Электромагнитная индукция. Самоиндукция. Взаимоиндукция

«При всяком изменении магнитного потока в цепи индуцируется э.д.с.» (закон электромагнитной индукции Фарадея).

Необходимо выполнение одного из двух условий:

· проводник должен перемещаться в магнитном поле или

· магнитное поле должно перемещаться вокруг проводника.

1. Как движение электрона создаёт магнитное поле, так и магнитное поле, пересекая проводник, вызывает направленное движение свободных электронов в проводнике, т.е. ток.

Ни один вид энергии не может быть получен без затраты какого-либо другого вида энергии. Так, если магнит лежит около проводника, то в проводнике никакого тока не будет. Он возникает только при перемещении магнита около проводника или проводника около магнита. В этом случае механическая энергия превращается в электрическую.

Индуцированная э.д.с. прямо пропорциональна индукции магнитного поля В, длине проводника ℓ, скорости его перемещения V в направлении, перпендикулярном силовым линиям поля. е = В∙ℓ∙ V.

 

Рис. 2.11. Индуцирование э.д.с. в проводнике

при перемещении его в магнитном поле

 

Если проводник движется под углом α к направлению поля, то

е =В∙ℓ∙V∙sinα.

Направление индуцированной э.д.с. определяется по правилу правой руки (рис.2.12):

«Если ладонь правой руки расположить так, чтобы силовые линии поля входили в ладонь, большой отогнутый палец совместить с направлением движения проводника, то вытянутые четыре пальца укажут направление индуцированной э.д.с.».

Возникновение э.д.с. объясняется действием сил магнитного поля на находящиеся в проводниках свободные электроны, которые начинают двигаться вдоль проводника.

В результате этого движения на одной стороне проводника накопятся свободные электроны и возникнет отрицательный электрический заряд.

 

Рисунок 2.12.

Правило правой руки

 

На другом конце ввиду недостатка электронов появится положительный заряд. Разность потенциалов на концах проводника численно равна индуцированной в проводнике э.д.с.

Индуцирование э.д.с. в проводнике происходит независимо от того, включён он в электрическую цепь или нет. Если присоединить концы этого проводника к приёмнику электрической энергии, то под влиянием разности потенциалов на концах проводника по замкнутой цепи потечёт электрический ток. Если проводник перемещается вдоль силовых линий, т.е. как бы скользит по ним, то э.д.с. в нём не возникает.

2. Если каким-либо образом изменять магнитный поток, пронизывающий неподвижный виток, или перемещать само поле, то индуцированная э.д.с.

e =

Направление э.д.с. в неподвижном замкнутом контуре определяется по закону Максвелла:

Э.д.с., индуцированная в замкнутом контуре, равна скорости изменения магнитного потока ΔΦ, пронизывающего этот контур. Δt – время, в течение которого происходит изменение потока.

Иными словами, чем быстрее изменяется магнитный поток, пронизывающий замкнутый контур, тем больше индуцированная э.д.с.

Правило Ленца:

« Направление индуктированного тока всегда таково, что он противодействует причине, вызвавшей его появление » (например, движению проводника).

На принципе явления электромагнитной индукции основано устройство электрических генераторов, двигателей и трансформаторов. Для индуцирования э.д.с. в них применяется три способа:

 

Изменение тока в катушке 1 (рис.2.13), в магнитном поле которой расположена вторая катушка 2. При этом непрерывно изменяется магнитный поток, охватываемый второй катушкой, и в ней, а также и в первой катушке, будут индуцироваться электродвижущие силы е₂ и е₁. Этот способ используют в трансформаторах.

 

Рис. 2.13. Индуцирование э.д.с. в трансформаторах

 

 

 

 

Вращение магнитного поля, созданного постоянными магнитами или электромагнитами 3, относительно неподвижных катушек 4 (рис.2.14). При этом непрерывно изменяется магнитный поток, пронизывающий каждую катушку, и в них индуцируется э.д.с. е. Такой способ используют в основном в машинах переменного тока.

 

 

Рис. 2.14. Индуцирование э.д.с.

в машинах переменного тока

 

 

Вращение витков 6 или катушек в постоянном магнитном поле, созданном неподвижными постоянными магнитами 5 или электромагнитами (рис. 2.15). При этом непрерывно изменяется магнитный поток, охватываемый каждым витком или катушкой, вследствие чего в них индуцируется э.д.с. е. Этот способ используют в машинах постоянного тока.

 

Рис. 2.15. Индуцирование э.д.с.

в машинах постоянного тока

 

Э.д.с. самоиндукции.

Если по витку протекает ток, изменяющийся по величине или направлению, то в нем наводится э.д.с., которая условно называется э.д.с. самоиндукции.

Направление э.д.с. самоиндукции препятствует изменению вызвавшего ее тока.

При постоянном токе этот процесс наблюдается в момент замыкания и размыкания цепи. В момент замыкания магнитный поток, создаваемый протекающим по цепи током, увеличивается, а появляющаяся э.д.с. препятствует увеличению тока. В момент размыкания ток уменьшается, а э.д.с. самоиндукции препятствует уменьшению тока. Т.е. при замыкании и размыкании цепей ток нарастает и падает постепенно.

Если замкнутый проводник состоит из одного витка, то магнитный поток, пронизывающий контур этого проводника при постоянной магнитной проницаемости пропорционален току, протекающему по проводнику.

Э.д.с. самоиндукции пропорциональна скорости изменения тока.

 

 

Рисунок 2.16.

Э.д.с. самоиндукции

 

 

Особенно сильно проявляет себя э.д.с. самоиндукции при размыкании цепей, содержащих катушки с большим числом витков W и стальными сердечниками (обмотки электродвигателей). В этом случае э.д.с. самоиндукции может во много раз превышать напряжение источника и, суммируясь с ним, служить причиной возникновения перенапряжений и искрения или дуги. Поэтому в таких устройствах предусматривают дугогасительные устройства.

Э.д.с. взаимоиндукции.

Взаимоиндукцией называется явление индуцирования э.д.с. в проводнике или катушке при изменении магнитного потока, создаваемого другим проводником или катушкой. Индуцируемая таким образом э.д.с. называется э.д.с взаимоиндукции.

 

Рисунок 2.17.

Э.д.с. взаимоиндукции

Э.д.с. взаимоиндукции, как и самоиндукции, пропорциональна скорости изменения тока, создающего этого поле, кроме того зависит от числа витков обеих катушек и их взаимного расположения.

Взаимоиндукция дает возможность связывать посредством магнитного поля различные электрические цепи. Явление взаимоиндукции широко используются в трансформаторах, радиотехнических устройствах и устройствах автоматики. Однако в некоторых случаях возникновение э.д.с. взаимоиндукции является нежелательным.

Например, э.д.с. взаимоиндукции, индуцированные в линиях связи (телефонных и телеграфных проводах), проложенных вдоль высоковольтных линий электропередачи или вдоль контактной сети электрифицированных железных дорог переменного тока, создают помехи при передаче телефонных или телеграфных сигналов. Поэтому линии связи стремятся располагать перпендикулярно проводам линий электропередачи или выполнять их в виде кабельных линий, защищенных металлическими экранами.

 

Контрольные вопросы

1. Какой способ применяют для индуцирования э.д.с. в машинах переменного тока?

2. Дайте определение э.д.с. самоиндукции?

3. Что представляют собой вихревые токи?

4. Какой способ применяют для индуцирования э.д.с. в машинах постоянного тока?

5. Дайте определение явления электромагнитной индукции.

6. Объясните причины возникновения э.д.с.

7. Сформулируйте правило правой руки.

8. Сформулируйте правило Ленца.

9. Перечислите способы индуцирования э.д.с. в генераторах, двигателях и трансформаторах.

10. Дайте определение э.д.с. взаимоиндукции?

11. Как определяется направление индуцированной э.д.с.?