых токов быстропеременный ток неравномерно распределен по сечению провода - он вытесняется на поверхность проводника - скин-эффект. Поэтому на высоких частотах используют полые провода.
§4 Индуктивность контура.
Самоиндукция
В любом случае, когда по контуру протекает электрический ток, создается магнитное поле. При этом всегда имеется магнитный поток Ф, проходящий через поверхность, ограниченную рассматриваемым контуром. Любое изменение силы тока в контуре приводит к изменению магнитного поля, сцепленного с контуром, а это в свою очередь вызывает появление индукционного тока. Это явление получило название явления самоиндукции: возникновение Э ДС индукции в проводнике при изменении в нем тока.
Из закона Био-Савара-Лапласа следует
т.е. магнитный поток, сцепленный с контуром, пропорционален току I в контуре
[ L ] = Гн (Генри). 1 Гн - индуктивность такого контура, магнитный поток самоиндукции которого при токе 1 А равен 1 Вб .
Рассчитаем индуктивность L соленоида:
магнитная индукция В соленоида
т.е. индуктивность зависит от геометрических размеров соленоида ( ), числа витков и магнитной проницаемости сердечника соленоида. Поэтому можно сказать, что индуктивность L аналог емкости С уединенного проводника, которая также зависит от геометрических размеров, от формы и диэлектрической проницаемости среды.
Применяя к явлению самоиндукции закон Фарадея, получим, что Э ДС самоиндукции
где знак минус, обусловленный правилом Ленца, показывает, что наличие индуктивности в контуре приводит к замедлению изменения тока в нем. Если ток со временем возрастает, то , и т.е. ток самоиндукции направлен навстречу току, обусловленному внешним источником и тормозит его возрастание. Если ток со временем убывает, то и т.е. индукционный ток имеет такое же направление, как и убывающий ток в контуре, и замедляет его убывание. Следовательно, контур, обладающий индуктивностью, имеет электрическую инертность, заключающуюся в том, что любое изменение тока тормозится, тем сильнее, чем больше индуктивность контура.
В ряде технических устройств широко используется вращение проводника с током в форме рамки, помещённой в магнитное поле.
Вместо проволоки подключим к источнику тока лёгкую проволочную рамку прямоугольной формы. Поместив слева и справа от неё магниты, замкнём цепь и увидим, что рамка повернётся. Если изменить направление тока, то рамка повернётся другой стороной.
Вращение рамки с током можно объяснить тем, что на правую и на левую сторону рамки действуют силы Ампера, направленные в противоположные стороны. Под действием этих сил и происходит вращение рамки. Таким образом, магнитное поле оказывает вращающее действие на рамку с током.
Свойство рамки с током вращаться в магнитном поле используется в электроизмерительных приборах, таких, как вольтметр и амперметр. Рассмотрим принцип действия таких приборов.
Между полюсами дугообразного магнита находится рамка, удерживаемая в положении равновесия пружиной. К рамке прикреплена стрелка, движущаяся по шкале. При протекании через этот прибор электрического тока рамка под действием силы Ампера поворачивается и вызывает отклонение стрелки. При выключении тока пружина возвращает стрелку к нулевой отметке шкалы.
Читайте также: