Действие электрического поля на вещества

Лекция №1

Ведение

Электрическая машина представляет собой электромеханическое устройство, осуществляющее взаимное преобразование механической и электрической энергии.

Принцип действия электромагнитных устройств и электрических машин основан на явлении электромагнитной индукции. Явление электромагнитной индукции возникает при изменении магнитного потока, связанного с обмотками машины. Это изменение может происходить или при перемещении обмоток в магнитном поле, или вследствие изменения во времени величины связанного с ними потока, или обоими этими способами.

Электрические машины подразделяются на генераторы и двигатели.

По роду тока электрические машины и электромагнитные устройства разделяются на машины и устройства постоянного и переменного тока.

Машины постоянного тока используются как генераторы и двигатели, электромашинные усилители и преобразователи напряжения постоянного тока. Двигатели постоянного тока обычно предназначаются для электроприводов, требующих широкого диапазона регулирования скорости вращения. Двигатели малой мощности часто применяются в системах автоматического регулирования в качестве исполнительных двигателей.

К машинам переменного тока относятся синхронные и асинхронные машины, трансформаторы и преобразователи переменного тока.

Синхронные машины используются как генераторы переменного тока, синхронные двигатели разных мощностей и компенсаторы реактивной мощности. Большое распространение получили синхронные двигатели малых мощностей в системах автоматического регулирования, требующих постоянной скорости вращения.

Асинхронные машины используются преимущественно как двигатели. Они просты в изготовлении, относительно дешевы и надежны в эксплуатации. Поэтому асинхронные двигатели по сравнению с двигателями других типов, получили наибольшее распространение. В электроприводах средней и большой мощности применяются трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, у которых скорость вращения практически не изменяется. У двигателей с фазным ротором можно плавно регулировать скорость вращения. В бытовой технике и в схемах автоматики используются асинхронные исполнительные двигатели, имеющие двухфазную обмотку на статоре и запитываемые от однофазной сети.

Трансформаторы – однофазные и трехфазные, применяют для преобразования величины входного переменного напряжения в зависимости от коэффициента трансформации.

Электрические машины мощностью до 600 Вт составляют класс микромашин. Микромашины имеют скорость вращения от одного оборота в час до 30000 об/мин и более и широко применяются в бытовой технике и в системах автоматического регулирования. Основная группа микромашин – это двигатели для бытовой техники и исполнительные двигатели автоматических устройств. Вторая группа микромашин, используемая в основном в системах автоматики, это информационные электрические машины. Если исполнительные двигатели преобразуют электрический сигнал в заданное механическое вращение или поворот вала, то информационные микромашины преобразуют скорость механического вращения в электрический сигнал (тахогенераторы), механический угол поворота в электрический сигнал (поворотные трансформаторы), а также служат для одновременного поворота или вращения двух или нескольких механически не связанных между собой осей (сельсины).

Электромагнитные устройства – это исполнительные и командные релейные устройства, используемые в качестве исполнительных устройств в аппаратуре управления и аварийной защиты электротехнических устройств. К электромагнитным устройствам относятся контакторы постоянного и переменного тока, бесконтактные реле, магнитные пускатели, автоматические выключатели, температурные реле и реле времени.

Электромагнитные устройства, электрические машины, информационные микромашины являются основными элементами современных устройств бытовой техники, промышленных силовых и информационных электротехнических изделий.

Рассмотрим классификацию электрических машин по принципу действия.

Все электрические машины разделяются на бесколлекторные и коллекторные, различающиеся как принципом действия, так и конструкцией.

Бесколлекторные машины — это машины переменного тока.

Они разделяются на асинхронные и синхронные.

Асинхронные машины применяются преимущественно в качестве двигателей,

Синхронные — как в качестве двигателей, так и в качестве генераторов.

Коллекторные машины применяются главным образом для работы на постоянном токе в качестве генераторов или двигателей. Лишь коллекторные машины небольшой мощности делают универсальными двигателями, способными работать как от сети постоянного, так и от сети переменного тока.

