Электромагнетизм. Электромагнитная индукция

В основе работы многих электротехнических устройств (электромеханических генераторов, трансформаторов) лежит явление электромагнитной индукции, открытое М. Фарадеем в 1831 г. Несколько позже российский академик Э. Ленц определил направление электродвижущей силы, а количественную зависимость индуцированной ЭДС от скорости изменения магнитного потока установил Дж. Максвелл.

Явление электромагнитной индукции заключается в том, что изменение магнитного поля вокруг проводника, связанное с пересечением проводника магнитными силовыми линиями, вызывает появление ЭДС в этом проводнике. При этом безразлично, будет ли изменяться магнитное поле относительно проводника или проводник будет перемещаться в магнитном поле. Значение индуцированной ЭДС определяется законом электромагнитной индукции М. Фарадея.

Он формулируется следующим образом. Индуцированная ЭДС прямо пропорциональна индукции В, активной длине проводника I и скорости v его перемещения в направлении, перпендикулярном линиям магнитного поля:

где — угол между направлениями скорости поля. Если = 90° (что бывает часто), то е = Blv.

Направление ЭДС определяют согласно правления ЭДС согласно правилу правой руки(рис. 2.1)

Рис. 2.1 Определение ЭДС согласно правилу правой руки.

Если поставить правую руку так, чтобы магнитные линии входили в ладонь, а отставленный большой палец указывал направление движения проводника, то вытянутые четыре пальца укажут направление индуцируемой ЭДС. При изменении магнитного потока, охватываемого замкнутым контуром, в нем индуцируется ЭДС

где t — промежуток времени, в течение которого магнитный поток изменяется на Ф.

В катушке с w витками Знак «-» отражает правило Ленца:

Индуцированная ЭДС имеет такое направление, при котором созданный ею ток противодействует причине, вызвавшей появление ЭДС, т. е. противодействует изменению магнитного потока.

Запомните!

Ø Явление электромагнитной индукции широко используется^ в различных электрических машинах и устройствах. На этом принципе основано устройство электрических генераторов, двигателей и трансформаторов.

Ø Направление ЭДС определяют согласно правилу правой руки.

Ø Индуцирование ЭДС в проводнике происходит независимо от того, включен ли он в какую-либо электрическую цепь или нет. Если присоединить концы этого проводника к какому-либо приемнику электрической энергии, то под влиянием разности потенциалов на концах проводника по замкнутой цепи потечет электрический ток.

Ø Индуцируемая ЭДС стремится противодействовать причине, ее вызывающей.

· Сомоиндукция

При изменении тока в проводнике, витке или индуктивной катушке изменяется магнитный поток, создаваемый этим током. Изменение магнитного потока индуцирует в проводнике (витке, индуктивной катушке) ЭДС, действие которой направлено на поддержание предшествующего состояния поля. Такое явление называется самоиндукцией. Направление ЭДС самоиндукции определяется по правилу Ленца. Электродвижущая сила самоиндукции имеет всегда такое направление, при котором она препятствует изменению вызвавшего ее тока. Следовательно, при возрастании тока в проводнике (индуктивной катушке) индуцированная в ней ЭДС самоиндукции будет направлена против тока, т. е. будет препятствовать его возрастанию (рис. 2.2, а), и, наоборот, при уменьшении тока в проводнике (индуктивной катушке) возникает ЭДС самоиндукции, совпадающая по направлению с током, т. е. препятствующая его убыванию (рис. 2.2,б). Способность различных проводников (индуктивных катушек) индуцировать ЭДС самоиндукции оценивается индуктивностью L. Единица индуктивности — генри (Гн). Такой индуктивностью обладает проводник, в котором возникает ЭДС самоиндукции, равная 1 В, при изменении тока на 1 А за 1 с:

Знак « - » в формуле отражает правило Ленца.

Рис. 2.2, Направление ЭДС самоиндукции в индуктивной катушке:

а - при увеличении тока; б - при уменьшении тока

На практике индуктивность часто измеряют в тысячных долях генри — миллигенри (мГн) и в миллионных долях генри — микро. генри (мкГн). Значение индуктивности L зависит от конструкции элементов цепи. Так, для индуктивной катушки с числом витков w, магнитопроводом длины I, сечения S и магнитной проницаемостью µ индуктивность

.

Если катушки своими полями не влияют друга на друга, то при последовательном соединении индуктивных катушек с индуктивностями ... общая индуктивность

...

