28. Опыт фарадея. Закон электромагнитной индукции. Правило ленца.

Опыт Фарадея заключался в следующем: катушка соединялась с источником тока и помещалась внутри второй катушки, подключенной к гальванометру. Стрелка гальванометра отклонялась только при замыкании и размыкании первой цепи. Это явление получило название электромагнитной индукции: при изменении магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, в контуре возникает электрический ток. Магнитным потоком называется величина Ф=BScosα , где B – величина

вектора магнитной индукции, пронизывающей контур, S – площадь этого контура, α – угол между векторами магнитной индукции и нормали к контуру Единица магнитного потока – вебер: 1Вб=1Тл*м2 . Электрический ток в контуре порождается ЭДС индукция, величина которой определяется законом электромагнитной индукции Фарадея: ЭДС индукции в замкнутом контуре равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока, пронизывающего этот контур: ᵋ= -Ф

Знак минус отражает правило Ленца: возникающий в контуре индукционный ток имеет такое направление, чтобы своим магнитным полем препятствовать изменению магнитного потока, которым вызван индукционный ток.

29. Вращение рамки в магнитном поле. Однофазные генератор. Механический момент действующий на рамку с током в магнитном поле. Вихревые токи. Скинн эффект.

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. α = ωt.

Тогда

При sin ωt=1 и

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.

ОДНОФАЗНЫЙ ГЕНЕРАТОР. Получение однофазного переменного тока. Такой ток получают от генераторов переменного тока

Между полюсами N и S электромагнита вращается стальной цилиндр А,на котором укреплена рамка, изготовленная из медного изолированного провода. Концы рамки присоединены к медным кольцам, изолированным от вала. К кольцам прижаты неподвижные щетки Щ,которые соединены проводами с приемником энергии R. Вращаясь, рамка пересекает силовые линии магнитного поля, и в каждой из ее сторон индуктируются электродвижущие силы, которые, суммируясь, образуют общую  электродвижущую силу. При каждом обороте рамки направление общей электродвижущей силы изменяется на обратное, так как каждая из рабочих сторон рамки за один оборот проходит под разными полюсами электромагнита. Индуктируемая в рамке электродвижущая сила также изменяется, так как изменяется скорость, с которой стороны рамки пересекают силовые линии магнитного поля. Следовательно, при равномерном вращении рамки в ней будет индуктироваться электродвижущая сила, периодически изменяющаяся по величине и направлению.

Если неподвижные щетки Щ, соединенные проводами с приемником энергии R, образуют замкнутую электрическую цепь, то от источника энергии к приемнику будет протекать переменный однофазный ток.

Время, в течение которого переменный ток совершает полный цикл изменений по величине и направлению, называется периодом. Он обозначается буквой Т и измеряется в секундах. Число периодов в секунду называется частотой переменного тока. Она обозначается буквой f и измеряется в герцах.

МЕХАНИЧЕСКИЙ МОМЕНТ ДЕЙСТВУЮЩИЙ НА РАМКУ С ТОКОМ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ.

Магнитное поле воздействует с определенной силой на любой перемещающийся в нем электрический заряд.

Сила, действующая на движущийся в магнитном поле электрический заряд, направлена перпендикулярно к магнитным силовым линиям.

Аналогично одиночному электрическому заряду проводник с током, помещенный в магнитном поле, также испытывает действие сил магнитного поля.

Величина механической силы, действующей на прямолинейный проводник с током, помещенный в однородное магнитное поле, определяется по формуле

где   I – ток в амперах; B – магнитная индукция в теслах; l – активная длина провода с током в метрах;

α – угол, под которым расположен проводник по отношению к магнитным силовым линиям.

Направление механической силы, действующей на помещенный в магнитное поле проводник с током, определяет правило левой руки: если расположить ладонь левой руки так, чтобы силовые линии магнитного поля входили в нее, а вытянутые пальцы указывали направление тока, то отставленный большой палец укажет направление силы, действующей на проводник.

