Электромагнитная индукция
Электричество из магнетизма впервые получил замечательный английский физик Майкл Фарадей. Он самыми разными способами пытался расположить проводник возле магнита, полагая, что для получения тока нужно лишь придать проводнику удачную форму и найти ему удачное место в магнитном поле. И только спустя много лет Фарадей обнаружил, может быть даже случайно, что для получения тока в проводнике, кроме этого проводника и магнита, нужно еще одно обязательное слагаемое — движение. Электродвижущая сила на концах проводника, а при замкнутой цепи и ток в нем, появляется, если проводник определенным образом двигать в магнитном поле. Это явление называется электромагнитной индукцией, или в переводе — электромагнитным наведением.
Закон:
ЭДС индукции в проводнике прямо пропорциональна скорости с которой проводник пересекает магнитные силовые линии (магнитный поток).
Рассматривая единицы измерения напряжения, тока, сопротивления, емкости мы начали с минимальной порции электрического заряда - электрона. Из него была сформирована реальная единица заряда — кулон. Дальше пошли — ампер, вольт, ом, ватт, фарада. С единицей магнетизма дело обстоит сложней. Во всяком случае, сделать эталоном какой-либо атомный кольцевой ток не получится. Поэтому, в качестве единицы магнитных свойств, единицы магнетизма, выбраны магнитные свойства проводника, по которому идет ток в 1 ампер.
Индукцированное напряжение.
Правило 1:
Если магнитное поле пронизывает ладонь, а большой палец показывает направление движения проводника, то другие пальцы показывают направление индукцированного напряжения.
Направление индукцированного напряжения определяется правилом правой руки. Полярность индукцированного напряжения определяется правилом левой руки.
Правило 2:
Пальцы необходимо установить под прямым углом друг к другу. Большой палец указывает направление перемещения проводника, указательный направление силовых линий, а средний палец покажет направление тока.
Генераторы переменного и постоянного тока преобразуют механическую энергию в электрическую. Механическая энергия необходима для осуществления движения проводника относительно магнитного поля.
|
Индукцированное напряжение в генераторе переменного тока. |
|
В начале верхняя и нижняя часть рамки движется параллельно силовым линиям. Напряжение не индуцируется. При повороте рамки на 90 градусов (прямой угол с магнитным полем)она пересекает силовые линии, и напряжение индуцируется (оно максимально). При перемещении рамки на 180 градусов, количество пересекаемых силовых линий уменьшается, и индуцированное напряжение убывает от максимального значения до нуля. Направление тока можно определить, применяя правило левой руки для генераторов. Когда рамка поворачивается на 270 градусов, направления перемещения меняются. Теперь левая половина рамки движется вверх через магнитные силовые линии, а правая половина рамки движется вниз. Применение правила левой руки для генераторов показывает, что индуцированное напряжение изменяет полярность. Напряжение достигает максимума и уменьшается до нуля, когда рамка возвращается в исходное положение. Индуцированное напряжение завершило один цикл с двумя сменами полярности. |
|
Индукцированное напряжение в генераторе постоянного тока.
|
|
Генератор постоянного работает подобно генератору переменного тока. Отличие в преобразовании переменного напряжение в постоянное. Делается это с помощью коллектора (расщепленного кольца). Когда рамка вращается на 90 градусов, индуцируется напряжение. Индуцированное напряжение максимально, когда направление движения рамки образует прямой угол с магнитным полем. Когда рамка перемещается на 180 градусов, индуцированное напряжение уменьшается от максимального значения до нуля. Далее перемещается на 270 градусов, напряжение индуцируется, коллектор меняет его полярность, и оно остается таким же, как раньше. После этого рамка возвращается в исходное положение. Напряжение, генерируемое коллектором, является пульсирующим, всегда направлено только в одном направлении, дважды изменяясь от нуля до максимума в течение каждого оборота. |
Подробнее наши размышления примут следующий вид.
Возьмем виток провода abcd, вращающийся по часовой стрелке вокруг оси в магнитном поле между северным (N) и южным (S) полюсами магнита. Направление мгновенной наведенной ЭДС показано стрелками ab и cd. Когда плоскость витка перпендикулярна полю (положения 1 и 3), ЭДС равна нулю. Когда же плоскость витка параллельна полю (положения 2 и 4), ЭДС максимальна. Кроме того, направление ЭДС в боковых частях витка (скажем, ab), когда они проходят мимо северного полюса, противоположно ее направлению при прохождении мимо южного полюса.
Поэтому ЭДС меняет знак через каждую половину оборота в точках 1 и 3, так что в витке генерируется переменная ЭДС и, стало быть, течет ток. Если предусмотреть в конструкции токособирательные (контактные) кольца, то ток пойдет во внешнюю цепь.
Ферромагнетики.
Поместим в катушку металлическое тело, общее магнитное поле увеличится. Следовательно, металл (сердечник) концентрирует и усиливает магнитное поле, созданное катушкой. Этими свойствами обладают только железо, никель, кобальт. Второе их название ферромагнетики. Число, которое показывает, во сколько раз в том или ином веществе реальные магнитные силы превышают магнитные силы внешних полей, называют относительной магнитной проницаемостью.
Обозначается:
Все остальные вещества, кроме ферромагнитных, незначительно влияют на реальные магнитные силы. При этом некоторые вещества (парамагнитные) незначительно увеличивают эти силы, а другие (диамагнитные) незначительно ослабляют их. Определим искомые величины с помощью знакомой формулы.
Формула выражает закон Ома для магнитной цепи, где
Определяется по формуле
Магнитное сопротивление определяется материалом и размерами магнитопровода.
Для параллельного и последовательного соединения Rобщ вычисляется стандартно.