При параллельном соединении

Запомните!

Ø Если ток в индуктивной катушке не изменяется, то ЭДС самоиндукции не возникает.

Ø Явление самоиндукции в тех или иных проводниках характеризуется индуктивностью L.

Ø Индуктивность — это размерный коэффициент пропорциональности между скоростью изменения тока во времени и индуцируемой при этом ЭДС.

· Взаимоиндукция

Если две индуктивные катушки находятся на некотором расстоянии друг от друга (рис. 2.3) и по одной из них (1) проходит изменяющийся ток, то часть магнитного потока, возбуждаемая этим током, пронизывает витки второй индуктивной катушки (2) и в ней возникает ЭДС, называемая ЭДС взаимоиндукции. Если два замкнутых контура или две индуктивные катушки 1 и 2 (рис. 2.3) сцеплены с общим магнитным потоком , то такие контуры и индуктивные катушки называют индуктивно- или магнитно-связанными.

Под действием ЭДС взаимоиндукции в замкнутой цепи второй индуктивной катушки возникает электрический ток взаимоиндукции. О н вызывает появление магнитного поля, которое пронизывает витки первой индуктивной катушки, в результате чего в ней также возникает ЭДС взаимоиндукции. Такое явление называется взаимоиндукцией. Величина ЭДС взаимоиндукции, возникающей во второй индуктивной катушке, зависит от размеров, расположения индуктивных катушек, магнитной проницаемости их сердечников, а также скорости изменения силы тока в первой индуктивнои катушке.

Рис. 2.3. Взаимоиндукция: 1,2 — индуктивно-связанные катушки

Эту зависимость можно выразить формулой

,

где М — величина, зависящая от размеров индуктивных катушек, их расположения и магнитной проницаемости среды между индуктивными катушками. Она называется взаимной индуктивностью и измеряется в генри (Гн). Знак «-» в этой формуле показывает, что ЭДС взаимоиндукции противодействует причине, вызывающей ее. Взаимоиндукция дает возможность связывать посредством магнитного поля различные электрические цепи. Явление взаимоиндукции широко используют в трансформаторах, радиотехнических устройствах и устройствах автоматики.

· Вихревые токи.

Изменяющийся магнитный поток способен индуцировать ЭДС не только в проводах или витках индуктивных катушек, но и в массивных стальных сердечниках, кожухах и других металлических деталях электротехнических установок. Эти ЭДС являются причиной появления индуцированных токов, которые действуют в массивных металлических деталях электротехнических устройств, замыкаясь накоротко в их толще. Такие токи получили название вихревых токов. Природа вихревых токов такая же, как и токов, индуцированных в обычных проводах или индуктивных катушках. Благодаря очень малому сопротивлению массивных проводников вихревые токи даже при небольшой индуцированной ЭДС достигают очень больших значений, вызывая чрезмерное нагревание этих проводников. Способы уменьшения вредного действия вихревых токов. В электрических машинах и аппаратах вихревые токи обычно нежелательны, так как они вызывают нагрев металлических сердечников, создают потери энергии (так называемые потери от вихревых токов), снижают КПД электрических машин и аппаратов и оказывают согласно правилу Ленца размагничивающее действие. Для, г>1еньшения вредного действия вихревых токов применяют два основных способа.

1. Сердечники электрических машин и аппаратов выполняют из отдельных стальных листов толщиной 0,35— 1,0 мм, изолированных один от другого слоем изоляции (лаковой пленкой, окалиной, образующейся при отжиге листов, и пр.). Благодаря этому преграждается путь распространению вихревых токов.

2. В состав электротехнической стали, из которой изготовляют сердечники электрических машин и аппаратов, вводят 1— 5% кремния, что обеспечивает повышение ее электрического сопротивления. Благодаря этому достигается снижение силы вихревых токов, протекающих по сердечникам электрических машин и аппаратов. Использование вихревых токов. Вихревые токи используют для плавки металлов, с их помощью нагревают металлические детали при сварке, наплавке и пайке, а также осуществляют поверхностный нагрев, необходимый для закалки металлических изделий.

Контрольные вопросы

1. От каких параметров зависит ЭДС индукции?

2. Какие катушки называют магнитно-связанными?

3. Какие способы уменьшения вредного действия вихревых токов вам известны?

4. Где в технике используется явление электромагнитной индукции?