МДК.01.01 «Электрические машины» помимо собственно электрических машин предусматривает изучение трансформаторов.

Трансформаторами называются статическими преобразователями электроэнергии переменного тока. Отсутствие каких-либо вращающихся частей придает трансформаторам конструкцию, принципиально отличающую их от электрических машин. Однако принцип действия трансформаторов, так же как и принцип действия электрических машин, основан на явлении электромагнитной индукции, и поэтому многие положения теории трансформаторов составляют основу теории электрических машин переменного тока.

Основные понятия и определения

Любые материальные тела состоят из мельчайших элементарных частиц, которые могут иметь положительный или отрицательный заряд. Например, ядро атомов имеет положительный заряд, электроны имеют отрицательный заряд.

Заряды взаимодействуют друг с другом. Одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые - притягиваются. Взаимодействие зарядов происходит за счёт электрического поля, которое окружает эти заряды.

Электрическое поле — это особый вид материи, которая существует вокруг электрически заряженных элементарных частиц (электроны и протоны). Через электрические поля передаётся воздействие одного электрического заряда (неподвижного) на иной неподвижный электрический заряд. Данное взаимодействие происходит в соответствии с известными законами Кулона.

Рис 1. Электрическое поле изображается графически при помощи электрических силовых линий.

К свойствам электрического поля можно отнести:

· невидимость (их определение происходит через поведение пробного электрического заряда)

· электрические поля взаимодействуют только лишь с электрическими полями

· оно имеет векторное направление

· может притягивать либо отталкивать

· существует всегда вокруг заряженных частиц (в отличие от магнитного поля)

· обладает свойством концентрации и неоднородности (имеется в виду НАПРЯЖЕННОСТЬ)

Выделяют следующие характеристики электрического поля:

1. Напряжённость электрического поля - это силовая характеристика – электрического поля – (это сила, которая действует на единицу заряда, помещённого в данное электрическое поле:

E = F/q). (1)

Единица измерения [В/м].

За направление напряжённости принимают направление силы, действующей на положительный заряд.

Величина напряжённости электрического поля графически изображается в виде силовых линий – тех линий, направление касательных к которым в любой точке совпадают с направлением напряжённости электрического поля. Чем больше линий – тем больше напряжённость.

Электрическое поле определяется при помощи пробного точечного заряда. Если электрический заряд (пробный заряд) обладает электрическим полем внести в интересующую нас точку пространства, можно выяснить — если в данном месте электрическое поле. Если начнёт действовать электрическая сила, то значит, в этой точки поле есть. Интенсивность данного электрического поля будет характеризовать напряженность поля.

Силы, которые действуют на один и тот же точечный электрический заряд будут отличатся по направлению и величине в различных точках электрического поля. Поэтому и было целесообразно ввести силовую характеристику любой точки данного поля, созданного зарядом. К сожалению, сила « F » (Кулона) подобной характеристикой послужить не может, поскольку для одной точки поля эта сила будет прямо пропорциональна величине точечного заряда.

Напряжённость измеряется силой, с которой электрическое поле действует на единичный положительный заряд, что был внесён в некую точку определяемого поля в пространстве. Напряженность является векторной величиной. Напряжённость электрического поля измеряется в Вольтах делить на метр.

(2)

И ещё, что можно сказать о напряжённости — если электрическое поле создаётся одновременно множеством электрических зарядов, то результативная (общая) напряжённость « E » в определённой точке электрического поля находится как геометрическая сумма всех имеющихся напряженностей, созданных в данной точке каждым конкретным электрическим зарядом в отдельности.

2. Потенциал - это энергетическая характеристика электрического поля.

В каждой точке электрического поля на внесённый в это поле заряд действует определённая сила. При перемещении заряда в электрическом поле будет совершаться работа. При этом каждая точка электрического поля будет характеризоваться потенциалом.

