Электрические цепи постоянного тока

§ 2.1. Электропроводность.

Под электрическим током понимают направленное движение заряженных частиц под действием сил электрического поля. Различают два рода тока:

1. постоянный ток – где направленное движение заряженных частиц не меняется и принято за направление от “+” к “-“ источника тока;

2. переменный ток – величина и направление которого непрерывно изменяются.

Сила тока – это количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника в единицу времени:

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru [1А=1Кл/1с].

Под электропроводностью понимают способность вещества создавать электрический ток под действием электрического поля. В зависимости от электропроводности все вещества подразделяют на:

1. проводники – практически все металлы, растворы кислот, щелочей, которые хорошо проводят электрический ток;

2. диэлектрики – лаки, минеральные масла, химические соединения, которые практически не проводят электрический ток;

3. полупроводники – занимают промежуточное положение между веществами первой и второй группы.

§ 2.2. Электрическая цепь и ее элементы.

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru

Рис.2-1. Схема электрической цепи.

Совокупность устройств для получения в них электрического тока называются электрической цепью. В состав цепи входят:

1. электрический генератор (аккумулятор) – источник электрической энергии. В них под действием не электрической силы на выходе данного прибора появляется напряжение;

2. потребитель электрической энергии – в котором электрическая энергия преобразуется в другой вид: в механическую (электродвигатель), в световую (лампы накаливания), в тепловую (нагревательные приборы);

3. проводник, который классифицируют:

по виду материала (алюминий, медь);

по числу токоведущих жил (одножильный, многожильный).

В любой цепи имеет место следующие ее виды:

1. внутренняя цепь – то, что находится между “+” и “-“ источника питания;

2. внешняя цепь – соединительные провода с потребителем.

Источник электрической энергии характеризуется понятием ЭДС (Е), под которой понимают величину, численно равную энергии, получаемой внутри источника единицей электрического заряда.

Потребитель характеризуется напряжением, под которым понимают какая электрическая энергия преобразуется в нем с каждым электрическим зарядом.

При отключении внешней цепи ЭДС и напряжение на зажимах источника равны между собой. Если подключить внешнюю цепь, то между ЭДС источника питания и напряжением на зажимах источника (не учитывая потери напряжения в проводах можно считать, что это напряжение потребителя) существует разность, которая называется внутренним падением напряжения (U0) – то часть энергии, которая теряется, переходит в тепловую в каждом единичном заряде E-U=U0.

§ 2.3. Сопротивление, проводимость.

При прохождении электрического тока в проводниках движущиеся электрические заряды (в основном электроны), сталкиваясь с атомами и молекулами вещества, испытывают противодействие своему движению, отдавая материалу вещества часть кинетической энергии. При этом говорят, что провод обладает сопротивлением. Сопротивление проводника

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru [1 Ом],

где ρ – удельное сопротивление, значение которого при 20 °С можно взять из таблиц; l – длина проводника, м; S – сечение, мм2.

При расчете электрических цепей иногда удобнее пользоваться не сопротивлением, а величиной обратной сопротивлению, т.е. электрической проводимостью:

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru ,

где γ – удельная проводимость.

Единицей электрической проводимости является Сименс (См):

[g]=1/1Ом=1См.

Элементы электрической цепи, характеризующиеся сопротивлением R называются резистивными. Они могут быть проволочными и непроволочными. Проволочные реостаты и резисторы изготавливают из материалов с большим удельным сопротивлением. При этом обеспечивается нужное сопротивление при относительно малых габаритах.

Реостат обеспечивает получение переменного сопротивления, значение которого регулируется изменением положения подвижного контакта реостата.

§ 2.4. Закон Ома.

Для участка цепи:

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru .

Ток на участке цепи прямо пропорционален напряжению, приложенному к данному участку и обратно пропорционален сопротивлению этого участка. Из этого закона вытекает, что так как Электрические цепи постоянного тока - student2.ru , то 1 Ом=1В/1А.

Для полной цепи:

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru .

Ток в цепи прямо пропорционален ЭДС источника питания и обратно пропорционален сумме внешнего и внутреннего сопротивления цепи.

§ 2.5. Работа и мощность электрического тока.

Из определения ЭДС источника питания следует (например, генератор), что работа, совершаемая внешними силами на получение электрической энергии, т.е.

