ТМ.18 (03.06.2020)
ОП.15 Общая электротехника с основами электроники
Преподаватель Жерневская И.Е.
Тема: ЭДС самоиндукции, энергия магнитного поля. Взаимоиндукция, вихревые токи. Магнитная цепь и ее расчет.
Цель занятия: Раскрыть физический смысл явлений ЭДС самоиндукции и взаимоиндукции, энергии магнитного поля и вихревых токов. Изучить порядок расчета неразветвленной магнитной цепи.
Задание:
1.Изучить лекционный материал. Краткий опорный конспект лекционного материала оформить в рабочей тетради.
2. Посмотреть обучающее видео по ссылкам:
- «ЭДС самоиндукции языком аналогий»:
https://www.youtube.com/watch?time_continue=6&v=yjK4_Y6PADQ&feature=emb_logo
- «Взаимоиндукция. Объяснение явления простыми словами»:
https://www.youtube.com/watch?time_continue=5&v=Hsdai5Fjovw&feature=emb_logo
- «Что такое вихревые токи?»:
https://www.youtube.com/watch?time_continue=2&v=bETknYlUEmY&feature=emb_logo
3. Дать ответы на контрольные вопросы в конце лекционного материала.
Ответы на контрольные вопросы (с указанием даты и темы) оформить в рабочей тетради, сфотографировать на телефон и выслать на дистанционную почту (адреса для обратной связи указаны ниже).
Срок выполнения задания — до 10.06.2020!
Обратная связь:
1. zhernevskaja.inna@mail.ru
2. https://vk.com/zhernevskaya
3. https://ok.ru/profile/519483261262
4. Viber (+380713844123)
5. WhatsApp (+380713844123)
6. dist-obuchenie@mail.ru
Рекомендуемая литература:
1. Данилов И. А., Иванов П. М. Общая электротехника с основами электроники — М.: Мастерство, 2001
2. В. Е. Китаев Электротехника с основами промышленной электроники. Учебное пособие для проф.-тех. училищ. — М.: Высш. школа, 1980. - 254 с.
Лекция
Тема: ЭДС самоиндукции, энергия магнитного поля. Взаимоиндукция, вихревые токи. Магнитная цепь и ее расчет.
План
ЭДС самоиндукции.
Энергия магнитного поля.
Взаимоиндукция, вихревые токи.
Магнитная цепь и ее расчет.
ЭДС самоиндукции
Изменяющийся по величине ток всегда создает изменяющееся магнитное поле, которое, в свою очередь, всегда индуктирует ЭДС. При всяком изменении тока в катушке (или вообще в проводнике) в ней самой индуктируется ЭДС самоиндукции.
Когда ЭДС в катушке индуктируется за счет изменения собственного магнитного потока, величина этой ЭДС зависит от скорости изменения тока. Чем больше скорость изменения тока, тем больше ЭДС самоиндукции.
Величина ЭДС самоиндукции зависит также от числа витков катушки, густоты их намотки и размеров катушки. Чем больше диаметр катушки, число ее витков и густота намотки, тем больше ЭДС самоиндукции. Эта зависимость ЭДС самоиндукции от скорости изменения тока в катушке, числа ее витков и размеров имеет большое значение в электротехнике.
Направление ЭДС самоиндукции определяется по закону Ленца: ЭДС самоиндукции имеет всегда такое направление, при котором она препятствует изменению вызвавшего ее тока.
Иначе говоря, убывание тока в катушке влечет за собой появление ЭДС самоиндукции, направленной по направлению тока, т. е. препятствующей его убыванию. И, наоборот, при возрастании тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, направленная против тока, т. е. препятствующая его возрастанию.
Не следует забывать, что если ток в катушке не изменяется, то никакой ЭДС самоиндукции не возникает. Явление самоиндукции особенно резко проявляется в цепи, содержащей в себе катушку с железным сердечником, так как железо значительно увеличивает магнитный поток катушки, а следовательно, и величину ЭДС самоиндукции при его изменении.
Итак, нам известно, что величина ЭДС самоиндукции в катушке, кроме скорости изменения тока в ней, зависит также от размеров катушки и числа ее витков.
Следовательно, различные по своей конструкции катушки при одной и той же скорости изменения тока способны индуктировать в себе различные по величине ЭДС самоиндукции.
Чтобы различать катушки между собой по их способности индуктировать в себе ЭДС самоиндукции, введено понятие индуктивности катушек, или коэфициента самоиндукции.
Индуктивность катушки есть величина, характеризующая свойство катушки индуктировать в себе ЭДС самоиндукции.
Индуктивность данной катушки есть величина постоянная, не зависящая как от силы проходящего по ней тока, так и от скорости его изменения.
1 Генри — это индуктивность такой катушки (или проводника), в которой при изменении силы тока на 1 ампер в 1 секунду возникает ЭДС самоиндукции в 1 вольт.
На практике иногда нужна катушка (или обмотка), не обладающая индуктивностью. В этом случае провод наматывают на катушку, предварительно сложив его вдвойне. Такой способ намотки называется бифилярным.
В электротехнике явление самоиндукции проявляется при замыкании цепи (эл.ток нарастает постепенно) и при размыкании цепи (эл.ток пропадает не сразу).
Энергия магнитного поля
Вокруг проводника с током существует магнитное поле, которое обладает энергией. Откуда она берется? Источник тока, включенный в эл.цепь, обладает запасом энергии. В момент замыкания эл.цепи источник тока расходует часть своей энергии на преодоление действия возникающей ЭДС самоиндукции. Эта часть энергии, называемая собственной энергией тока, и идет на образование магнитного поля.
Энергия магнитного поля равна собственной энергии тока. Собственная энергия тока численно равна работе, которую должен совершить источник тока для преодоления ЭДС самоиндукции, чтобы создать ток в цепи.
Энергия магнитного поля, созданного током, прямо пропорциональна квадрату силы тока.
Энергия магнитного поля показывает, какую работу затратил электрический ток в проводнике (катушке индуктивности) на создание этого магнитного поля. Естественно, эта энергия будет напрямую зависеть от индуктивности проводника, вокруг которого магнитное поле создается.
Оказывается, энергия магнитного поля равна половине произведения индуктивности цепи на квадрат силы тока, т. е.
Сравнивая эту формулу с формулой для кинетической энергии, нетрудно убедиться в том, что они очень похожи одна на другую
Эта формула говорит нам о том, что кинетическая энергия прямо пропорциональна массе движущегося предмета и квадрату скорости его движения.
Взаимоиндукция, вихревые токи.
Вихревые токи (токи Фуко), замкнутые электрические токи в массивном проводнике, которые возникают при изменении пронизывающего его магнитного потока. Вихревые токи являются индукционными токами и образуются в проводящем теле либо вследствие изменения во времени магнитного поля, в котором находится тело, либо вследствие движения тела в магнитном поле приводящего к изменению магнитного потока через тело или какую-либо его часть. Величина вихревых токов тем больше, чем быстрее меняется магнитный поток.
В отличии от электрического тока в проводах, текущего по точно определенным путям, вихревые токи замыкаются непосредственно в проводящей массе, образуя вихреобразные контуры. Эти контуры тока взаимодействуют с проводившим их магнитным потоком. Согласно правилу Ленца, магнитное поле вихревых токов направленно так, чтобы противодействовать изменению магнитного потока, индуцирующего эти вихревые токи. Вихревые токи приводят к неравномерному распределению магнитного потока по сечению магнитопровода. Это объясняется тем, что в центре сечения магнитопровода намагничивающая сила вихревых токов направленная навстречу основному потоку, является наибольшей, так как эта часть сечения охватывается наибольшим числом контуров вихревых токов. Такое вытеснение потока из середины сечении магнитопровода выражено тем резче, тем выше частота переменного тока и чем больше магнитная проницаемость ферромагнетика. При высоких частотах поток проходит лишь в тонком поверхностном слое сердечника. Это вызывает уменьшение кажуйщейся (средней по сечению) магнитной проницаемости. Явление вытеснения из ферромагнетика магнитного потока, изменяющегося с большой частотой, аналогично электрическому Скин-эффекту и называемому магнитным скин-эффектом.
