6.6. Примеры на применение явления электромагнитной индукции

Индукционный генератор переменного тока.

Трансформатор.

Токи Фуко.

Демпфирование подвижных частей электроприборов.

Скин-эффект.

Бетатрон.

Жесткий диск компьютера.

Индукционный генератор переменного тока. В индукционных генераторах переменного тока механическая энергия превращается в электрическую. Индукционный генератор состоит из двух частей: подвижной, которая называется ротором, и неподвижной, которая называется статором. Действие генератора основано на явлении электромагнитной индукции. Индукционные генераторы имеют сравнительно простое устройство и позволяют получать большие токи при достаточно высоком напряжении. В настоящее время имеется много типов индукционных генераторов, но все они состоят из одних и тех же основных частей. Это, во-первых, электромагнит или постоянный магнит, создающий магнитное поле, и, во-вторых, обмотка, состоящая из последовательно соединенных витков, в которых индуцируется переменная электродвижущая сила. Так как электродвижущие силы, наводимые в последовательно соединенных витках, складываются, то амплитуда электродвижущей силы индукции в обмотке пропорциональна числу витков в ней.

Рис. 6.9

Число силовых линий, пронизывающих каждый виток, непрерывно меняется от максимального значения, когда он расположен поперек поля, до нуля, когда силовые линии скользят вдоль витка. В результате при вращении витка между полюсами магнита через каждые пол-оборота направление тока меняется на противоположное, и в витке появляется переменный ток. Во внешнюю цепь ток отводится при помощи скользящих контактов. Для этого на оси обмотки укреплены контактные кольца, присоединенные к концам обмотки. Неподвижные пластины – щетки – прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки с внешней цепью (рис. 6.9).

Пусть виток провода вpащается в одноpодном магнитном поле с постоянной угловой скоpостью . Магнитный поток, пронизывающий виток, меняется по закону , здесь S – площадь витка. Согласно закону Фаpадея в обмотке наводится электродвижущая сила индукции, которая опpеделяется следующим обpазом:

,

где N – число витков в обмотке. Таким образом, электродвижущая сила индукции в обмотке изменяется по синусоидальному закону и пpопоpциональна числу витков в обмотке и частоте вpащения.

В опыте с вращающейся обмоткой статором является магнит и контакты, между которыми помещена обмотка. В больших промышленных генераторах вращается электромагнит, который является ротором, в то время как обмотки, в которых наводится электродвижущая сила, уложены в пазах статора и остаются неподвижными. На тепловых электростанциях для вращения ротора используются паровые турбины. Турбины, в свою очередь, приводятся во вращение струями водяного пара, полученного в огромных паровых котлах за счет сжигания угля или газа (теплоэлектростанции) или распада вещества (атомные электростанции). На гидроэлектростанциях для вращения ротора используются водяные турбины, которые вращаются водой, падающей с большой высоты.

Электрогенераторы играют важнейшую роль в развитии нашей технологической цивилизации, поскольку позволяют получать энергию в одном месте, а использовать ее в другом. Паровая машина, например, может преобразовывать энергию сгорания угля в полезную работу, но использовать эту энергию можно только там, где установлены угольная топка и паровой котел. Электростанция же может размещаться весьма далеко от потребителей электроэнергии – и, тем не менее, снабжать ею заводы, дома и т.п.

Рассказывают (скорее всего, это всего лишь красивая сказка), будто Фарадей демонстрировал прототип электрогенератора Джону Пилу, канцлеру казначейства Великобритании, и тот спросил ученого: «Хорошо, мистер Фарадей, все это очень интересно, а какой от всего этого толк?».

«Какой толк? – якобы удивился Фарадей. – Да вы знаете, сэр, сколько налогов эта штука со временем будет приносить в казну?!»

Трансформатор. Электродвижущая сила мощных генераторов электростанций велика, между тем практическое использование электроэнергии требует чаще всего не очень высоких напряжений, а передача энергии, наоборот, очень высоких.