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru ,

здесь, так как Электрические цепи постоянного тока - student2.ru , то Электрические цепи постоянного тока - student2.ru .

Из определения напряжения на потребитель следует, что

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru

часть энергии теряется внутри источника в тепловую

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru ,

А – работа, Дж; W – электрическая энергия, Дж.

Под мощностью понимают скорость, с которой совершается работа, т.е.

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru [1Вт=1Дж/1с=1В*1А].

Следует помнить, что согласно закону сохранения и превращения энергии всегда справедливо, что Электрические цепи постоянного тока - student2.ru энергия, вырабатываемая источником питания, равна энергии, которую потребляет приемник электрической энергии плюс энергии потерь. Также Электрические цепи постоянного тока - student2.ru , мощность вырабатываемая источником равна мощности потребителя плюс мощность потерь.

§ 2.6. Допустимая нагрузка провода.

При включении электрической цепи в сеть, по мере прохождения тока в проводниках, происходят следующие тепловые процессы, которые неразрывно связаны с тепловым действием тока, который поясняется законом Джоуля-Ленца: количество тепла, выделенное при прохождении его в проводнике прямо пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени прохождения ток:

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru .

Тепловое действие тока объясняется тем, что в процессе сталкивания движущихся электронов с атомами и молекулами материала проводника, электроны отдают часть кинетической энергии, которая переходит в тепловую. Тепловое действие тока имеет положительную и отрицательную сторону: положительная – возможность использования данного явления в электронагревательных приборах; отрицательная – любая перегрузка, вызванная неправильным расчетом электрической цепи, приводит к перегреву элементов цепи, возникновению короткого замыкания.

В проводах электрической цепи при включении ее в сеть следует выделить следующие этапы нагрева:

1. все тепло, выделяемое током при прохождении его в проводнике, идет на нагрев провода, в результате чего температура провода быстро повышается;

2. начиная с какого-то момента часть тепла, выделенная током в проводе, начинает отдаваться в окружающую среду, что приводит к замедлению роста температуры проводника.

По истечению времени, которое называется временем переходного процесса, наступает режим, при котором все тепло выделенное током в проводе отдается в окружающую среду, температура провода замирает на отметке, называемой установившейся, и для каждой изоляции провода устанавливается температура своя. При этом, в цепи величина тока, соответствующая этому циклу, называется допустимым. Для нормальной работы любой цепи необходимо чтобы расчетный ток провода (ток потребителя Электрические цепи постоянного тока - student2.ru ) был меньше или равен допустимому току провода (Р – мощность потребителя; U- напряжение потребителя).

Для правильного расчета любой цепи решающим фактором является выбор сечения провода, т.к. правильно выбранное сечение влияет на качество работы цепи.

Порядок расчета:

1. определят расчетный ток потребителя, используя выражение:

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru ;

2. в соответствии с маркой провода, числом токоведущих жил провода, материалом проводника (алюминий, медь) выбирают, пользуясь таблицей допустимых токовых нагрузок сечение провода из условия, что допустимый ток , соответствующий данному сечению, должен быть больше или равен расчетного тока

Таблица 1

Сечение токопро- водящей жилы, мм2 Токовые нагрузки, А
Провода, проложен- ные открыто Провода, проложенные в одной трубе
Два одно- жильных Три одно- жильных Четыре одножиль- ных Один двух- жильный Один трехжиль- ный
0,5 0,75 1,0 1,5 2,5 11/- 15/- 17/- 23/- 30/24 41/32 50/39 80/55 100/80 140/105   - - 16/- 19/- 27/20 38/28 46/36 70/50 85/60 115/85 - - 15/- 17/- 25/19 35/28 42/32 60/47 80/60 100/80 - - 14/- 16/- 25/19 30/23 40/30 50/39 75/55 90/70   - - 15/- 18/- 25/- 32/- 40/- 55/- 80/- 100/- - - 14/- 15/- 21/- 27/- 34/- 50/- 70/- 85/-

3. выбранное сечение провода проверяем на потерю напряжения:

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru , Электрические цепи постоянного тока - student2.ru ,

где I – расчетный ток провода; l – длина провода – задана; ρ – удельное сопротивление; S – выбранное сечение. Причем, в процентном отношении

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru ,

где U – напряжение потребителя. Эта цифра не должна превышать 7%.

Под коротким замыканием понимают место соединения двух проводников разного потенциала через ничтожно малое сопротивление. В результате короткого замыкания возникают опасные тепловые и механические разрушения элементов электрических установок. Для защиты от короткого замыкания пользуются элементами защиты, простейшими из которых являются плавкие предохранители. Плавкая вставка предохранителя, рассчитанная на ток превышающий расчетный в 2,5 раза, при достижении рабочих токов выше этой величины перегорает, отключет неисправную цепь. В настоящее время плавкие вставки заменяют автоматическими выключателями.

§ 2.7. Соединение сопротивлений.

В практике электрических цепей имеются участки, где сопротивления между собой последовательно, параллельно, а по отношению к зажимам электрической цепи соответственно смешанно.

Для анализа работы таких цепей изучим законы последовательного и параллельного соединений.

Последовательное соединение.

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru

Рис.2-2.

Последовательным называют такое соединение сопротивлений, при котором потребители идут друг за другом без разветвления и по ним протекает один и тот же ток.

Законы соединений.

Ток в цепи определяется по закону Ома

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru ,

где UAB – напряжение, приложенное в цепи; RAB – эквивалентное сопротивление, полученное расчетным путем из последовательно включенных сопротивлений в цепи

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru .

В эквивалентном сопротивлении будет протекать такой же ток, по величине, как и ток, который протекал в схеме с тремя сопротивлениями, которые были включены последовательно.

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru

Рис.2-3.

Напряжение на зажимах цепи определяется как сумма падений напряжений на участках цепи, т.е.

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru ,

где Электрические цепи постоянного тока - student2.ru ; Электрические цепи постоянного тока - student2.ru ; Электрические цепи постоянного тока - student2.ru .

Особенностью эквивалентного сопротивления является то, что мощность потребляемая этим сопротивлением равна сумме мощностей потребляемых каждым участком, т.е.

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru ,

где Электрические цепи постоянного тока - student2.ru ; Электрические цепи постоянного тока - student2.ru ; Электрические цепи постоянного тока - student2.ru .

Параллельное соединение сопротивлений.

Узлом или точкой разветвления является место соединения трех и более проводов.

Закон Кирхгофа.

Алгебраическая сумма токов в точке разветвления равна 0, т.е.

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru .

Приняв за положительное значение направление тока притекающего к точке разветвления, а за отрицательное – направление истекающего, распишем выражение закона Кирхгофа и получим:

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru .

Преобразуя данное выражение, получим более понятное определение закона Кирхгофа: сумма токов притекающих к точке разветвления равна сумме токов вытекающих из нее.

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru .

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru

Рис.2-4.

Параллельным называется такое соединение, при котором между одними и теме же двумя точками разветвления находится несколько параллельных ветвей. Ветвью электрической цепи называется участок цепи, расположенный между двумя точками разветвления.

Законы соединений.

Напряжение на потребителях, включенных параллельно – это одна и та же величина.

Для узла 1 по первому закону Кирхгофа

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru ,

а для узла 2:

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru .

Для данной схемы справедливо

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru ,

где Электрические цепи постоянного тока - student2.ru ; Электрические цепи постоянного тока - student2.ru ; Электрические цепи постоянного тока - student2.ru . Здесь R2 – эквивалентное сопротивление цепи, равное Электрические цепи постоянного тока - student2.ru . Эквивалентное сопротивление здесь работает аналогично как в схеме последовательного соединения. Так же для эквивалентного сопротивления справедливо, что

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru ,

где Электрические цепи постоянного тока - student2.ru ; Электрические цепи постоянного тока - student2.ru ; Электрические цепи постоянного тока - student2.ru .

§ 2.8. Потери напряжения в проводах.

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru

Рис.2-5.

Rл – сопротивление двух проводов линии; U1 – напряжение в начале линии (генераторе); U2 – напряжение в конце линии (на потребителе (R)); l – длина линии; I – нагрузка – величина тока потребителя.

Сопротивление проводника

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru

значит, что при передаче электрической энергии от источника к потребителю неизбежна потеря напряжения в линии электропередач, т.е.

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru или Электрические цепи постоянного тока - student2.ru ,

где Электрические цепи постоянного тока - student2.ru - удельная проводимость.

Для расчета электрических цепей принято при длине провода до 10 м не учитывать потери напряжения в линиях, а при длине провода свыше 10 м- потерей напряжения в линиях пренебрегать нельзя, т.к. потеря напряжения приводит так же:

1. к потери мощности

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru ;

2. к потери энергии

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru .

Решающим фактором качества работы любой сети является сечение провода, которое в соответствии с методикой расчета должно быть правильно выбрано и выбранное сечение проверенно на потери напряжения.

Качественная оценка линии также определяется КПД линии

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru ,

здесь P1 – мощность генератора.

Как видно из формулы КПД, с увеличением тока нагрузки значение КПД уменьшается.

§ 2.9. Два режима работы источника питания.

На автомобиле два источника.

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru

Рис.2-6.

ABCD – точки разветвления сложной электрической цепи, а путь соединения этих точек – контур электрической цепи.

Контуром электрической цепи называется замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям.

Второй закон Кирхгофа

Алгебраическая сумма ЭДС, действующая в замкнутом контуре, равна алгебраической сумме падения напряжения на участках этого контура. Развернем эту формулу для семы рис.2-6, приняв во внимание, что Е12.

Для составления уравнения по второму закону Кирхгофа необходимо обходить контур по направлению, совпадающим с направлением большей ЭДС. Тогда, если направление обхода совпадает с направлением ЭДС, то значение ЭДС берут со знаком “+”, если не совпадает – со знаком “-“. Это же правило действует при определении знака падения напряжения, т.е. направление обхода и направление тока в ветви совпадают – берут знак “+”, на совпадают – знак “-“. Тогда выражение второго закона Кирхгофа для схемы рис.1 будет иметь вид

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru ,

отсюда ток в цепи (от генератора к аккумулятору) равен

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru ,

где R0 – внутреннее сопротивление источников Е1 и Е2; R – нагрузка схемы. Из этого следует, что при таком соотношении величины ЭДС источник Е1 остается генератором, Е2 переходит в режим потребителя (аккумулятор после запуска двигателя подзаряжается).

§ 2.10. Расчет сложной электрической цепи.

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru

Рис.2-7.

Сложной электрической цепью называют цепь, состоящую из нескольких контуров и с несколькими ЭДС, рассчитать которую, используя законы последовательного и параллельного соединения невозможно.

Для расчета таких цепей существует несколько методов на базе законов Кирхгофа. Сущность его заключается в том, что для нахождения токов I1, I2, I3 нужно составить систему уравнений с тремя неизвестными.

Для точки разветвления С имеем

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru .

Для контура abcf по второму закону Кирхгофа с учетом, что Е12 имеем

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru .

Для контура abde по второму закону Кирхгофа имеем

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru .

Запишем в систему

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru .

Из первого уравнения выразим Электрические цепи постоянного тока - student2.ru и подставим его во второе и третье и …

Пути снижения потери напряжения в линиях электропередач.

1. Т.к., потеря напряжения в линии

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru ,

то с увеличением напряжения в линии электропередач снижается расчетный ток провода (это позволяет уменьшить сечение, вес и стоимость воздушной сети), что в дальнейшем приводит к уменьшению потери напряжения в линии.

2. Прокладку линии (сетей) надо вести по наименьшему расстоянию.

3. Правильно выбирать сечение провода.

Контрольные вопросы:

1. Что называется электрическим током?

2. Как рассчитать силу тока? Единицы измерения силы тока.

3. Что понимают под электрической цепью?

4. Что такое ЭДС?

5. От чего зависит электрическое сопротивление проводника? Единицы измерения электрического сопротивления.

6. Закон Ома для участка цепи.

7. Закон Ом для полной цепи.

8. Как рассчитать работу и мощность электрического тока? Единицы измерения работы и мощности электрического тока.

9. Закон Джоуля-Ленца.

10. Виды соединений сопротивлений.

11. Законы Кирхгофа.

12. Как рассчитать потери напряжения в проводах?

13. Режимы работы источников питания.

14. Что называется сложной электрической цепью?

15. Как производится расчет сложной электрической цепи?