В соответствии с законом Джоуля Ленца вихревые токи нагревают проводники, в которых они возникли. По этому вихревые токи приводят к потерям энергии в магнитопроводах (в сердечниках трансформаторов и катушек переменного тока, в магнитных цепях машин). Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи и уменьшения эффекта вытеснения магнитного потока из ферромагнетиков магнитопроводы машин и аппаратов переменного тока делают не из сплошного куска ферромагнетика а из отдельных пластин изолированных друг от друга. Такое деление на пластины, расположенные пенпердикулярно направление вихревых токов отграничивает возможные контуры путей вихревых токов, что сильно уменьшает величину этих токов. При очень высоких частотах применение ферромагнетиков для магнитопроводов нецелесообразно в этих случаях их делают из магнитодиэлектриков в которых вихревые токи практически не возникают из-за очень большого сопротивления этих материалов. При движении проводящего тела в магнитном поле индуцированные вихревые токи обусловливают заметное механическое взаимодействие тела с полем. На этом принципе основано, например. Торможение подвижной системы в счётчиках электрической энергии, в которых алюминиевый диск вращается в поле постоянного магнита. в машинах переменного тока с вращающимся полем сплошной металлический ротор увлекается полем из-за возникающих в нём вихревых токов. Взаимодействие вихревых токов с переменным магнитным полем лежит в основе различных типов насосов для перекачки расплавленного металла. К той же группе механических эффектов, вызванных вихревыми токами относится выталкивание нефферомагнитных металлических тел из поля катушки переменного тока.
Вихревые токи возникают и в самом проводнике, по которому течет переменный ток, что приводит к неравномерному распределению тока по сечению проводника. В моменты увеличения тока в проводнике индукционные вихревые токи направлены у поверхности проводник по первичному электрическому току, а у оси проводника навстречу току. В результате внутри проводника ток уменьшится а у поверхности увеличится. Токи высокой частоты практически текут в тонком слое у поверхности проводника, внутри же проводника тока нет. Это явление называется электрическим скин-эффектом. Что бы уменьшить протериэнергии на вихревых токах провода большого сечения для переменного тока делают из отдельных жил, изолированных друг от друга.
Вихревые токи применяются для плавки и поверхности закалки металлов, а их силовое действие используется в успокоителях колебаний подвижных частей приборов и аппаратов, в индукционных тормозах.
Вихревые токи (показаны пунктиром) в сердечнике катушки, включенной в цепь переменного токаI;указанное направление вихревых токов соответствует моменту увеличения магнитной индукции в создаваемой в сердечнике током.
Взаимоиндукция
Величина ЭДС взаимоиндукции зависит прежде всего от того, с какой скоростью изменяется ток в первой катушке. Чем быстрее изменяется в ней ток, тем создается большая ЭДС взаимоиндукции. Кроме того, величина ЭДС взаимоиндукции зависит от величины индуктивности обеих катушек и от их взаимного расположения, а также от магнитной проницаемости окружающей среды. Следовательно, различные по своей индуктивности и взаимному расположению катушки и в различной среде способны вызывать одна в другой различные по величине ЭДС взаимоиндукции.
Чтобы иметь возможность различать между собой различные пары катушек по их способности взаимно индуктировать ЭДС, введено понятие о взаимоиндуктивности или коэффициенте взаимоиндукции.
Обозначается взаимоиндуктивность буквой М. Единицей ее измерения, так же как и индуктивности, служит генри.
Генри — это такая взаимоиндуктивность двух катушек, при которой изменение тока в одной катушке на 1 ампер в 1 секунду вызывает в другой катушке ЭДС взаимоиндукции, равную 1 вольту. На величину ЭДС взаимоиндукции влияет магнитная проницаемость окружающей среды. Чем больше магнитная проницаемость среды, по которой замыкается переменный магнитный поток, связывающий катушки, тем сильнее индуктивная связь катушек и больше величина ЭДС взаимоиндукции