Явление электромагнитной индукции

Состоит в том, что в проводнике находящимся в магнитном поле при определенных условиях может возникать (индуктироваться. наводиться, появляться) ЭДС. При этом на концах проводника появляется разность потенциалов: "плюс" и "минус".

Явление электромагнитной индукции это одно из основополагающих явлений в электротехнике. На использовании этого явления работает множество электрических и электронных устройств.

    Для упрощения, рассмотрим явление электромагнитной индукции в двух вариантах. Это явление едино, с точки зрения физики, но так нам проще.

    Первый вариант явления электромагнитной индукции: проводник перемещается в магнитном поле, пересекая его силовые линии, как показано на рис. 32. (Заметим, что проводник не перемещается самостоятельно, его нужно перемещать руками или с помощью какого-то устройства.)

 

Рис. 32. Проводник перемещают в магнитном поле. В нём наводится ЭДС

 

    Величина ЭДС, возникающей в проводнике, определяется по формуле:

, где:

Е - величина ЭДС,

l - длина части проводника, находящейся в магнитном поле,

V - скорость перемещения проводника.

     Анализируя формулу, заметим, что величина ЭДС будет возрастать при увеличении силы магнитного поля (индукции В), длины проводника и скорости его движения.

    На величину ЭДС влияет также угол α, под которым проводник пересекает силовые линии. Наибольшая ЭДС возникает в случае, когда проводник пересекает их под прямым углом (α=90 градусов). Если жн проводник перемещать параллельно силовым линиям (α=0 градусов), ЭДС равна нулю, т.к. sin угла в ноль градусов равен нулю.

    Направление ЭДС, возникающей в проводнике определяется правилом правой руки: силовые линии входят в ладонь, отогнутый большой палец показывает направление движения проводника, четыре пальца ладони покажут направление ЭДС.

    На рис. 32 проводник перемещается, а магнитное поле неподвижно. Но, возможен обратный случай, когда проводник неподвижен, а перемещается магнитное поле. Так, на рис. 33, показано, что постоянный магнит перемещают вверх-вниз в катушке. При этом силовые линии магнитного поля пересекают проводник катушки и в ней наводится ЭДС. Появление ЭДС регистрирует измерительный прибор – гальванометр.

 

Рис. 33. Магнитное поле перемещается относительно неподвижного проводника

        

    Таким образом главное условие появления (наведения) ЭДС в проводнике состоит в том, чтобы проводник пересекался силовыми линиями магнитного поля. При этом неважно, что именно движется, а что неподвижно.

    Рассмотренный вариант явления используется в генераторах, вырабатывающих для нас электрическую энергию. Так, в гидроэлектростанциях, поток падающей воды вращает генератор электроэнергии, заставляя магнитное поле перемещаться относительно проводника.

        

Второй вариант явления электромагнитной индукции: проводник неподвижен, но находится в переменном магнитном поле (рис. 34). На рисунке показано, что проводник находится в переменном магнитном поле.                      

Рис. 34. Неподвижный проводник находится в переменном магнитном поле

 

Переменным называется магнитное поле, величина которого изменяется во времени. Его сила то возрастает, то убывает. Это означает, что магнитное поле расширяется и сужается. При этом силовые линии пересекают проводник и наводят в нем ЭДС.

Величину ЭДС найдём по формуле:

 

 

Буквой ∆ (дельта) в формулах обозначают изменение (увеличение или уменьшение) какой-то величины.

В числителе формулы видим изменение магнитного потока Ф. В знаменателе – изменение времени. Например, если магнитный поток Ф изменился на 100 Вб за время t, длительностью 5 секунд, то в проводнике возникает ЭДС 20 В:

Этот вариант явления электромагнитной индукции используется в трансформаторах. Проводники их обмоток неподвижны. В обмотках трансформаторов наводится ЭДС, т.к. на обмотки воздействует переменное магнитное поле, существующее в сердечнике трансформатора.

