Соленоид, внутри которого находится стальной (железный) сердечник, называется электромагнитом. Магнитное поле у электромагнита сильнее, чем у соленоида, так как кусок стали, вложенный в соленоид, намагничивается и результирующее магнитное поле усиливается. Полюсы у электромагнита можно определить, так же как у соленоида, по «правилу буравчика».
Магнитный поток соленоида (электромагнита) увеличивается с увеличением числа витков и тока в нем. Намагничивающая сила зависит от произведения тока на число витков.
Увеличить магнитный поток соленоида можно следующими путями:
1) вложить в соленоид стальной сердечник, превратив его в электромагнит;
2) увеличить сечение стального сердечника электромагнита (так как при данных токе, напряженности магнитного поля, и, стало быть, магнитной индукции увеличение сечения ведет к росту магнитного потока);
3) уменьшить воздушный зазор электромагнита (так как при уменьшении пути магнитных линий по воздуху уменьшается магнитное сопротивление).
63. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ
Явление ЭДС в контуре при пересечении его магнитным полем называется электромагнитной индукцией и было открыто английским физиком М. Фа-радеем в 1831 г.
Проводник, по которому течет электрический ток, окружен магнитным полем. Если изменять величину или направление тока в проводнике или размыкать и замыкать электрическую цепь, питающую проводник током, то магнитное поле, окружающее проводник, будет изменяться. Изменяясь, магнитное поле проводника пересекает этот же самый проводник и наводит в нем ЭДС. Это явление называется самоиндукцией. Сама индуктированная ЭДС называется ЭДС самоиндукции.
Индуктированная ЭДС возникает в следующих случаях.
1. Когда движущийся проводник пересекает неподвижное магнитное поле или, наоборот, перемещающееся магнитное поле пересекает неподвижный проводник; или когда проводник и магнитное поле, двигаясь в пространстве, перемещаются относительно другого.
2. Когда переменное магнитное поле одного проводника, действуя на другой проводник, индуктирует в нем ЭДС.
3. Когда изменяющееся магнитное поле проводника индуктирует в нем самом ЭДС (самоиндукция).
Для определения индуктированной ЭДС в проводнике служит «правило правой руки»: если мысленно расположить правую руку в магнитном поле вдоль проводника так, чтобы магнитные линии, выходящие из северного полюса, входили в ладонь, а большой отогнутый палец совпадал с направлением движения проводника, то четыре вытянутых пальца будут показывать направление индуктированной эДс в проводнике.
Величина индуктированной ЭДС в проводнике за' висит:
1) от величины индукции магнитного поля, так как чем гуще расположены магнитные индукционные линии, тем большее число их пересечет проводник за единицу времени;
2) от скорости движения проводника в магнитном поле, так как при большой скорости движения проводник может пересечь больше индукционных линий в единицу времени;
3) от рабочей (находящейся в магнитном поле) длины проводника, так как длинный проводник может больше пересечь индукционных линий в единицу времени;
4) от величины синуса угла между направлением движения проводника и направлением магнитного поля.
В 1834 г. русский академик Э.Х. Ленц дал универсальное правило для определения направления индуктированной ЭДС в проводнике. Это правило, известное как правило Ленца, формулируется так: направление индуктированной ЭДС всегда одинаково, что вызванный ею ток и его магнитное поле имеют такое направление, что стремятся препятствовать причине, порождающей эту индуктированную ЭДС.
Токи, которые индуктируются в металлических телах при пересечении их магнитными линиями, называются вихревыми токами, или токами Фуко.
Для уменьшения потерь на вихревые токи якори генераторов, электрических двигателей и сердечники трансформаторов собирают из отдельных тонких (0,35-0,5 мм) штампованных листов мягкой стали, расположенных по направлению линий магнитного потока и изолированных один от другого лаком или тонкой бумагой. Это делается для того, чтобы вследствие малого поперечного сечения каждого стального листка уменьшить величину проходящего через него магнитного потока, а стало быть, уменьшить индуктируемые в нем ЭДС и ток.
Вихревые токи бывают полезны. Эти токи используют для закалки стальных изделий токами высокой частоты в работе индукционных электроизмерительных приборов, счетчиков и реле переменного тока.
64. ПОЛУЧЕНИЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Пусть имеется однородное магнитное поле, образованное между полюсами электромагнита. Внутри поля под действием посторонней силы вращается по окружности в сторону движения часовой стрелки металлический прямолинейный проводник. Пересечение проводников магнитных линий приведет к появлению в проводнике индуктированной ЭДС. Величина этой ЭДС зависит от величины магнитной индукции, активной длины проводника, скорости пересечения проводником магнитных линий и синуса угла между направлением движения проводника и направлением магнитного поля. ?= Bl?sin?.
Разложим окружную скорость на две составляющие – нормальную и тангенциальную по отношению к направлению магнитной индукции. Нормальная составляющая скорости обусловливает наводимую ЭДС индукции и равна:
?n = ?sin?.Тангенциальная составляющая скорости не принимает участия в создании индуктированной ЭДС и равна: ?t = ?cos?.
При движении проводник будет занимать различные положения. За один полный оборот проводника ЭДС в нем сначала увеличивается от нуля до максимального значения, затем уменьшается до нуля и, изменив свое направление, вновь увеличивается до максимального значения и вновь уменьшается до нуля. При дальнейшем движении проводника изменения ЭДС будут повторяться.
Во внешней цепи будет протекать изменяющийся по величине и направлению ток. Такой ток называется переменным в отличие от постоянного, который дают гальванические элементы и аккумуляторы.
Переменная ЭДС и переменный ток периодически меняют свои направления и величину. Значение переменной величины (тока, напряжения и ЭДС) в рассматриваемый момент времени называется мгновенным значением. Наибольшее из мгновенных значений переменной величины называется ее максимальным, или амплитудным, значением и обозначается Im, Um.
Промежуток времени, по истечении которого изменения переменной величины повторяются, называется периодом Т (измеряется в секундах). Число периодов в единицу времени называется частотой переменного тока и обозначается v (измеряется в герцах). В технике применяют токи различной частоты. Стандартная промышленная частота в России -50 Гц.
ЭДС в проводнике индуктируется по закону синуса. Такая ЭДС называется синусоидальной.
Переменный синусоидальный ток в течение периода имеет различные мгновенные значения. Действия тока не определяются ни амплитудным, ни мгновенным значениями. Для оценки действия, производимого переменным током, сравним его с тепловым эффектом постоянного тока. Мощность постоянного тока, проходящего через сопротивление, будет С = I2R.
Зависимость между действующими и амплитудными значениями силы тока и напряжения переменного тока имеет вид:
Im = I?2, Um = U?2.
Действующее значение переменного тока равно такому постоянному току, который, проходя через то же сопротивление, что и переменный ток, за то же время выделяет такое же количество энергии.
65. ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Рассмотрим цепь, состоящую из сопротивления R. Влиянием индуктивности и емкости для простоты пренебрегаем. К зажимам цепи приложено синусоидальное напряжение u = Umsin?t. По закону Ома мгновенное значение тока будет равно: i = u/r =(Um / r)sin?t = Im sin?t.
Формула мощности для цепи переменного тока с активным сопротивлением такая же, как формула мощности для цепи постоянного тока: P=I2R.Активным сопротивлением обладают все проводники. В цепи переменного тока практически только одним активным сопротивлением обладают нити ламп накаливания, спирали электронагревательных приборов и реостатов, дуговые лампы и прямолинейные проводники большой длины.
Рассмотрим цепь переменного тока, содержащую катушку с индуктивностью L без стального сердечника. Для простоты будем считать, что активное сопротивление катушки очень мало и им можно пренебречь.
С наибольшей скоростью изменяется ток около своих нулевых значений. Около максимальных значений скорость изменения тока падает, а при максимальном значении тока прирост его равен нулю. Таким образом, переменный ток меняется не только по величине и направлению, но также и по скорости своего изменения. Переменный ток, проходя по виткам катушки, создает переменное магнитное поле. Магнитные линии этого поля, пересекая витки своей же катушки, индуктируют в них ЭДС самоиндукции. Так как индуктивность катушки в нашем случае остается неизменной, ЭДС самоиндукции будет зависеть только от скорости изменения тока. Наибольшая скорость изменения тока имеет место около нулевых значений тока. Следовательно, наибольшее значение ЭДС самоиндукции имеет в те же моменты.