Потенциал поля в данной точке – это потенциальная энергия электрического поля в этой точке, приходящаяся на единицу помещённого в эту точку заряда:

φ = W_p/q [В], (3)

где

W_р- потенциальная энергия электрического поля в этой точке, Дж (джоуль)

q - величина заряда, Кл (кулон)

Потенциал поля характеризует возможную работу, которую совершает электрическое поле или которая совершается над электрическим полем при перемещении этого заряда в точку с другим потенциалом:

φ ₁- φ ₂ = A/q [В], (4)

А- работа, которую совершает электрическое поле при перемещении заряда q из точки φ ₁в точку φ ₂с другим потенциалом.

Величина φ ₁- φ ₂называется разность потенциалов, или напряжение.

С ледовательно,

Напряжение - это, так же, энергетическая характеристика электрического поля

Поскольку работа будет совершаться только при перемещении заряда между точками, обладающими неодинаковыми потенциалами, то физический смысл имеет лишь разность потенциалов, или напряжение между двумя точками электрического поля. Поэтому, когда употребляют термин ″ потенциал″, имеют в виду разность потенциалов между данной точкой, потенциал которой измеряют, и бесконечно удалённой точкой пространства, потенциал которой можно считать равным 0.

Разность потенциалов можно измерить с помощью вольтметра.

Магнитное поле

При прохождении электрического тока по проводнику вокруг него образуется магнитное поле.

Магнитное поле, это часть электромагнитного поля.

Магнитное поле - это особый вид материи, которая существует вокруг подвижных электрических зарядов.

Оно обладает энергией, которая проявляет себя в виде электромагнитных сил, действующих на отдельные движущиеся электрические заряды (электроны и ионы) и на их потоки, т. е. электрический ток. Под влиянием электромагнитных сил движущиеся заряженные частицы отклоняются от своего первоначального пути в направлении, перпендикулярном полю. Магнитное полеобразуется только вокруг движущихся электрических зарядов, и его действие распространяется тоже лишь на движущиеся заряды. Магнитное и электрические поля неразрывны и образуют совместно единое электромагнитное поле. Всякое изменение электрического поля приводит к появлению магнитного поля и, наоборот, всякое изменение магнитного поля сопровождается возникновением электрического поля. Электромагнитное поле распространяется со скоростью света, т. е. 300 000 км/с.

В электротехнике принято рассматривать свойства электрического и магнитного полей по отдельности.

Рис. 2 Структура магнитного поля

Графическое изображение магнитного поля. Графически магнитное поле изображают магнитными силовыми линиями или линии магнитной индукции, которые проводят так, чтобы направление силовой линии в каждой точке поля совпадало с направлением сил поля (рис.3); магнитные силовые линии всегда являются непрерывными и замкнутыми. Направление магнитного поля в каждой точке может быть определено при помощи магнитной стрелки. Северный полюс стрелки всегда устанавливается в направлении действия сил поля. Конец постоянного магнита, из которого выходят силовые линии (рис. 6), принято считать северным полюсом, а противоположный конец, в который входят силовые линии, — южным полюсом (силовые линии, проходящие внутри магнита, не показаны). Распределение силовых линий между полюсами плоского магнита можно обнаружить при помощи стальных опилок, насыпанных на лист бумаги, положенный на полюсы. Для магнитного поля в воздушном зазоре между двумя параллельно расположенными разноименными полюсами постоянного магнита характерно равномерное распределение силовых магнитных линий (силовые линии, проходящие внутри магнита, не показаны).

Линии магнитной индукции - это линии, касательными к которой в любой её точке является вектор магнитной индукции.

Рис. 3 Линия магнитной индукции

Однородное магнитное поле - это магнитное поле, у которого в любой его точке вектор магнитной индукции неизменен по величине и направлению;

Наблюдается между пластинами плоского конденсатора, внутри соленоида (если его диаметр много меньше его длины) или внутри полосового магнита.

Соленоид - это катушка из провода с железным сердечником.

Рис. 4 Однородное магнитное поле между полюсами постоянного магнита.