Для уменьшения потерь на нагревание проводов необходимо уменьшить силу тока в линии передачи, и, следовательно, для сохранения мощности  увеличить напряжение. Напряжение, вырабатываемое генераторами (обычно около 20 кВ), повышают до напряжения 75 кВ, 500 кВ и даже до напряжения 1,15 МВ, в зависимости от длины линии электропередачи. Повышая напряжение с 20 до 500 кВ, то есть в 25 раз, уменьшают потери в линии в 625 раз.

Преобразование переменного тока определенной частоты, при котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз практически без потери мощности, осуществляется электромагнитным устройством, не имеющим подвижных частей – электрическим трансформатором. Трансформатор – важный элемент многих электрических приборов и механизмов. Зарядные устройства и игрушечные железные дороги, радиоприемники и телевизоры – всюду трудятся трансформаторы, которые понижают или повышают напряжение. Среди них встречаются как совсем крошечные, не более горошины, так и настоящие колоссы массой в сотни тонн и более.

Рис. 6.10

Трансформатор состоит из магнитопровода, представляющего собой набор пластин, которые обычно изготавливаются из ферромагнитного материала (рис. 6.10). На магнитопроводе располагаются две обмотки – первичная и вторичная. Та из обмоток, которая подключается к источнику переменного напряжения, называется первичной, а та, к которой присоединяют «нагрузку», то есть приборы, потребляющие электроэнергию, называется вторичной. Ферромагнетик увеличивает количество силовых линий магнитного поля приблизительно в 10 000 раз и локализует поток магнитной индукции внутри себя, благодаря чему обмотки трансформатора могут быть пространственно разделены и все же остаются индуктивно связанными.

Действие трансформатора основано на явлениях взаимной индукции и самоиндукции. Индукция между первичной и вторичной обмоткой взаимна, то есть ток, протекающий во вторичной обмотке, индуцирует электродвижущую силу в первичной, точно так же, как первичная обмотка индуцирует электродвижущую силу во вторичной. Более того, поскольку витки первичной обмотки охватывают собственные силовые линии, в них самих возникает электродвижущая сила самоиндукции. Электродвижущая сила самоиндукции наблюдается также и во вторичной обмотке.

Пусть первичная обмотка подсоединяется к источнику переменного тока с электродвижущей силой , поэтому в ней возникает переменный ток , создающий в магнитопроводе трансформатора переменный магнитный поток ?, который сосредотачивается внутри магнитного сердечника и пронизывает все витки первичной и вторичной обмоток.

При отсутствии внешней нагpузки выделяемая в тpансфоpматоpе мощность близка к нулю, то есть близка к нулю сила тока. Применим к первичной цепи закон Ома: сумма электродвижущей силы индукции  и напряжения в цепи равна произведению силы тока на сопротивление. Полагая , можно записать: , следовательно, , где Ф – поток пронизывающий каждый виток первичной катушки. В идеальном трансформаторе все силовые линии проходят через все витки обеих обмоток, и поскольку изменяющееся магнитное поле порождает одну и ту же электродвижущую силу в каждом витке, то суммарная электродвижущая сила, индуцируемая в обмотке, пропорциональна полному числу ее витков. Следовательно, .

Коэффициент трансформации напряжения равен отношению напpяжения во вторичной цепи к напряжению в первичной цепи. Для амплитудных значений напряжений на обмотках можно записать:

.

Таким образом, коэффициент трансформации определяется как отношение числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки. Если коэффициент , трансформатор будет повышающим, а если  – понижающим.

Написанные выше соотношения, строго говоря, применимы только к идеальному трансформатору, в котором нет рассеяния магнитного потока и отсутствуют потери энергии на джоулево тепло. Эти потери могут быть связаны с наличием активного сопротивления самих обмоток и возникновением индукционных токов (токов Фуко) в сердечнике.

Токи Фуко. Индукционные токи могут возникать также в сплошных массивных проводниках. При этом замкнутая цепь индукционного тока образуется в толще самого проводника при его движении в магнитном поле или под влиянием переменного магнитного поля. Эти токи названы по имени французского физика Ж.Б.Л. Фуко, который в 1855 г. обнаружил нагревание ферромагнитных сердечников электрических машин и других металлических тел в переменном магнитном поле и объяснил этот эффект возбуждением индукционных токов. Эти токи в настоящее время называются вихревыми токами или токами Фуко.

Если железный сердечник находится в переменном магнитном поле, то в нем под действием индукционного электрического поля наводятся внутренние вихревые токи – токи Фуко, ведущие к его нагреванию. Так как электродвижущая сила индукции всегда пропорциональна частоте колебаний магнитного поля, а сопротивление массивных проводников мало, то при высокой частоте в проводниках будет выделяться, согласно закону Джоуля–Ленца, большое количество тепла.

Во многих случаях токи Фуко бывают нежелательными, поэтому приходится принимать специальные меры для их уменьшения. В частности, эти токи вызывают нагревание ферромагнитных сердечников трансформаторов и металлических частей электрических машин. Для снижения потерь электрической энергии из-за возникновения вихревых токов сердечники трансформаторов изготавливают не из сплошного куска ферромагнетика, а из отдельных металлических пластин, изолированных друг от друга диэлектрической прослойкой.

Рис. 6.11

Вихревые токи широко используются для плавки металлов в так называемых индукционных печах (рис. 6.11), для нагревания и плавления металлических заготовок, получения особо чистых сплавов и соединений металлов. Для этого металлическую заготовку помещают в индукционную печь (соленоид, по которому пропускают переменный ток). Тогда, согласно закону электромагнитной индукции, внутри металла возникают индукционные токи, которые разогревают металл и могут его расплавить. Создавая в печи вакуум и применяя левитационный нагрев (в этом случае силы электромагнитного поля не только разогревают металл, но и удерживают его в подвешенном состоянии вне контакта с поверхностью камеры), получают особо чистые металлы и сплавы.

Рис. 6.12

Демпфирование подвижных частей электроприборов. Индукционные токи можно использовать для демпфирования (успокоения) подвижных частей электроприборов. При пропускании по рамке тока I она поворачивается в магнитном поле  на определённый угол, и стрелка прибора перемещается по шкале прибора (рис. 6.12). Для того чтобы она не совершала длительное время колебаний около какого-либо деления шкалы на ось, к которой прикреплена стрелка, прикрепляют металлическую пластинку, которая при своём движении может пересекать линии другого магнитного поля . При этом меняется магнитный поток через плоскость пластинки, возникает индукционный ток , который, согласно правилу Ленца, тормозит движение пластинки, и колебания стрелки прибора быстро затухают.

Скин-эффект. Возникновение индукционного тока при пропускании по проводнику переменного тока приводит к перераспределению суммарного тока по сечению проводника в тонких линейных цилиндрических проводниках, а именно, он выталкивается на поверхность проводника. Это явление получило название скин-эффекта (от англ. skin – кожа, оболочка). Чем выше частота переменного тока, тем тоньше поверхностный слой, по которому проходит ток. Внутри проводника тока фактически нет. Таким образом, под скин-эффектом понимают явление неравномерного распределения переменного тока по поперечному сечению проводника: повышение его плотности в поверхностном слое и уменьшение вблизи оси проводника.

Рис. 6.13

Для качественного объяснения ?вытеснения ?переменного тока к поверхности проводника при скин-эффекте выделим участок цилиндрического проводника (рис. 6.13). Рассмотрим момент времени, когда сила тока I возрастает. При этом возрастает и индукция создаваемого током магнитного поля. Следовательно, в соответствии с правилом Ленца, пеpпендикуляpно к силовым линиям этого поля, то есть вдоль пpовода, наводится  вихревое электpическое поле, которое у поверхности проводника направлено так же, как и ток I, а на оси проводника – противоположно току. Это поле будет усиливать ток I вблизи поверхности и ослаблять его на оси проводника. Согласно закону Ома , при этом плотность тока в центральной части проводника уменьшается, а около поверхности проводника – возрастает.

