Электромагнитная индукция, самоиндукция и взаимоиндукция

Как мы уже знаем, вокруг каждого проводника, по которому проходит электрический ток, образуется магнитное поле. Такая неразрывная связь между электрическим током и магнетизмом используется для получения тока при помощи магнитно­го поля.

Так если замкнутый проводник поместить между полюсами магнита и начать его перемещать или, оставив неподвижным проводник, перемещать магнит, то по замкнутому проводнику пойдет электрический ток. Возбуждение в проводнике электрического тока под действием магнитного поля носит название электромагнитной индукции, а электродвижущая сила, возникающая в проводнике в результате этого явления, называется индуктированной электродвижущей силой.

Па принципе электромагнитной индукции основана работа генераторов электрического тока. Величина индуктированной к д. с. зависит от ряда факторов: магнитной индукции В, длины проводника I и скорости его перемещения v в магнитном поле. Если магнитные силовые линии пересекают проводник перпен­дикулярно, то величина индуктированной э. д. с. подсчитывается по формуле

E= Blv,

где Е — индуктированная э. д. с, В; В — магнитная индукция, Т; l— длина проводника, м;

v — скорость перемещения проводника в магнитном поле, м/с

Направление индуктированной э. д. с. определяется по правилу правой руки: если расположить ладонь правой рука так, чтобы магнитные линии входили в ладонь, а отставленный большой палец указывал направление движения проводника относительно магнитного поля, то вытянутые четыре пальца укажут направление индуктированной э. д. с.

Самоиндукцией называется явление индуктирования э. д. с. в замкнутом контуре (в проводнике или электрической цели) под действием изменения собственного магнитного потока в контуре при изменении тока в нем. Индуктируемая при этом э. д. с. называется э. д. с. самоиндукции. Электродвижущая э. д. с. самоиндукции зависит от количества витков катушки или обмотки, наличия в ней стальных сердечников и скорости изменения магнитного потока. При этом э. д. с. самоиндукции всегда направлена навстречу причине, вызвавшей ее появление.

Так, согласно правилу Ленца при увеличении тока э. д. с. самоиндукции препятствует его нарастанию; при уменьшении, складываясь с э. д. с. источника тока, препятствует его убыванию. Электродвижущая сила самоиндукции возникает в обмотках в катушках электрических приборов и машин.

Для сравнения различных проводников в отношении их способности возбуждать э. д. с. самоиндукции вводится понятие о коэффициенте с а м о и н д у к ц и и, или и н д у к т и в и о с т и, которая измеряется в генри (сокращенно Г). Индуктивностью в 1 генри обладает такая цепь, в которого при равномерном изменении тока со скоростью I ампер п секунду возникает з. д. с, равная 1 вольту.

Явлением взаимоиндукции называется возникновение э. д. с. в какой-либо обмотке под влиянием изменения поля другой обмотки, расположенной рядом с первой. Электродвижущая сила, возникающая при этом явлении, называется э. д. с. взаимоиндукции.

Цепь, в которой подводится изменяющийся по силе ток, называется обычно первичной, а цепь, в которой индуктируется э. д. с. взаимоиндукции, называется вторичной цепью. Взаимоиндуктивность, так же как и индуктивность, измеряется в генри. Величина индуктируемой по вторичной цепи э. д. с. зависит от скорости изменения тока в первичной цепи.

Явление взаимоиндукции широко используется в электротех­нике в тех случаях, когда необходимо передать электроэнергию из одной цепи в другую без проводниковой связи между ними или, как принято говорить, электромагнитным путем. На этом явлении основана работа трансформаторов.

ПОНЯТИЕ О ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ

Переменным называется ток, сила и направление которого изменяются периодически во времени. В технике применяется переменный ток, изменяющийся по синусоиде. Получение переменного тока основано на явлении электромагнитной индукции.

На рис. 161 схематично изображено получение синусоидального переменного тока. Слева на схеме а показаны: полюсы маг­нита (северный N и южный S), кружочками различные положения проводника в магнитном поле; при этом знаком плюс (+) обозначают, что в данном положении ток идет от нас за плоскость чертежа, а точкой (.), что ток идет от плоскости чертежа на нас.

На схеме рис. 161, б представлено изменение силы и направления тока по внешней цепи замкнутого проводника за один его полный поворот между полюсами магнитов. По горизонтальной оси графика отложено время, а по вертикальной оси — значения тока. Как следует из кривой графика, представляющего собой синусоиду, за один полный поворот в зависимости от угла, под которым проводник пересекает магнитные силовые линии, значение тока изменяется от нуля до максимального, а по знаку - от плюса до минуса.

Машина, служащая для получения переменного тока, называется генератором переменного тока, принцип действия которого можно уяснить из следующего.

Если выполнить проводник в виде витка, поместить его между полюсами (рис. 161, в) и вращать в направлении движения часовой стрелки, то в нем будет индуктироваться э. д. е., направлен­ная при вращении его под северным полюсом от нас и при вращении его под южным полюсом — на нас. Так как стороны витка попеременно перемещаются то под северным полюсом, то под южным и пересекают при этом магнитные силовые линии под различными углами, то э. д. е., индуктируемая в витке, будет из­меняться по значению и направлению. Присоединив концы витка к двум контактным кольцам, изолированным между собой и от вала, и наложив па кольца неподвижные щетки, соединенные с внешней цепью, будем получать переменную э. д. с, и во внешней цепи потечет переменный ток.

Переменный ток характеризуется следующими величинами: периодом, частотой, амплитудой.

Под периодом понимают промежуток времени, в течение которого происходит полный цикл изменений тока по значению и направлению. Каждый последующий период тока является пов­торением предыдущего. Период обозначается буквой Т (см. рис. 161, б) и иногда выражается не во времени, а в градусах.

Частотой называется число циклов изменений тока во времени (периодов в 1 с). Частота — величина, обратная периоду, обозначается 'буквой f, т. е. f=1/Т. За единицу измерения частоты принят герц (Гц). В СССР принята частота переменного тока 50 Гц.

Амплитудой называется наибольшее из мгновенных значе­ний тока, которого он достигает в течение периода. Как следует из рис. 161, б, за один период переменный ток достигает ампли­тудного значения дважды.

Законы постоянного тока применимы к цепям переменного то­ка только в тех случаях, когда эти цепи состоят из активных сопротивлений в связи с применением ламп накаливания, реостатов. Однако во многих случаях цепь.переменного тока, кро­ме активного сопротивления, содержит катушки самоиндукции, обмотки электродвигателей, конденсаторы и другие приборы, которые вносят в цепь так называемое 'реактивное сопротивление, влияющее на ток в цепи 'переменного тока, вследствие чего закон Ома в таком виде, в каком он применяется для цепи по­стоянного тока, недействителен для цепи переменного тока.

Для того чтобы найти действующий ток в неразветвленной цепи переменного тока, нужно подсчитать полное сопротив­ление цепи с учетом всех -входящих в нее резисторов. В об­щем случае при наличии в цепи активного R, индуктивного Xl и емкостного сопротивлений Х_с полное сопротивление цепи переменного тока определяется по формуле

Тогда действующее значение тока в цени переменного тока с последовательно включенными резисторами R_, ,X_L и Х_с при известном напряжении U определится по формуле

I = U/Z.

Эта формула имеет такое же значение, какое закон Ома для цепи постоянного тока. Если включить в цепь переменного тока амперметр, то он покажет значение; в 1,4 раза меньшее амплитудного тока. Это значение тока называют действующим, или эффективным, значением переменного тока. Для синусоидального переменного тока действующие значения напряжения U и электродвижущей силы Е будут также меньше амплитудных их значений в 1,4 раза. Измерительные приборы, включенные в цепь переменного тока, показывают действующие значения измеряемых величии.

В некоторых случаях требуется знать не действующее, а среднее значение переменного тока, которое, как показывают опыты и расчеты, равно его амплитудному значению, умноженному на 0,637.

Если между полюсами вращать цилиндр, на котором расположены не одна, а три обмотки, смещенные каждая по отношению к остальным на угол 120^е, то наводимая в каждой обмотке э. д. с. достигает амплитудного значения не в одно время, а отличается по фазам па 1/3 периода (120°), как это показано на рис. 162.

На рис. 162 слева схематично изображен магнит с полюсами и вращающийся между ними цилиндр с обмотками 1, 2 и 3, сме­щенными относительно друг друга на 120°, а справа представлен график синусоид изменения э. д. с. тока в этих обмотках. Как следует из графика, синусоиды смещены относительно друг друга на определенный угол φ (рис. 162), называемый фазным. При вращении каждая обмотка (катушка) является самостоятельным источником однофазного переменного тока.

Трех ф а з н ы м током называется совокупность трех переменных токов одинаковой частоты, сдвинутых на 1/3 периода (120"). Трехфазный ток вырабатывают трехфазные генераторы переменного тока, соединение обмоток у которых де­лают звездой или треугольником (рис. 163).

 

При соединении звездой (рис. 163, а) начальные концы всех фазных обмоток идут во внешнюю цепь, вторые концы обмоток соединены между собой. Потребитель можно включить между любой парой линейных проводов или между любым линейным проводом и ну­левым. При соединении треугольником (рис. 163, б) конец первой обмотки фазы присоеди­няется к началу второй, конец второй — к началу третьей, конец третьей — к началу первой.

Напряжение между началом и концом фазы называется фазным напряжением и обозначается Uф Напряжение между концами фаз или проводами называется линейным напряжением и обозначается Uл- Соответственно и сила тока называется фазной Iф или линейной I_л-

При соединении фаз генератора или приемника звездой линейный ток равен фазному, а линейное напряжение в 1,73 раза больше фазного напряжения. При соединении треугольником линейное напряжение равно фазному, а линейный ток в 1,73 раза больше фазного.

Контрольные вопросы:

1. Какие тела называются магнитами и в чем проявляются их магнитные свойства?

2..Каким образом можно определить направление магнитного поля и его силовых линий, возникающих вокруг проводника с током?

3. Что называется магнитной индукцией, магнитным потоком и магнитной цепью?

4. В чем сущность устройства и действия электромагнита?

5. Как проявляется взаимодействие между магнитным полем и проводником c током?

6. Что Вы понимаете под электромагнитной индукцией, самоиндукцией и взаимоиндукцией?

7. Что Вы понимаете под переменным током и каков принцип его получения?

8. Какими величинами характеризуется переменный синусоидальный ток?

9. Какой ток называют трехфазным икаков принцип его получения?

10. Какие способы соединения обмоток применяются в генераторах трехфазного тока:

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