Курс лекций по физике Электротехника

Закон Ома Расчет электрических цепей Электрические машины переменного тока Электронные усилители и генераторы Трехфазные выпрямители

Преобразование электрической энергии в механическую

1. Действие магнитного поля на проводник с током. В однородное магнитное поле перпендикулярно его направлению поместим прямолинейный проводник (рис. 9.8) и подведем к нему постоянное напряжение U. Так как в проводнике возникает ток I, то на него действует электромагнитная сила F = BIl. Направление этой силы определяется по правилу левой руки. Под действием силы F проводник будет скользить по медным шинам А а Б, пересекать силовые линии магнитного поля. В результате в проводнике возникает ЭДС индукции Е = Blv, где v — скорость движения проводника. Пользуясь правилом правой руки, можно установить, что индуцируемая ЭДС направлена навстречу току, а следовательно, и приложенному напряжению U. Поэтому ток в цепи

I=(U-E)/r,

где г — сопротивление движущегося проводника. Из (9.4) следует Ir=U — E или U = Е+Iг. Умножив обе части последнего уравнения на ток /, получим

UI = EI + I2r,

где UI — мощность источника питания; El — механическая мощность, развиваемая проводником; I2г — мощность, теряемая на нагревание проводника. Таким образом, при движении проводника с током в магнитном поле под действием его сил происходит преобразование электрической энергии в тепловую и механическую. На этом явлении основана работа электрических двигателей.

2. Устройство и принцип действия простейшего двигателя постоянного тока. На рис. 9.9, а показано устройство простейшего двигателя постоянного тока. На якоре двигателя укладывается обмотка якоря ОЯ, которая в данном случае состоит из проводников 1—6. Ток в обмотку якоря поступает через щетки Ш1, Ш2 и коллектор. Для создания магнитного поля на полюсных наконечниках ПН1 и UH2 размещается обмотка возбуждения ОВ. Она соединяется последовательно, параллельно или смешанно с обмоткой якоря. На рис. 9.9,6 показана схема включения электродвигателя параллельного возбуждения. После включения рубильника ток в обмотке якоря взаимодействует с магнитным полем, которое создается током обмотки возбуждения. В результате возникают силы F и якорь приходит во вращение. В момент пуска встречная ЭДС в обмотке якоря Е=0 и ток Iя = U/rя значительно больше номинального.

Для уменьшения тока последовательно с обмоткой якоря включают пусковой реостат ПР. После того как якорь придет в движение и в обмотке возникнет встречная ЭДС, пусковой реостат выводят. Электродвигатели преобразуют электрическую энергию в механическую и приводят в движение различные машины, станки и т. д.

 

Явление самоиндукции. Индуктивность

1. Значение и направление ЭДС самоиндукции. Вокруг контура с током всегда существует магнитный поток самоиндукции ФL, пронизывающий контур. При постоянной магнитной проницаемости среды магнитный поток самоиндукции пропорционален силе тока. Алгебраическая сумма потоков самоиндукции всех витков катушки называется потокосцеплением самоиндукции . Изменение силы тока вызывает изменение возбуждаемого этим током потокосцепления самоиндукции. Согласно закону электромагнитной индукции, при изменении потокосцепления в цепи индуцируется ЭДС.

Явление возникновения ЭДС в контуре при изменении проходящего по этому контуру тока называется самоиндукцией. ЭДС самоиндукции eL возникает в любой электрической замкнутой цепи, если в ней изменяется ток. Изменяющийся ток обозначается i. Согласно (9.3), ЭДС самоиндукции eL = — d/dt. Знак минус в выражении ЭДС самоиндукции соответствует правилу Ленца: ЭДС, индуцируемая изменяющимся током, противодействует изменению тока. Отношение потокосцепления самоиндукции  к току i контура называется индуктивностью контура и обозначается буквой L. Таким образом,

Если в контуре отсутствуют ферромагнитные материалы, то с увеличением тока i пропорционально току растет и потокосцепление . Следовательно, индуктивность в этом случае — величина постоянная и не зависит от тока. Если контур имеет ферромагнитные материалы (катушка со стальным сердечником, линия из стальных проводов), то пропорциональность между потокосцеплением самоиндукции и током нарушается и индуктивность контура зависит от тока. Если в формуле L = /i принять i = 1А, то L = . Следовательно, индуктивность характеризует свойство электрической цепи образовывать потокосцепление при прохождении тока. Это один из основных параметров электротехнических устройств. Так как ток всегда возбуждает магнитное поле, то, следовательно, любой элемент цепи тока должен обладать индуктивностью. Иногда индуктивность может быть настолько мала, что ее влиянием можно пренебречь. Наличие ферромагнитных материалов в катушках увеличивает их индуктивность. Единицей индуктивности в СИ является генри (Гн). Более мелкими единицами индуктивности являются миллигенри (1 мГн = = 10-3 Гн) и микрогенри (1 мкГн=10-6 Гн). Элементарное потокосцепление при постоянной индуктивности d = Ldi. Подставив полученное выражение в формулу eL = —/dt, получим

ЭДС самоиндукции пропорциональна индуктивности L и скорости изменения тока в контуре di/dt.

Направление ЭДС самоиндукции определяется по правилу Ленца. При увеличении тока она направлена навстречу току, препятствуя увеличению магнитного потока контура. При уменьшении тока ЭДС самоиндукции действует по току, задерживая уменьшение магнитного потока контура. Это учитывается введением в (9.7) отрицательного знака. Действительно, при увеличении тока скорость его изменения положительна: di/dt, а ЭДС отрицательна: eL = —L. т. е. направлена навстречу току. При уменьшении тока скорость его изменения отрицательна — di/dt, а ЭДС положительна: eL = —L, т. е. действует по току.

2. Индуктивность кольцевой и цилиндрической катушек. Выведем формулу индуктивности кольцевой катушки (рис. 9.10), имеющей w витков и средний радиус R. Потокосцепление катушки  = ФL. = BS, где В — магнитная индукция поля в любой точке окружности с радиусом R; S — поперечное сечение сердечника катушки. Согласно (7.11), магнитная индукция кольцевой катушки В = . Значение потокосцепления и магнитной индукции подставим в общую формулу индуктивности:

Индуктивность цилиндрической катушки при l/d>>l

где S — поперечное сечение сердечника катушки; l и d — ее длина и диаметр.

Цепями с большой индуктивностью являются обмотки генераторов, электродвигателей, трансформаторов и катушек со стальными сердечниками. Меньшую индуктивность имеют прямолинейные проводники. Короткие прямолинейные проводники, лампы накаливания и электронагревательные приборы индуктивностью практически не обладают, и появление ЭДС самоиндукции в них почти не наблюдается. На практике встречаются случаи, когда нужно изготовить катушку, не обладающую индуктивностью (например, добавочные сопротивления к электроизмерительным приборам и т.п.). В этом случае применяют бифилярную намотку катушки (рис. 9.11), перегибая провода пополам и сближая обе половины, насколько это позволяет толщина изоляции. Так как токи в сторонах петли направлены противоположно, то магнитные поля соседних проводников взаимно уничтожаются, следовательно, поток самоиндукции и индуктивность катушки будут незначительны (практически равны нулю).

Расчет сечения проводов по допустимому нагреву