вращающаяся рамка в магнитном поле

Вращение рамки в магнитном поле

Явление электромагнитной индукции положено в основу устройств для преобразования механической энергии в энергию электрического тока. Для этой цели используются генераторы. Принцип действия генератора рассмотрим на примере плоской рамки, которая вращается в однородном магнитном поле (рис. 292).

Предположим, что рамка вращается в однородном магнитном поле (Б = const) равномерно с угловой скоростью со = const. Магнитный поток, пронизывающий рамку площадью S, в любой момент времени #, согласно (1) п. 12.1, равен

где a-0)t — угол поворота рамки в момент времени # (начало отсчета выбрано так, чтобы при t = 0 угол а = 0).

При вращении рамки в ней будет возникать переменная ЭДС индукции (см. (1) п. 12.4)

изменяющаяся со временем по гармоническому закону. ЭДС достигает максимального значения, когда sin со# = 1, т.е.

Учитывая (2), выражение (1) можно записать в виде

Таким образом, если в однородном магнитном поле равномерно вращается рамка, то в ней возникает переменная ЭДС, изменяющаяся по гармоническому закону.

Из выражения (2) следует, что а следовательно, и (см. (3)) находятся в прямой зависимости от величин со, Б и Б.

Поскольку частота тока при электропередачах остается постоянной (например, в России стандартная частота тока

v = — = 50 Гц), возможно лишь изменение двух других вели- Zn

чин. Для увеличения В применяют мощные постоянные магниты или электромагниты, по которым пропускают значительный ток, при этом внутрь электромагнита помещают сердечник из материала с большой магнитной проницаемостью р. Увеличивая число витков, тем самым увеличиваем площадь S. Переменное напряжение с вращающегося витка снимается с помощью щеток, схематически изображенных на рис. 292. Процесс превращения механической энергии в электрическую обратим. Если через рамку, помещенную в магнитное поле, пропускать электрический ток, то на нее будет действовать вращающий момент (см. п. 11.1) и рамка начнет вращаться. На этом принципе основана работа электродвигателей, предназначенных для превращения электрической энергии в механическую.

Источник

Вращение рамки в магнитном поле

Явление электромагнитной индукции применяется для преобразования механической энергии в энергию электрического тока. Для этой цели используются генераторы, принцип действия которых можно рассмотреть на примере плоской рамки, вращающейся в однородном магнитном поле

изменяющаяся со временем по гармоническому закону. При sinωt=1, E_i максимальна, т.е. E_max=BSω определяет максимальные значения, достигаемые колеблющейся эдс.

Таким образом, если в однородном магнитном поле равномерно вращается рамка, то в ней возникает переменная э.д.с., изменяющаяся по гармоническому закону

Если вращать не один виток, а N витков, соединенных последовательно, то тем самым увеличивается S (S=NS₁), т.е. в N раз увеличивается снимаемое напряжение.

Процесс превращения механической энергии в электрическую обратим. Если через рамку, помещенную в магнитное поле, пропускать электрический ток, то в соответствии с (1.2) на нее будет действовать вращающий момент и рамка начнет вращаться. На этом принципе основана работа электродвигателей, предназначенных для превращения электрической энергии в механическую.

Индукционный ток возникает не только в линейных проводниках, но и в массивных сплошных проводниках, помещенных впеременное магнитное поле. Эти токи оказываются замкнутыми в толще проводника и поэтому называются вихревыми. Их также называют токами Фуко – по имени первого их исследователя. 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. Например, если между полюсами невключенного электромагнита массивный медный маятник совершает практически незатухающие колебания, 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 даже в вакууме, в результате чего получаются сверхчистые материалы.

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.

Источник

Вращение рамки в магнитном поле

Явление электромагнитной индукции применяется для преобразования механической энергии в энергию электрического тока. Для этой цели используются генераторы, принцип действия которых можно рассмотреть на примере плоской рамки, вращающейся в однородном магнитном поле (рис. 180).

