Использование явления взаимоиндукции в электротехнических устройствах сообщение
Обновлено: 14.05.2024
Явление взаимоиндукции используется в трансформаторах. В ряде случаев явление взаимоиндукции оказывает вредное влияние. Например, при сближении проводов высоковольтных цепей с линиями связи взаимоиндукция может явиться не только источником помех, но и опасных перенапряжений в линиях связи. [5]
Явление взаимоиндукции широко применяется на практике в индукционных катушках ( § 54) и в трансформаторах для преобразования переменного напряжения из низкого в высокое и наоборот. [6]
Явление взаимоиндукции используют в электротехнических устройствах для понижения и повышения напряжения переменного тока. Такие устройства называют трансформаторами. [7]
Явление взаимоиндукции в электротехнике используется для повышения или понижения напряжения в цепях переменного тока. [9]
Явление взаимоиндукции наблюдается между близко расположенными контурами, по которым протекают электриче-ские токи. [10]
Явлением взаимоиндукции называют наведение ЭДС в одном контуре при изменении тока в другом. Наводимую ЭДС называют ЭДС взаимоиндукции и обозначают ем. [11]
На явлении взаимоиндукции основаны устройство и работа трансформаторов, предназначенных для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого ( более высокого или более низкого) напряжения. Явление взаимоиндукции используется в индукционных печах для нагрева металлических изделий и расплавления металлов. В некоторых случаях явление взаимоиндукции влечет за собой нежелательные последствия. Так, например, в радиоустройствах могут возникать помехи из-за индуктированных токов, если некоторые цепи этих устройств окажутся магнитосвязанными с посторонними электрическими цепями. [13]
На явлении взаимоиндукции основана работа трансформаторов, вариометров и других элементов. Взаимную индукцию необходимо учитывать также при определении общей индуктивности нескольких последовательно и параллельно соединенных катушек, если между ними, кроме электрической, существует и магнитная связь. [14]
Когда в одном из двух проводников меняются показатели тока или же меняется взаимное расположение этих проводников, то наблюдается изменение магнитного потока, возникающего под воздействием тока первого проводника и проходящего по второму проводнику. В результате во втором проводнике возникает электродвижущая сила (ЭДС). Под ее действием в этом проводнике образуется индуцированный ток, но при условии, что проводник замкнут. И, наоборот, изменение тока во втором контуре способствует возникновению ЭДС в первом. Это явление получило название взаимная индукция или взаимоиндукция. Именно на нем основана работа трансформаторов.
Взаимоиндукция — что это
Явление взаимной индукции — это частный случай электромагнитной индукции, открытой Фарадеем. Измеряется она в тех же единицах, что и индуктивность — Генри (Гн).
При прохождении тока по контуру ω1 возникает магнитный поток, который пронизывает витки контура ω2. Когда параметры тока на контуре ω1 меняются, на ω2 возникает ЭДС индукции. И наоборот, когда меняется ток на контуре ω2, возникает ЭДС в ω1. Это явление получило название взаимной индукции, а контуры называются связанными.
Электродвижущая сила, которая возникает во 2-м контуре под действием изменения тока в первом, вычисляется по следующей формуле:
Такое же влияние оказывает второй контур на величину ЭДС взаимоиндукции в первом. В этом случае для вычисления применяется аналогичная формула:
В формулах для определения взаимной индукции приняты такие обозначения:
Коэффициент взаимной индукции зависит от расположения контуров, их размеров, формы, а также от магнитной проницаемости среды.
В формулах присутствует еще такая величина, как потокосцепление. Его можно пояснить на примере катушки. Она состоит из определенного количества витков. Каждый из них создает магнитное поле, которое характеризуется величиной магнитного потока. Общее магнитное поле имеет потокосцепление, численно равное сумме магнитных потоков, протекающих сквозь каждый виток катушки. При использовании двухпроводной линии магнитные потоки также суммируются.
Величина потокосцепления определяется по формуле:
На самом деле потокосцепление — величина виртуальная, поскольку не существует суммы отдельных потоков, а имеется лишь магнитный поток. Тем не менее, когда нет возможности узнать реальное распределение магнитного потока по виткам, а потокосцепление известно, то можно легко вычислить количество витков, чтобы заменить катушку эквивалентной.
Практическое применение взаимной индукции
Взаимная индукция весьма важна на практике. Она взята за основу действия индукционной катушки в двигателе внутреннего сгорания. Типичным примером двух катушек, связанных магнитным полем, является трансформатор. Он широко применяется в электротехнике с целью изменения силы переменного тока и напряжения.
Изобретен трансформатор Яблочковым в 1876 году. Его основная характеристика — коэффициент трансформации. Он показывает во сколько раз ЭДС во вторичном контуре меньше (или больше) ЭДС в первом. Рассчитывается по формуле:
Как видно из формулы, сила тока в обмотках находится в обратно пропорциональной зависимости от количества витков этих обмоток и ЭДС. Следовательно, применение трансформатора с соответствующим коэффициентом трансформации позволяет повышать или понижать значение электродвижущей силы и, соответственно, повышать или понижать силу тока.
Трансформаторы повышающего действия применяются в линиях передачи электроэнергии на большие расстояния, а с понижающим — в устройствах для электросварки и прочих, где требуется высокое значение тока при низком напряжении.
В радиотехнике используются приборы, действие которых основывается на взаимной индуктивности. Они называются вариометрами и применяются там, где необходимо плавно изменять индуктивность цепи. Например, две телефонные линии оказывают влияние друг на друга, что мешает их работе.
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
Цели урока: в ходе ролевой игры доказать полезное применение явления взаимоиндукции в электротехнических устройствах.
Урок – брифинг: для подготовки к уроку была проведена дополнительная работа: учащиеся познакомились с предложенной преподавателем литературой, работали над эссе по данной теме, выполняли тесты и учились с системой проведения брифингов, обращая внимания на главное в данной системе: внимательно выслушать вопрос и найти правильный ответ, который должен быть доказан с использованием точных аргументов.
Цели (формирование компонентов общих и профессиональных компетенций):
а) образовательная
- стимулировать познавательный интерес студентов к изучению дисциплин профессионального цикла, сформировать коммуникативные компетенции;
- интегрировать знания из различных дисциплин для изучения темы;
- - развить навыки устной речи в области профессиональной коммуникации.
б) развивающая
- способствовать развитию у студентов навыков самообразования, создать дополнительную мотивацию деятельности для развития потребности в приобретении знаний.
в) воспитательная
- подготовить студентов к практической деятельности;
- воспитать культуру взаимоотношений.
г) методическая
- показать методику проведения интегрированного занятия с элементами ролевой игры.
План занятия
I . Организационный момент:
1.1 Проверка готовности аудитории.
1.2 Проверка отсутствующих.
Время: 5 мин.
II . Основная часть:
2.1 Постановка цели занятия и мотивация учебной деятельности студентов.
Создать условия мотивированного применения умений и знаний по теме
Время: 5 мин.
2.2 Повторение и анализ основных фактов, событий, явлений.
Презентация студентами выставочного оборудования (действующие макеты и модели конвейеров). Демонстрация видеофрагментов.
Время: 20 мин.
2.3 Обобщение и систематизация понятий, усвоение системы знаний и их применение для объяснения новых фактов.
2.3.1 Технический форум.
Время: 20 мин.
III . Проверка усвоения ведущих идей и основных теорий.
Время: 10 мин.
Группа делится на три подгруппы:
Журналисты, которые задают вопросы по данной теме
Выступающие, которые доказывают, как мжно использовать явление взаимоиндукции.
Экспертный совет, оценивающий правильность выбранных доказательств.
На рассмотрение выносятся следующие вопросы
1.Практическое применение закона электромагнитной индукции Фарадея
После знакомства с публикациями 1821 года, описывающими опыты датского ученого Эрстеда об отклонениях магнитной стрелки около проводника с электрическим током, Майкл Фарадей поставил перед собой задачу: преобразовать магнетизм в электричество .
Через 10 лет исследований он сформулировал основной закон электромагнитной индукции, объяснив, что внутри любого замкнутого контура наводится электродвижущая сила. Ее величина определяется скоростью изменения магнитного потока, пронизывающего рассматриваемый контур, но взятую со знаком минус.
2. Передача электромагнитных волн на расстояние
Первая догадка, которая осенила мозг ученого, не увенчалась практическим успехом.
Он расположил рядом два замкнутых проводника. Около одного установил магнитную стрелку в качестве индикатора проходящего тока, а в другой провод подал импульс от мощного гальванического источника того времени: вольтова столба.
Исследователь предполагал, что при импульсе тока в первом контуре изменяющееся в нем магнитное поле наведет во втором проводнике ток, который отклонит магнитную стрелку. Но, результат оказался отрицательным — индикатор не сработал. Вернее, ему не хватило чувствительности.
Мозг ученого предвидел создание и передачу электромагнитных волн на расстояние, которые сейчас используются в радиовещании, телевидении, беспроводном управлении, Wi-Fi технологиях и подобных устройствах. Его просто подвела несовершенная элементная база измерительных устройств того времени.
Производство электроэнергии
После проведения неудачного опыта Michael Faraday видоизменил условия эксперимента.
Для опыта Фарадей использовал две катушки с замкнутыми контурами. В первый контур он подавал электрический ток от источника, а во втором наблюдал за появлением ЭДС. Проходящий по виткам обмотки №1 ток создавал вокруг катушки магнитный поток, пронизывающий обмотку №2 и образовывающий в ней электродвижущую силу.
Во время эксперимента Фарадей:
включал импульсом подачу напряжения в цепь при неподвижных катушках;
при поданном токе вводил в нижнюю катушку верхнюю;
закреплял стационарно обмотку №1 и вводил в нее обмотку №2;
изменял скорость перемещения катушек относительно друг друга.
Во всех этих случаях он наблюдал проявление ЭДС индукции во второй катушке. И лишь при прохождении постоянного тока по обмотке №1 и неподвижных катушках наведения электродвижущей силы не было.
Ученый определил, что наводимая во второй катушке ЭДС зависит от скорости, с которой меняется магнитный поток. Она пропорциональна его величине.
Эта же закономерность полностью проявляется при прохождении замкнутого витка сквозь силовые магнитные линии поля постоянного магнита. Под действием ЭДС в проводе образуется электрический ток.
Магнитный поток в рассматриваемом случае изменяется в контуре Sк, созданном замкнутой цепью.
Таким способом созданная Фарадеем разработка позволила поместить в магнитное поле вращающуюся токопроводящую рамку.
Ее затем сделали из большого количества витков, закрепили в подшипниках вращения. По концам обмотки вмонтировали токосъемные кольца и щетки, скользящие по ним, а через выводы на корпусе подключили нагрузку. Получился современный генератор переменного тока.
Его более простая конструкция создалась тогда, когда обмотку закрепили на стационарном корпусе, а вращать стали магнитную систему. В этом случае способ образования токов за счет электромагнитной индукции никак не нарушался.
Принцип работы электродвигателей
Закон электромагнитной индукции, который обсновал Michael Faraday, позволил создать различные конструкции электрических двигателей. Они имеют сходное устройство с генераторами: подвижный ротор и статор, которые взаимодействуют между собой за счет вращающихся электромагнитных полей.
Только через обмотку статора электродвигателя пропускают электрический ток. Он индуцирует магнитный поток, влияющий на магнитное поле ротора. В результате возникают силы, раскручивающие вал двигателя. Смотрите по этой теме - Принцип действия и устройство электродвигателя
Трансформация электроэнергии
Майкл Фарадей определил возникновение наведенной электродвижущей силы и индукционного тока в рядом расположенной обмотке при изменении магнитного поля в соседней катушке.
Ток внутри близлежащей обмотки наводится при коммутациях цепи выключателя в катушке 1 и всегда присутствует во время работы генератора на обмотку 3.