Если в однородном магнитном поле помещен плоский контур прямоугольной формы с током, то на него действует пара сил, стремящихся повернуть контур вокруг оси (рисунок в начале статьи).

 

Вращающий момент этой пары сил равен произведению величины одной из сил на расстояние (плечо) между токами приложения этих сил:

Вращающий момент, действующий на контур с током, можно определить по формуле

где   В – магнитная индукция внешнего поля в теслах; I – ток контура в амперах; S – площадь проекции рамки на плоскость, перпендикулярную магнитным силовым линиям в квадратных метрах; М_вр – вращающий момент в ньютон-метрах; α – угол между перпендикуляром к плоскости контура и направлением магнитных силовых линий.

Контур с током стремится установиться во внешнем магнитном поле так, чтобы внутри контура внешнее магнитное поле и собственное магнитное поле контура совпали по своему направлению. При этом, α = 0 иМ_вр = BIsin0 = 0.

Вращающий момент плоской катушки с числом витков ω определяется по формуле

Направление пары сил, действующих на контур с током и на плоскую катушку, определяется по правилу левой руки.

Два достаточно длинных прямолинейных и параллельно расположенных проводника одинаковой длины  с токами I₁ и I₂ взаимодействуют друг с другом, причем сила взаимодействия равна

где   µ – магнитная проницаемость среды;

d – расстояние между проводниками в метрах

l – длина проводника в метрах;

I_1, I₂ – сила тока в проводниках в амперах;

F – сила взаимодействия в ньютонах.

Два параллельных проводника с токами одинакового направления взаимно притягиваются, а проводники с токами противоположного направления взаимно отталкиваются.

Механические силы, действующие на проводник, совершают некоторую работу.

Работа сил магнитного поля определяется по формуле

где   В – магнитная индукция внешнего магнитного поля в теслах;

I – сила тока в проводнике в амперах;

l – активная длина проводника в метрах;

d – расстояние, на которое переместился проводник с током под действием сил магнитного поля, в метрах;

А – работа сил магнитного поля в джоулях.

ВИХРЕВЫЕ ТОКИ

Индукционный ток возникает не только в линейных проводниках, но и в массивных сплошных проводниках, помещенных в переменное магнитное поле. Эти токи оказыва­ются замкнутыми в толще проводника и поэтому называются вихревыми. Их также называют токами Фуко — по имени первого исследователя.

Токи Фуко, как и индукционные токи в линейных проводниках, подчиняются правилу Ленца: их магнитное поле направлено так, чтобы противодействовать измене­нию магнитного потока, индуцирующему вихревые токи. Например, если между полюсами невключенного электромагнита массивный медный маятник совершает пра­ктически незатухающие колебания (рис. 181), то при включении тока он испытывает сильное торможение и очень быстро останавливается. Это объясняется тем, что возникшие токи Фуко имеют такое направление, что действующие на них со стороны магнитного поля силы тормозят движение маятника. Этот факт используется для успокоения (демпфирования) подвижных частей различных приборов. Если в описанном маятнике сделать радиальные вырезы, то вихревые токи ослабляются и торможение почти отсутствует.

Вихревые токи помимо торможения (как правило, нежелательного эффекта) вызывают нагревание проводников. Поэтому для уменьшения потерь на нагревание якоря генераторов и сердечники трансформаторов делают не сплошными, а изготовляют из тонких пластин, отделенных одна от другой слоями изолятора, и устанавливают их так, чтобы вихревые токи были направлены поперек пластин. Джоулева теплота, выделяемая токами Фуко, используется в индукционных металлургических печах. 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.

Вихревые токи возникают и в проводах, по которым течет переменный ток. Направление этих токов можно определить по правилу Ленца. На рис. 182, а показано направление вихревых токов при возрастании первичного тока в проводнике, а на рис. 182, б — 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.