13.2. 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 = Bn.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
Еi = - dФ/dt = B.S.w.sinwt. (13.11.)
При
sinwt = 1, (13.12.)
Emax = B.S.w. (13.13.)
|
Рис. 74.Модель. Генератор переменного тока. |
13.3. 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.