На этом свойстве, получившем название взаимоиндукции , основана работа всех современных трансформаторных устройств.
У них для улучшения прохождения магнитного потока изолированные обмотки надеты на общий сердечник, обладающий минимальным магнитным сопротивлением. Его изготавливают из специальных сортов стали и формируют наборными тонкими листами в виде секций определенной формы, называют магнитопроводом.
Трансформаторы передают за счет взаимоиндукции энергию переменного электромагнитного поля из одной обмотки в другую так, что при этом происходит изменение, трансформация величины напряжения на входных и выходных его клеммах.
Соотношение количества витков в обмотках определяет коэффициент трансформации , а толщина провода, конструкция и объем материала сердечника — величину пропускаемой мощности, рабочий ток.
Работа индуктивностей
Проявление электромагнитной индукции наблюдается в катушке во время изменения в ней величины протекающего тока. Этот процесс получил название самоиндукции .
При включении выключателя на приведенной схеме индукционный ток видоизменяет характер прямолинейного нарастания рабочего тока в цепи, как и во время отключения.
Когда же к проводнику, смотанному в катушку, прикладывается не постоянное, а переменное напряжение, то через нее протекает уменьшенное индуктивным сопротивлением значение тока. Энергия самоиндукции сдвигает по фазе ток относительно приложенного напряжения.
Это явление используется в дросселях, которые предназначены для уменьшения больших токов, возникающих при определенных условиях работы оборудования. Такие устройства, в частности, применяются в схеме зажигания люминесцентных ламп .
Конструктивная особенность магнитопровода у дросселя — разрез пластин, который создается для дополнительного повышения магнитного сопротивления магнитному потоку за счет образования воздушного зазора.
Дроссели с разрезным и регулируемым положением магнитопровода используются во многих радиотехнических и электрических устройствах. Довольно часто их можно встретить в конструкциях сварочных трансформаторов. Ими уменьшают величину электрической дуги, пропускаемой через электрод, до оптимального значения.
Индукционные печи
Явление электромагнитной индукции проявляется не только в проводах и обмотках, но и внутри любых массивных металлических предметов. Наводимые в них токи принято называть вихревыми. При работе трансформаторов и дросселей они вызывают нагрев магнитопровода и всей конструкции.
Для предотвращения этого явления сердечники изготавливают из тонких металлических листов и изолируют между собой слоем лака, препятствующим прохождению наведенных токов.
В обогревательных конструкциях вихревые токи не ограничивают, а создают для их прохождения наиболее благоприятные условия. Индукционные печи широко применяются в промышленном производстве для создания высоких температур.
Электротехнические измерительные устройства
В энергетике продолжает работать большой класс индукционных приборов. Электрические счетчики с вращающимся алюминиевым диском, аналогичные конструкции реле мощности, успокоительные системы стрелочных измерительных приборов функционируют на основе принципа электромагнитной индукции.
Газовые магнитные генераторы
Если вместо замкнутой рамки в поле магнита перемещать токопроводящий газ, жидкость или плазму, то заряды электричества под действием магнитных силовых линий станут отклоняться в строго определенных направлениях, формируя электрический ток. Его магнитное поле на смонтированных электродных контактных пластинах наводит электродвижущую силу. Под ее действием в подключенной цепи к МГД-генератору создается электрический ток.
Так закон электромагнитной индукции проявляется в МГД-генераторах.
Здесь нет таких сложных вращающихся частей, как ротор. Это упрощает конструкцию, позволяет значительно повышать температуру рабочей среды, а, заодно и эффективность выработки электроэнергии. МГД-генераторы работают в качестве резервных либо аварийных источников, способных вырабатывать значительные потоки электроэнергии в малые промежутки времени.
Таким образом, закон электромагнитной индукции, обоснованный Майклом Фарадеем в свое время продолжает оставаться актуальным в наши дни.
Преподаватели подводят итоги, выставляют оценки, отмечают отличившихся студентов, акцентируют внимание на их готовности к усвоению материала следующего занятия, благодарят за активную и плодотворную работу.