 

Правило Ленца

 

Правило Ленца (закон Ленца) гласит: ток, вызванный индуктированной ЭДС, порождает эффекты, препятствующие появлению этой ЭДС.

Действие правила Ленца проявляется по разному в разных вариантах явления электромагнитной индукции, но действует оно всегда.

Рассмотрим, как проявляется действие правила Ленца в первом из рассмотренных вариантов явления электромагнитной индукции.

Прежде всего, отметим, что если ЭДС наводится, но ток в цепи не протекает, то правило Ленца не действует (рис. 32).

Если же цепь замкнута и по ней протекает ток, вызванный индуктированной ЭДС, правило Ленца действует. Рис.35 отличается от рис. 32 тем, что к концам проводника, в котором наводится ЭДС, подключён резистор R. По проводу, в котором наводится ЭДС, через резистор R и по проводам протекает ток I.

Рис. 35. В следствии проявления правила Ленца возникает сила, препятствующая появлению ЭДС в проводнике

 

    Известно, что на проводник с током, помещённый в магнитное поле, действует сила F. Определив направление этой силы по правилу левой руки, видим, что эта сила препятствует движению проводника, тормозит его. Тем самым действие этой силы препятствует наведению ЭДС в проводнике.

 

Явление самоиндукции

    Явление самоиндукции состоит в том, проводник, собственным магнитным полем наводит в себе ЭДС. Если по проводнику протекает ток, меняющийся по величине (переменный ток), вокруг проводника возникает магнитное поле. Это магнитное поле тоже будет меняться по величине (будет переменным). Переменное магнитное поле проводника, как бы "окутывает" его.

Рис. 36. Явление электромагнитной индукции. Проводник наводит сам в себе ЭДС

    Известно, что в проводнике, находящимся в переменном магнитном поле, наводится ЭДС самоиндукции. В данном случае проводник сам создаёт переменное магнитное поле, которое в нём самом наводит ЭДС.

Величина ЭДС самоиндукции определяется по формуле:

, где:

∆I - изменение силы тока в проводнике,

∆t - изменение времени

L - индуктивность проводника.

    Таким образом, величина ЭДС самоиндукции зависит от скорости изменения тока в цепи и коэффициента, называемого индуктивностью проводника. Измеряется индуктивность проводника в Генри [Гн].

    Явление самоиндукции может проявляться также и в цепях постоянного тока. В них оно проявляется в моменты включения и выключения цепи. При включении цепи ток нарастает от нуля до номинального значения, а при выключении цепи – спадает от номинального значения до нуля. Изменение величины тока вызывает изменение магнитного поля вокруг проводника. В эти короткие периоды времени и проявляется явление самоиндукции. В установившемся режиме, когда ток не меняется по величине, явление самоиндукции не проявляется.

    Индуктивность характеризует свойства проводника в отношении величины возникающей в нём ЭДС самоиндукции.

    У прямолинейных проводников индуктивность мала. Следовательно, возникающая в них ЭДС самоиндукции незначительна. Обычно ею просто можно пренебречь.

Если же проводник выполнен в виде катушки, имеющей большое число витков, то в нём возникает значительная по величине ЭДС самоиндукции, пренебрегать которой нельзя. Особенно велика ЭДС самоиндукции в катушках, снабженных ферромагнитным сердечником.

Влияние явления самоиндукции на работу цепей переменного тока будет рассмотрено позднее.

Явление взаимоиндукции

 

Взаимоиндукция – это частный случай общего явления электромагнитной индукции. Состоит в том, что один проводник своим магнитным полем наводит ЭДС в соседнем проводнике.

На рис. 37 показаны два проводника, расположенные рядом. По первому проводнику проходит переменный ток. Вокруг него возникает переменное магнитное поле. Во втором проводнике, находящимся в переменном магнитном поле первого проводника, наводится ЭДС взаимоиндукции.

Рис. 37. Явление взаимоиндукции. Силовые линии магнитного поля, созданного проводником 1, пронизывают проводник 2

 

Величина ЭДС взаимоиндукции в проводнике определяется по формуле:

, где:

М - коэффициент взаимоиндукции; измеряется в Генри.