Магнитное поле прямого проводника с током изображается в виде концентрических окружностей:

или

где - направление тока в проводнике на нас перпендикулярно плоскости листа,
- направление тока в проводнике от нас перпендикулярно плоскости листа.

Рис. 5 Направление тока в проводнике

Магнитное поле соленоида:

Рис. 6 Магнитное поле соленоида

Магнитное поле полосового магнита:

- аналогично магнитному полю соленоида.

СВОЙСТВА ЛИНИЙ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

имеют направление;
непрерывны;
замкнуты (т.е. магнитное поле является вихревым);
не пересекаются;
по их густоте судят о величине магнитной индукции.

НАПРАВЛЕНИЕ ЛИНИЙ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

- определяется по правилу буравчика или по правилу правой руки.

Правило буравчика ( в основном для прямого проводника с током):

Если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением линий магнитного поля тока.

Рис. 7 Правило буравчика

Правило правой руки ( в основном для определения направления магнитных линий
внутри соленоида):

Если обхватить соленоид ладонью правой руки так, чтобы четыре пальца были направлены вдоль тока в витках, то отставленный большой палец покажет направление линий магнитного поля внутри соленоида.

Рис.8 Правило правой руки

Существуют другие возможные варианты применения правил буравчика и правой руки.

Таким образом, для получения магнитного поля необходимо иметь катушку с железным сердечником.

Все электрические машины и трансформаторы используют магнитное поле, следовательно, все они имеют обмотки с сердечником.

Индукционный ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре, имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток.

Правило Ленца

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

Рис. 10 Правило Ленца

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.

Закон Ампера

Закон Ампера - один из важнейших и полезнейших законов в электротехнике, без которого немыслим научно-технический прогресс. Этот закон был впервые сформулирован в 1820 году Андре Мари Ампером. Из него следует, что два расположенные параллельно проводника, по которым проходит электрический ток, притягиваются, если направления токов совпадают, а если ток течёт в противоположных направлениях, то проводники отталкиваются. Взаимодействие здесь происходит посредством магнитного поля, которое перманентно возникает при движении заряженных частиц.

Закон Ампера устанавливает, что на проводник с током, помещенный в однородное магнитное поле, действует сила, пропорциональная силе тока I, длине проводника l и индукции магнитного поля В.

Математически закон Ампера в простой форме выглядит так:

F = BILsinα,

где F - это сила Ампера или электромагнитная сила (сила, с которой проводники отталкиваются или притягиваются),

B — магнитная индукция, Тл;

I — сила тока А;

L — длина проводника, м;

α — угол между направлением тока и направлением магнитной индукции.

Эта формула закона Ампера оказывается справедливой для прямолинейного проводника и однородного поля.

Для определения направления силы, действующей на проводник с током, помещенный в магнитное поле, применяется правило левой руки.

Рис. 11 Правило левой руки.

Закон Ампера - используется во всех электрических машинах, прежде всего, в принципе действия электродвигателей.

Именно под действием силы Ампера происходит вращение ротора, поскольку на его обмотку влияет магнитное поле статора, приводя в движение. Любые транспортные средства на электротяге для приведения во вращение валов, на которых находятся колёса, используют силу Ампера (трамваи, электрокары, электропоезда и др).

Любые узлы в электротехнике, где под действием электромагнитного поля происходит движение каких-либо элементов, используют закон Ампера. Самый широко распространённый и используемый чуть-ли не во всех технических конструкциях агрегат, в основе своей работы использующий закон Ампера - это электродвигатель, либо, что конструктивно почти то же самое, генератор.

Также магнитное поле приводит в движение механизмы электрозапоров (электродвери, раздвигающиеся ворота, двери лифта). Другими словами, любые устройства, которые работают на электричестве и имеющие вращающиеся узлы основаны на эксплуатации закона Ампера. Также он находит применение во многих других видах электротехники, например, в громкоговорителе.

В громкоговорителе или динамике для возбуждения мембраны, которая формирует звуковые колебания используется постоянный магнит. На него под действием электромагнитного поля, создаваемого расположенным рядом проводником с током, действует сила Ампера, которая изменяется в соответствии с нужной звуковой частотой.

