ЯВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ. ЗАКОН ФАРАДЕЯ И ЕГО ВЫВОД ИЗ ЗАКОНА СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ.

Рис. 71.

Электромагнитная индукция — это возникновение электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении потока вектора магнитной индукции, охватываемого этим контуром. Величина индукционного тока не зависит от способа изменения магнитного потока и определяется только скоростью его изменения.

Возникновение индукционного тока указывает на наличие в цепи электродвижущей силы ( Э.Д.С. индукции).

E_i = - dФ/dt. (13.1)

Знак минус показывает, что увеличение потока ( dФ/dt > 0 ) вызывает Э.Д.С. Е_i < 0, (13.2)

т.е. поле индукционного тока направлено навстречу потоку. Уменьшение потока ( dФ/dt < 0 ) вызывает

E_i > 0, (13.3)

т.е. направление потока и поля индукционного тока совпадают.

Правило Ленца: индукционный ток в контуре имеет всегда такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот индукционный ток.

Если полное сопротивление контура равно R, то, согласно закону сохранения энергии, работа источника тока за время dt

( E_i.I.dt ) (13.4)

будет складываться из работы на джоулеву теплоту

( I².R.dt ) (13.5)

и работы по перемещению проводника в магнитном поле ( I.dФ ):

E_i.I.dt = I².R.dt + I.dФ, (13.6)

откуда

I = [E_i - dФ/dt]/R, (13.7)

где –

dФ/dt = E_i. (13.8)

Рис. 72. Иллюстрация правила Ленца. В этом примере ∆ Ф/∆ t > 0. а инд < 0. Индукционный ток Iинд течет навстречу выбранному положительному направлению l обхода контура.

Закон Фарадея является универсальным: Э.Д.С. не зависит от способа изменения магнитного потока. Если проводник движется в постоянном магнитном поле, то сила Лоренца, действующая на заряды внутри проводника, движущиеся вместе с проводником, будет направлена противоположно току, т.е. она будет создавать в проводнике индукционный ток противоположного направления. Возникновение Э.Д.С. индукции при движении контура в постоянном магнитном поле объясняется действием силы Лоренца при движении проводника.

По закону Фарадея, возникновение Э.Д.С. электромагнитной индукции возможно и в случае неподвижного контура, находящегося в переменном магнитном поле. Cила Лоренца на неподвижные заряды не действует и в этом случае ею нельзя объяснить возникновение Э.Д.С. индукции. Максвелл для объяснения Э.Д.С. индукции в неподвижных проводниках предположил, что всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле, которое и является причиной возникновения индукционного тока. Циркуляция вектора Е_В этого поля по любому неподвижному контуру L проводника представляет собой Э.Д.С. индукции:

E_i = ò E_B.dl = - dФ/dt. (13.9)

Рис. 73. Возникновение ЭДС индукции в движущемся проводнике. Указана составляющая силы Лоренца, действующей на свободный электрон.

Какова природа э.д.с. электромагнитной индукции? Если проводник (подвижная перемычка контура на рис. ) движется в постоянном магнитном поле, то сила Лоренца, действующая на заряды внутри проводника, движущиеся вместе с проводни­ком, будет направлена противоположно току, т. е. она будет создавать в проводнике индукционный ток противоположного направления (за направление электрического тока принимается движение положительных зарядов). Таким образом, возбуждение э.д.с. индукции при движения контура в постоянном магнитном поле объясняется действием силы Лоренца, возникающей при движении проводника.

 

ВРАЩЕНИЕ РАМКИ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ.

Явление электромагнитной индукции применяется для преобразования механической энергии в энергию электрического тока. Для этого используют генераторы, принцип действия которых можно рассмотреть на примере плоской рамки, вращающейся в однородном магнитном поле. Рамка вращается с постоянной угловой скоростью w = const. Магнитный поток, сцепленный с рамкой площадью S, в момент времени t, равен:

Ф = B_n.S = B.S.cosa = B.S.coswt, ( 13.10.)

где a = wt - угол поворота рамки в момент времени t. При вращении рамки в ней возникает переменная Э.Д.С. индукции

Е_i = - dФ/dt = B.S.w.sinwt. (13.11.)

При

sinwt = 1, (13.12.)