    Видно, что эта формула очень похожа на предыдущую. Разница только в наименовании коэффициента. Взаимная индуктивность М характеризует систему из двух проводников в отношении величины ЭДС взаимоиндукции.

    Величина ЭДС взаимоиндукции зависит от скорости изменения тока в соседнем проводнике и от взаимной индуктивности M (Гн).

Взаимная индуктивность М зависит от формы и размеров проводников. Для прямолинейных проводников взаимная индуктивность незначительна и явление взаимоиндукции проявляется слабо.

Взаимная индуктивность будет больше, если проводники выполнены в виде катушек. Еще лучше, если они расположены на общем ферромагнитном сердечнике (рис. 38).

Как и в случае явления самоиндукции, взаимоиндукция может проявляться в цепях постоянного тока в моменты включения и ли выключения цепи.

Рис. 38. Проявление явления взаимоиндукции

    На рис. 38 показаны две катушки, размещённые на общем ферромагнитном сердечнике. На одну из обмоток подаётся постоянное напряжение от аккумулятора. Аккумулятор обеспечивает постоянное напряжение на своих зажимах и, соответственно, постоянный ток в цепи правой катушки (если замкнут выключатель). Ко второй катушки источник тока на подключён, но подключён гальванометр (измерительный прибор). Гальванометр отмечает появление ЭДС на зажимах левой катушки а момент включения и в момент выключения тока в цепи. Это объясняется тем, что в момент замыкания или размыкания контактов выключателя меняется сила тока в цепи и, соответственно, магнитное поле, созданное правой катушкой. При этом во второй катушке наводится ЭДС взаимоиндукции, что и отмечает гальванометр – его стрелка отклоняется.

 

Вихревые токи

Многие электротехнические устройства, например трансформатор или электродвигатель, снабжены железным сердечником. В сердечнике, при работе этих устройств, существует переменное магнитное поле.

В соответствии с явлением электромагнитной индукции (второй вариант) в проводнике, помещенном в магнитное поле, наводится ЭДС. В данном случае проводником является стальной сердечник трансформатора или электродвигателя.

По сердечнику потекут токи. Они замыкаются по кругу и поэтому называются вихревыми токами.

Рис. 39. В сердечнике, который пронизывает переменный магнитный поток,

возникают вихревые токи. Они протекают во всём объёме сердечника, а не только в верхней части, как показано на рисунке

 

На образование вихревых токов тратится энергия, хотя для работы трансформатора вихревые токи не нужны. Следовательно, часть энергии, вместо совершения полезной работы трансформатором, затрачена на образование ненужных и даже вредных вихревых токов. Эта энергия называется потерями на вихревые токи и её желательно свести к минимуму.

Кроме того, в соответствии с законом Ленца, вихревые токи порождают собственное магнитное поле, которое направлено встречно магнитному полю, порождающему их. А это недопустимо, т.к. порождающее их поле необходимо для работы устройства и ослаблять его нельзя.

Для ослабления вихревых токов сердечник трансформаторов и других устройств набирается из тонких стальных пластин. Толщина пластин 0,2 – 0,5 мм. Пластины изолируют друг от друга путем окрашивания. Изоляция пластин друг от друга не позволяет вихревым токам протекать по всей площади поперечного сечения сердечника, как это показано на рис. 39. При этом возникновение вихревых токов и их вредное влияние будут ослаблены.

Конец первой части

 

 

Список рекомендованной литературы:

1. Электротехника и основы электроники: Иванов И. И., Соловьев Г. И., Фролов В. Я. Учебник. 7-е изд., перераб. и доп. — СПб.: Издательство «Лань», 2012. — 736 с

2. Электротехника (4-е изд.) Год: 2004 Автор: Шихин А.Я. (Под ред.) Издательство: М.: Высшая школа

 

ОГЛАВЛЕНИЕ