Если на замкнутый электрический контур производить воздействие магнитным полем, при этом изменять величину магнитного потока внутри контура, то в контуре возникнет индукционный электрический ток, что обусловлено явлением электромагнитной индукции.
Величину магнитного потока внутри контура можно менять самыми разнообразными способами, и во всех этих случаях в контуре будет возникать индукционный ток. Можно, например, составить две электрические цепи, изображенные на рисунке 1.
Рисунок 1. Явление взаимной индукции в двух индуктивно связанных цепях. При каждом включении и выключении тока в первой цепи во второй цепи возникает индукционный ток.
При каждом включении и выключении тока в первой цепи во второй цепи будет возникать индукционный ток. Объясняется это тем, что при включении тока вокруг первой цепи возникают магнитные силовые линии. Так как вторая цепь находится в непосредственной близости к первой, то часть магнитных силовых линий будет охватывать вторую цепь или, иначе, часть магнитного потока, создаваемого первым контуром, будет пронизывать второй контур. Поэтому во втором контуре будет возникать ЭДС индукции и как следствие - индукционный ток при каждом появлении и исчезновении магнитного потока.
Две цепи, подобные изображенным на рисунке 1, называются индуктивно связанными, а само явления возникновения индукционного тока в двух близко расположенных цепях называется взаимной индукцией или взаимоиндукцией.
Однако явление взаимоиндукции часто используется для передачи электрической энергии из одной цепи в другую, например, в таких приборах как трансформаторы, токовые датчики и т. д.
ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!
Взаимоиндукцией называется явление индуцирования э. д. с. в проводнике или катушке при изменении магнитного потока, создаваемого другим проводником (катушкой). Индуцируемая таким образом э. д. с. ем носит название э. д. с. взаимоиндукции. Примером является индуцирование э. д. с. ем в проводнике ВГ (см. рис. 54) при изменении тока i1 в проводнике АБ, а также индуцирование э. д. с. е2 в катушке 2 (см. рис. 55, а) при изменении тока в катушке 1.
Если два замкнутых контура или две катушки 1 и 2 (рис. 66) сцеплены с общим магнитным потоком Ф12, то такие контуры и катушки называют индуктивно или магнитносвязанными. Для оценки степени их связи введено понятие взаимоиндуктивности М. Взаимоиндуктивность, так же как и индуктивность L, измеряется в генри (Гн).
Если известна взаимоиндуктивность М, то э. д. с. взаимоиндукции ем, индуцированная в каком-либо контуре или катушке, при изменении тока i в другом контуре или катушке может быть получена из формулы (51) для индуцированной э. д. с. При этом
ем = – M ?i / ?t (55)
Рис. 66. Две индуктивно связанные катушки
Следовательно, э. д. с. взаимоиндукции так же как и э. д. с. само
индукции, пропорциональна скорости ?i/?t изменения тока, создающего магнитное поле. Кроме того, она зависит от числа витков обеих катушек ?1 и ?2 и от магнитного сопротивления связывающего их магнитопровода (т. е. от его длины l, поперечного сечения s и магнитной проницаемости). Направление э. д. с. взаимоиндукции определяется по правилу Ленца: она всегда направлена так, что стремится препятствовать изменению создающего ее тока.
Взаимоиндукция дает возможность связывать посредством магнитного поля различные электрические цепи. Явление взаимоиндукции широко используются в трансформаторах, радиотехнических устройствах и устройствах автоматики. Однако в некоторых случаях возникновение э. д. с. взаимоиндукции является нежелательным. Например, э. д. с. взаимоиндукции, индуцированные в линиях связи (телефонных и телеграфных проводах), проложенных вдоль высоковольтных линий электропередачи или вдоль контактной сети
электрофицированных железных дорог переменного тока, создают помехи при передаче телефонных или телеграфных сигналов. Поэтому линии связи стремятся располагать перпендикулярно проводам линий электропередачи или выполнять их в виде кабельных линий, защищенных металлическими экранами.
Читайте также: