Если во внешнем магнитном поле проводник перемещать так, чтобы он пересекал силовые линии, то в этом проводнике будет индуктироваться ЭДС. Такое явление (воздействие изменяющегося магнитного поля на проводник с разделением в нем электрических зарядов) называют электромагнитной индукцией.
Это происходит потому, что магнитное поле действует на свободные электроны проводника, заставляя их смещаться к одному из концов проводника, где накапливается отрицательный заряд. На другом конце проводника из-за недостатка электронов образуется положительный заряд, т.е. появляется напряжение. Если замкнуть цепь, то пойдет ток.
Величина ЭДС зависит:
* от индукции (интенсивности) магнитного поля (В);
* от скорости перемещения проводника(V);
* от длины проводника (L);
E = B*V*L;
Прим. Можно сказать, что ЭДС зависит от количества силовых линий, которые будет пересекать проводник за единицу времени, в том числе от угла α, под которым проводник пересекает магнитные силовые линии, т.е.
E = B*V*L*sin α,
это значит, что если проводник перемещается вдоль силовых линий, то α, sin α и ЭДС ровны нулю.
Направление ЭДС определяется по правилу правой руки: силовые линии поля входят в ладонь, отогнутый большой палец по направлению движения, 4 пальца укажут направление ЭДС.
В электрических машинах явление электромагнитной индукции реализуется разными способами:
1. Перемещать проводник в магнитном поле (используется в генераторах постоянного тока).
2. При неподвижном проводнике, перемещать само магнитное поле (используется в 3-х фазных генераторах переменного тока).
3. Неподвижный проводник поместить в переменное магнитное поле (используется в трансформаторах).
2.9. Правило Ленца.
(общие законы природы Ленцсформулировал для электромагнитных явлений)
Индуктированная ЭДС, ток ею созданный и его магнитное поле всегда направлены против причины вызвавшей их появление.
Прим. Законы природы:
1) на всякое действие образуется противодействие;
2) чем сильнее действие, тем сильнее противодействие;
3) любая система (в том числе человек) ведет себя так, чтобы нейтрализовать внешнее воздействие;
4) и т.п.
Пример: если в катушку с замкнутой внешней цепью магнит вставлять, то магнитное поле, созданное током катушки от индуктированной в ней ЭДС будет направлено против поля вставляемого магнита, т.е. катушка «сопротивляется» внесению внешнего поля, отталкивает магнит. Если магнит вынимать из катушки, то поле от тока индуктированной ЭДС будет направлено в ту же сторону, что и поле создавшего их магнита, т.е. катушка «стремится» сохранить поле, притягивает магнит.
Самоиндукция.
(Влияние магнитного поля проводника на свой же проводник).
При изменении тока в катушке, меняется и ее магнитное поле. Поэтому в катушке, находящейся в собственном магнитном, появляется ЭДС, которая называется ЭДС самоиндукции. Обозначается – ЕL. ЭДС самоиндукции, по правилу Ленца, всегда направлена против изменения тока. То есть, если ток увеличивается в катушке, то ЭДС направлена против тока. Если ток уменьшается – то ЭДС направлена согласно току.
ЭДС самоиндукции зависит от индуктивности катушки и скорости изменения тока в ней. Соответственно, это выражается данной формулой:
ЕL = - L ×∆I/∆t где:
- L – индуктивность катушки. Индуктивность показывает, какое магнитное поле способна создать данная катушка. Индуктивность зависит от количества витков катушки, от размеров катушки, от наличия и материала сердечника в катушке, от среды в которой находится катушка. Индуктивность измеряется в Генри (Гн).
Примечание: Под индуктивностью в 1Гн понимается, что при изменении тока в катушке в 1А за 1 сек., в ней возникает ЭДС самоиндукции равная 1 В.
Гн – очень большая единица измерения, поэтому индуктивность реальных катушек измеряется в мГн и мкГн. Например катушка сглаживающего реактора в электропоезде имеет индуктивность «всего» 20мГн
- ∆I/∆t – скорость изменения тока.
- Знак (-) в формуле указывает на то, что ЭДС самоиндукции направлена против изменения тока.
Следствия:
1. Из-за ЭДС самоиндукции переменному току оказывается дополнительное (к обычному электрическому сопротивлению R) индуктивное сопротивление Х L.
2. В момент размыкания контактов независимо от рода тока, ток резко уменьшается, что создает большую ЭДС самоиндукции, которая складывается с с ЭДС источника и напряжением цепи и вследствие этого, в сети возникает скачок напряжения, что может повредить другие потребители и образует перенапряжение (Uпер) в самом контакте с пробоем воздушного промежутка и образование электрической дуги.
Прим. Особенно сильно проявляются эти эффекты, если проводник смотать в катушку, то есть увеличить индуктивность цепи L, увеличить частоту переменного тока или резко изменять постоянный ток.
Взаимоиндукция.
Если в переменное магнитное поле 1-ого проводника (катушки) поместить другой проводник в нем будет наводится ЭДС взаимоиндукции EМ = - М ×∆I/∆t, где М – коэффициент взаимоиндукции, характеризующий параметры обеих катушек. В основе явления взаимоиндукции лежит принцип работы трансформаторов:
Прим. От ЭДС взаимоиндукции во втором проводнике появится напряжение, называемое наведенным напряжением, величина которого сильно зависит от длины проводника. Это наведенное напряжение может создавать помехи в линиях связи, поэтому их обычно располагают перпендикулярно линиям электропередач. Кроме того при снятии напряжения в одном из проводов контактной сети на двухпутном участке для проведения с ним работ требуется его обязательное заземление, в том числе и от наведенного напряжения, величина которого может достигать несколько киловольт.
Вихревые токи.
Если массивные металлические детали электрических машин и аппаратов будут находиться в переменном магнитном поле, то в них будет индуктироваться ЭДС. Под действием этих ЭДС в деталях возникают вихревые токи, которые замыкаются в плоскостях перпендикулярных магнитному потоку. Так как сечение деталей большое, соответственно электрическое сопротивление маленькое. Поэтому, даже небольшая ЭДС может привести к появлению больших вихревых токов (по закону Ома Iвихр =Ем/Rд). Вихревые токи вызывают нагрев деталей, что может привести к выходу из строя электрических аппаратов.
Для уменьшения вихревых токов:
1. Детали электрических машин и аппаратов делают шихтованными, то есть их набирают из отдельных листов толщиной до 1мм, разделенных изоляционным лаком. Причем, листы должны быть уложены по направлению магнитных силовых линий.
2.Шихтовку проводят из листов электротехнической стали, электрическое сопротивление которой в 1,5 раза выше, чем у обычной стали.
Примечание: электротехническая сталь – это сталь с добавлением от 1 до 5 % кремния. Кремний добавляют для улучшения магнитных свойств стали.
Прим. Полезное использование вихревых токов: участвуют в работе асинхронных двигателей, используются для нагрева и закалки, в сварке и расплавке деталей, в магнитной дефектоскопии и пр.