Предположим, что рамка вращается в однородном магнитном поле (В = const) равномерно с угловой скоростью w = const. Магнитный поток, сцепленный с рамкой площадью S, в любой момент времени t, согласно (120.1), равен

где a = wt— угол поворота рамки в момент времени t (начало отсчета выбрано так, чтобы при t = 0 было a = 0).

При вращении рамки в ней будет возникать переменная э.д.с. индукции (см. (123.2))

(124.1)

изменяющаяся со временем по гармоническому закону. При sinwt = l э.д.с. x₁, максимальна, т. е.

(124.2)

Учитывая (124.2), выражение (124.1) можно записать в виде

Таким образом, если в однородном магнитном поле равномерно вращается рамка, то в ней возникает переменная э.д.с., изменяющаяся по гармоническому закону.

Из формулы (124.2) вытекает, что x_max (следовательно, и э.д.с. индукции) находится в прямой зависимости от величин w, Ви S. В России принята стандартная частота тока v = w/(2p) = 50 Гц, поэтому возможно лишь увеличение двух остальных величин. Для увеличения Вприменяют мощные постоянные магниты или в электромагнитах пропускают значительный ток, а также внутрь электромагнита помещают сердечники из материалов с большой магнитной проницаемостью m. Если вращать не один, а ряд витков, соединенных последовательно, то тем самым увеличивается S. Переменное напряжение снимается с вращающегося витка с помощью щеток, схематически изображенных на рис. 180.

Процесс превращения механической энергии в электрическую обратим. Если по рамке, помещенной в магнитное поле, пропускать электрический ток, то в соответствии с (109.1) на нее будет действовать вращающий момент и рамка начнет вращаться. На этом принципе основана работа электродвигателем, предназначенных для превращения электрической энергии в механическую.

§ 125. Вихревые токи (токи Фуко)

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 описан ном 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.

Источник

Вращающаяся рамка в магнитном поле

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ

§1 Явление электромагнитной индукции.

Закон Фарадея

а) В соленоид, замкнутый на гальванометр, вдвигается и выдвигается постоянный магнит. На гальванометре будет отклонение стрелки, и оно будет тем больше, чем быстрее происходит вдвижение и выдвижение. При изменении полюсов магнита направление отклонения стрелки изменится.

б) В соленоид, замкнутый на гальванометр, вставлена катушка (другой соленоид), через которую пропускается ток. При включении и выключении (т.е. при любом изменении тока) происходит отклонение стрелки гальванометра. Направление отклонения изменяется при включении – выключении, уменьшении – увеличении тока, вдвигании – выдвигании катушек.

Явление электромагнитной индукции заключается в том, что в замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции, охватываемого этим контуром, возникает индукционный (наведенный) электрический ток.

В 1834 г. Э.Х. Ленц установил закон, позволяющий определить направление индукционного тока.

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

Знак минус в законе Фарадея является математическим выражением правила Ленца.

— потокосцепление или полный магнитный поток.

Т.к. Ф _B = BScosα , то для того чтобы изменить магнитный поток Ф можно изменить:

1) магнитное поле ;

§2 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.

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.

§3 Токи Фуко.

Индукционные токи могут возбуждаться и в сплошных массивных проводниках. В этом случае их называют токами Фуко или вихревыми токами. Электрическое сопротивление массивного проводника мало, поэтому токи Фуко могут достигать очень большой силы.

Токи Фуко, как и индукционные токи в линейных проводниках, подчиняются правилу Ленца: их магнитное поле направлено так, чтобы противодействовать изменению магнитного поля, индуцирующего вихревые токи. Поэтому движущиеся в сильном магнитном поле хорошие проводники испытывают сильное торможение, обусловленное взаимодействием токов Фуко с магнитным полем. Это используют для демпфирования (успокоения) подвижных частей гальванометров, сейсмографов и т.п. Тепловое действие токов Фуко используется в индукционных плавильных печах.

Для уменьшения токов Фуко сердечники трансформаторов делают из отдельных пластин и пластины перпендикулярны токам Фуко.

§4 Индуктивность контура.

Самоиндукция

В любом случае, когда по контуру протекает электрический ток, создается магнитное поле. При этом всегда имеется магнитный поток Ф, проходящий через поверхность, ограниченную рассматриваемым контуром. Любое изменение силы тока в контуре приводит к изменению магнитного поля, сцепленного с контуром, а это в свою очередь вызывает появление индукционного тока. Это явление получило название явления самоиндукции: возникновение Э ДС индукции в проводнике при изменении в нем тока.

Из закона Био-Савара-Лапласа следует

т.е. магнитный поток, сцепленный с контуром, пропорционален току I в контуре

Рассчитаем индуктивность L соленоида:

магнитная индукция В соленоида

т.е. индуктивность зависит от геометрических размеров соленоида ( ), числа витков и магнитной проницаемости сердечника соленоида. Поэтому можно сказать, что индуктивность L аналог емкости С уединенного проводника, которая также зависит от геометрических размеров, от формы и диэлектрической проницаемости среды.

Применяя к явлению самоиндукции закон Фарадея, получим, что Э ДС самоиндукции

где знак минус, обусловленный правилом Ленца, показывает, что наличие индуктивности в контуре приводит к замедлению изменения тока в нем. Если ток со временем возрастает, то , и т.е. ток самоиндукции направлен навстречу току, обусловленному внешним источником и тормозит его возрастание. Если ток со временем убывает, то и т.е. индукционный ток имеет такое же направление, как и убывающий ток в контуре, и замедляет его убывание. Следовательно, контур, обладающий индуктивностью, имеет электрическую инертность, заключающуюся в том, что любое изменение тока тормозится, тем сильнее, чем больше индуктивность контура.

Источник

§ 124. Вращение рамки в магнитном поле

Явление электромагнитной индукции при­меняется для преобразования механиче­ской энергии в энергию электрического тока. Для этой цели используются генера­торы, принцип действия которых можно рассмотреть на примере плоской рамки, вращающейся в однородном магнитном поле (рис. 180).

Предположим, что рамка вращается в однородном магнитном поле (В=const) равномерно с угловой скоростью =const. Магнитный поток, сцепленный с рамкой площадью S, в любой момент

где =t— угол поворота рамки в мо­мент времени t (начало отсчета выбрано так, чтобы при t=0 =0).

При вращении рамки в ней будет воз­никать переменная э.д.с. индукции (см. (123.2))

изменяющаяся со временем по гармониче­скому закону. При sint=l ξ_i макси­мальна, т. е.

определяет максимальные значения, до­стигаемые колеблющейся э.д.с. Учитывая (124.2), выражение (124.1) можно запи­сать в виде

Таким образом, если в однородном маг­нитном поле равномерно вращается рам­ка, то в ней возникает переменная э.д.с., изменяющаяся по гармоническому закону. Из формулы (124.2) вытекает, что ξ_max (следовательно, и э.д.с. индукции) находится в прямой зависимости от вели­чин со, В и S. В СССР принята стандарт­ная частота тока v = (2)=50 Гц, поэто­му возможно лишь увеличение двух остальных величин. Для увеличения В применяют мощные постоянные магниты или в электромагнитах пропускают значи­тельный ток, а также внутрь электромаг­нита помещают сердечники из материалов с большой магнитной проницаемостью . Если вращать не один, а ряд витков, соединенных последовательно, то тем са-

мым увеличивается S. Переменное напря­жение снимается с вращающегося витка с помощью щеток, схематически изобра­женных на рис. 180.

Процесс превращения механической энергии в электрическую обратим. Если через рамку, помещенную в магнитное по­ле, пропускать электрический ток, то в со­ответствии с (109.1) на нее будет дей­ствовать вращающий момент и рамка на­чнет вращаться. На этом принципе основана работа электродвигателей, пред­назначенных для превращения электриче­ской энергии в механическую.

§ 125. Вихревые токи (токи Фуко)

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, индуциру­ющего 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.

Источник