E_max = B.S.w. (13.13.)

Рис. 74.Модель. Генератор переменного тока.

ВИХРЕВЫЕ ТОКИ (ТОКИ ФУКО).

Индукционный ток возникает в массивных сплошных проводниках, помещенных в переменное магнитное поле. Эти токи оказываются замкнутыми в толще проводника и поэтому называются вихревыми (токами Фуко). Токи Фуко, как и индукционные токи в линейных проводниках подчиняются правилу Ленца: их магнитное поле направлено так, чтобы противодействовать изменению магнитного потока, индуцирующего вихревые токи. В электрических машинах, где имеются массивные проводники, токи Фуко вызывают их нагревание, что приводит к потерям энергии. Поэтому массивные цепи электрических машин, якоря динамомашин, сердечники трансформаторов делаются не сплошными, а собираются из отдельных тонких листов, изолированных друг от друга специальным лаком или окалиной и располагаются параллельно линиям магнитной индукции. Токи Фуко образуются в плоскостях, перпендикулярных к линиям магнитной индукции, т.е. перпендикулярных к пластинам трансформатора, что сильно увеличивает их электрическое сопротивление. Для увеличения электрического сопротивления магнитных цепей и сердечников электрических установок используются в качестве материалов магнитодиэлектрики. Токи Фуко находят практическое применение для плавки металлов в индукционных печах. Тормозящим действием токов Фуко пользуются также для устройства магнитных успокоителей (демпферов).

Индукционная печь представляет собой тигель, помещаемый внутрь катушки, в кото­рой пропускается ток высокой частоты. В металле возникают интенсивные вихревые токи, способные разогреть его до плавления. Такой способ позволяет плавить металлы в вакууме, в результате чего получаются сверхчистые материалы.

Направление вихревых токов при возрастании первичного тока в проводнике и при его убывании. В обоих случаях направление вихревых токов таково, что они противодействуют изменению первичного тока внутри проводника и способ­ствуют его изменению вблизи поверхности. Таким образом, вследствие возникновения вихревых токов быстропеременный ток оказывается распределенным по сечению про­вода неравномерно — он как бы вытесняется на поверхность проводника. Это явление получило название скин-эффекта (от англ. skin — кожа) или поверхностного эффекта. Так как токи высокой частоты практически текут в тонком поверхностном слое, то провода для них делаются полыми. Если сплошные проводники нагревать токами высокой частоты, то в результате скин-эффекта происходит нагревание только их поверхностного слоя. На этом основан метод поверхностной закалки металлов. Меняя частоту поля, он позволяет произ­водить закалку на любой требуемой глубине.

ЛЕКЦИЯ № 14.

⇐ Предыдущая10111213141516171819Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. CEМEЙНOE КОНСУЛЬТИРОВАНИЕ, ЕГО ОСОБЕННОСТИ
2. Cистемы зажигания двигателей внутреннего сгорания, контактная сеть электротранспорта, щеточно-контактный аппарат вращающихся электрических машин и т. п..
3. Cистемы зажигания двигателей внутреннего сгорания, контактная сеть электротранспорта, щеточно–контактный аппарат вращающихся электрических машин и т. п..
4. Ex. Переведите, обратив внимание на перевод инфинитива, определите его функцию.
5. I) индивидуальная монополистическая деятельность, которая проявляется как злоупотребление со стороны хозяйствующего субъекта своим доминирующим положением на рынке.
6. I. Если глагол в главном предложении имеет форму настоящего или будущего времени, то в придаточном предложении может употребляться любое время, которое требуется по смыслу.
7. I. Законодательные и нормативно-правовые акты
8. I. По времени сохранения материала
9. I. Теоретические основы экономического воспитания детей старшего дошкольного возраста посредством сюжетно-ролевой игры
10. I.3. ВОЗРАСТНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ В ОРГАНИЗМЕ ЛЮДЕЙ СТАРШЕГО ВОЗРАСТА И ПУТИ ИХ ПРОФИЛАКТИКИ
11. I.4.7. ЗАКОНЫ И ПРИЁМЫ КИНОПОВЕСТВОВАНИЯ
12. II РАЗДЕЛ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ШЕСТИЛЕТНЕГО РЕБЕНКА