Литература: Кацман М.М. Электрические машины. §В1-В3

Лекция №1

Ведение

Электрические машины подразделяются на генераторы и двигатели.

Рассмотрим классификацию электрических машин по принципу действия.

Бесколлекторные машины — это машины переменного тока.

Они разделяются на асинхронные и синхронные.

Асинхронные машины применяются преимущественно в качестве двигателей,

Синхронные — как в качестве двигателей, так и в качестве генераторов.

Основные понятия и определения

Рис 1. Электрическое поле изображается графически при помощи электрических силовых линий.

К свойствам электрического поля можно отнести:

· невидимость (их определение происходит через поведение пробного электрического заряда)

· электрические поля взаимодействуют только лишь с электрическими полями

· оно имеет векторное направление

· может притягивать либо отталкивать

· существует всегда вокруг заряженных частиц (в отличие от магнитного поля)

· обладает свойством концентрации и неоднородности (имеется в виду НАПРЯЖЕННОСТЬ)

E = F/q). (1)

(2)

2. Потенциал - это энергетическая характеристика электрического поля.

φ = W_p/q [В], (3)

где

W_р- потенциальная энергия электрического поля в этой точке, Дж (джоуль)

q - величина заряда, Кл (кулон)

φ ₁- φ ₂ = A/q [В], (4)

Величина φ ₁- φ ₂называется разность потенциалов, или напряжение.

С ледовательно,

Напряжение - это, так же, энергетическая характеристика электрического поля

Разность потенциалов можно измерить с помощью вольтметра.

Действие электрического поля на вещества

Действие электрического поля на различные вещества неодинаково и зависит от их внутреннего строения. По этому действию все вещества делят на:
- проводники электрического тока
- полупроводники
- изоляторы, или диэлектрики.

Проводники характеризуются тем, что в них под действием электрического поля образуется электрический ток

Электрический ток – направленное движение заряженных частиц. Это происходит благодаря тому, что в проводниках имеются свободные заряды.

Существуют проводники 1 рода (металлы, в которых есть свободные электроны) и 2 рода (растворы электролитов, в которых свободными зарядами являются положительно заряженные ионы – катионы и отрицательно заряженные ионы – анионы).

Полупроводники при обычной температуре имеют мало свободных зарядов. Причём когда электроны в полупроводниках становятся свободными, то на их месте образуется дырка – избыток положительного заряда. Поэтому носителями заряда в полупроводниках являются электроны и дырки.

В диэлектриках нет свободных носителей зарядов, поэтому под действием электрического поля в них не возникает электрического тока, но возникает явление, называемое поляризацией диэлектрика – приобретение диэлектриком полярности за счёт разделения в нём положительных и отрицательных зарядов под действием электрического поля.

Основной характеристикой электрического тока является сила тока – количество заряда, пересекающее поперечное сечение проводника за единицу времени.

I_ср= Δ q/Δ t или для мгновенной силы тока: I = dq/dt. (5)

Единицей измерения силы тока является ампер (A). 1 ампер – сила тока, когда заряд 1 кулон проходит через поперечное сечение проводника за 1 секунду. Часто используют миллиампер (мА). 1 мА = 0, 001 A.

Обычно за направление электрического тока в проводнике принимают направление движения положительных зарядов, т. е. от " плюса" к " минусу".

Различают:

Постоянный ток – электрический ток, параметры которого (сила и направление) не изменяются во времени.

Переменный ток – электрический ток, параметры которого изменяются во времени по закону синуса или косинуса. Электрический ток, передаваемый в потребительской электросети, представляет собой синусоидальное колебание частотой 50 Гц:

I = I_max·cos(ω t + φ ₀). (6)

Основным законом, описывающим постоянный электрический ток, является закон Ома

Закон Ома. С ила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению между его концами и обратно пропорциональна сопротивлению проводника

I = U/R. (7)

12 3 Следующая ⇒