Если же ток уменьшается, то ослабевающее вместе с ним магнитное поле создаст вихревое электрическое поле, напряженность которого будет направлена противоположно по сравнению с первым рассмотренным случаем, то есть у поверхности проводника будет противоположна току, а на оси – совпадать с током. Таким образом, как бы ни изменялась сила тока в проводнике, индуцируемое им вихревое электрическое поле на оси проводника препятствует, а у поверхности проводника способствует изменениям тока. Следовательно, на оси проводника ток слабее, а у поверхности – сильнее.

Чем выше частота переменного тока, тем тоньше поверхностный слой, по которому проходит ток. Наличие скин-эффекта позволяет вместо сплошных проводников использовать трубчатые, если они предназначены для цепей переменного тока высокой частоты. Однако уменьшение сечения проводника приводит к возрастанию его сопротивления. В этих случаях для снижения общего сопротивления полых проводников принимают специальные меры, в частности, покрывают поверхность тонким слоем серебра.

Рис. 6.14

Бетатрон. Бетатрон – ускоритель электронов. Между полюсами электромагнита, по которому пропускают переменный электрический ток частоты , расположено полое кольцо, изготовленное из неферромагнитного материала (например, из алюминия). Внутри кольца в вакууме движется ускоряемый пучок электронов. Переменное магнитное поле создает электрическое поле, силовые линии которого являются окружностями (рис. 6.14). Это поле ускоряет электроны. С другой стороны, это поле удерживает электроны при их ускорении на круговой орбите внутри кольца. За время одного оборота  радиус орбиты  (V – скорость электрона) должен оставаться постоянным, поэтому увеличение скорости электрона должно сопровождаться увеличением модуля вектора индукции магнитного поля. Следовательно, бетатрон работает в импульсном режиме: ускорение происходит в те промежутки времени, когда сила тока и, соответственно, модуль вектора индукции магнитного поля возрастают.

Жесткий диск компьютера. Жесткий диск компьютера относится к постоянным запоминающим устройствам. Кроме жесткого диска, существуют и другие виды постоянных запоминающих устройств, например, диски CD- и DVD-ROM, флэш-карты и другие. Однако именно жесткий диск обеспечивает наибольшую вместительность и высокую скорость доступа к данным. Иными словами, компьютер может очень быстро записать на жесткий диск или считать с него огромное количество информации.

Все современные жесткие диски поставляются в запечатанном корпусе, внутри которого находится двигатель, вращающий насаженные на его вал пластинки с данными. Пластинки выполнены из стекла или алюминия, покрыты с двух сторон тонким слоем материала, имеющего свойства магнита, и отполированы. Двигатель раскручивает пластинки до огромных скоростей. Кроме двигателя и пластинок, в корпусе жесткого диска находятся головки чтения-записи, установленные на рычагах и охватывающие с обеих сторон каждую из пластинок. Рычаги приводятся в движение по команде компьютера.

Запись на магнитный диск и считывание с него происходит на основе явления электромагнитной индукции. Как только головка чтения-записи окажется в нужном положении над поверхностью пластинки, на электромагнит головки начинают поступать электрические импульсы. Так происходит запись компьютерных данных в сектор. Благодаря изменениям направления тока в обмотке электромагнита меняется направление магнитного поля. От электромагнита головки направление поля передается магнитным доменам (крошечным намагниченным участкам, которые складываются в сектора и треки). Считывание информации происходит с помощью обратного процесса. В ходе вращения пластинки магнитные домены «пролетают» под головкой чтения-записи, и в обмотке ее электромагнита наводятся разнонаправленные электрические сигналы, соответствующие цифрам «0» и «1». Далее они поступают в компьютер для обработки.