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru

ГЛАВА 3

Электромагнетизм

§ 3.1. Преобразование механической энергии в электрическую.

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru

Рис.3-1. Схема простейшего генератора.

1 – проводник; 2 – токоведущие пластины.

Заставим проводник (1) под действие внешней силы (груз G) двигаться в магнитном поле перпендикулярно силовым линиям магнитной индукции (В). Тогда, согласно явлению электромагнитной индукции на концах проводника будет индуктироваться ЭДС

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru ,

где l – активная длина проводника; υ – скорость движения проводника.

Направление индуктированной ЭДС определяем по правилу правой руки. Подключим к проводнику через пластины 2 нагрузку в виде сопротивления R, тогда согласно законам Ома для всей цепи

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru (3)

где I – величина тока, определяемая значением индуктируемой ЭДС; R и R0 – сопротивления, в которых расходуется энергия, образовавшаяся в результате преобразования механической энергии в электрическую.

Покажем процесс преобразования механической энергии в электрическую и какое между ними соотношение. Для этого умножим левую и правую часть выражения (3) на силу тока I, тогда

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru , или Электрические цепи постоянного тока - student2.ru , но Электрические цепи постоянного тока - student2.ru следовательно

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru ,

где F – электромагнитная сила, действующая на проводник с током, помещенным в магнитном поле.

Причина возникновения силы заключается в следующем: при подключении нагрузки к проводнику, на концах которого индуктируется ЭДС, цепь окажется замкнутой и в цепи появится ток, а значит, на проводник с током будет действовать электромагнитная сила. Причем направление этой силы, найденное по правилу левой руки, противоположно движущей и называется тормозной. Поэтому

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru ,

где Fυ – механическая мощность, которая развивается при движении груза; I2R – электрическая мощность, потребляемая в нагрузке; I2R0 – мощность потерь в проводнике.

Таким образом, процесс преобразования механической энергии в электрическую связан:

1. с наведение ЭДС;

2. с появлением тормозной силы, действующей на проводник с током, в котором индуктируется ЭДС.

Принцип работы электрического генератора.

При движении провода (рис.3-2) в направлении вектора скорости υ в плоскости, перпендикулярной магнитным линиям, в нем наводится э. д. е. Е, Под действием ее в замкнутой цепи с сопротивлением R проходит ток I. На провод с током в магнитном поле действует электромагнитная сила F=BlI, направление которой, найденное по правилу левой руки, противоположно направлению вектора скорости, следовательно, она является тормозной.

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru

Рис.3-2. Принцип работы электрического генератора.

Очевидно, для движения провода необходима внешняя сила, равная по величине и противоположная по направлению тормозной силе, т. е. необходим первичный двигатель, развивающий механическую мощность, Электрические цепи постоянного тока - student2.ru , или

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru Электрические цепи постоянного тока - student2.ru .

Таким образом, полученная проводником механическая энергия при движении его в магнитном поле преобразуется в электрическую, а движущийся под действием механической силы провод в магнитном поле можно рассматривать как простейший электрический генератор.

Э. д. с. генератора

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru ,

следовательно, механическая мощность

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru

равна электрической мощности Р, состоящей из мощности приемника энергии Pn=UI, и мощности потерь в генераторе P0=I2r0.

§ 3.2. Преобразование электрической энергии в механическую.

К проводнику длиной l, помещенному в магнитное поле, приложено напряжение источника U и в цепи существует ток I. На проводник действует электромагнитная сила Электрические цепи постоянного тока - student2.ru , напряжение которой определяется по правилу левой руки. Под действием этой силы, если она больше силы сопротивления груза G, начнется движение проводника длиной l и груз станет подниматься. Следовательно, электрическая энергия источника в данном случае преобразуется в механическую энергию груза. Найдем количественное соотношение, характеризующее это преобразование. При движении проводника в магнитном поле в нем будет индуктироваться ЭДС Электрические цепи постоянного тока - student2.ru .

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru

Рис.3-3.

Направление индуктируемой ЭДС найдем по правилу правой руки противоположно току, протекающему в проводнике, т.е. противоположно напряжению, приложенному к проводнику. Тогда, по второму закону Кирхгофа для этой цепи следует:

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru ,

где R0 – сопротивление проводника.

Отсюда, ток в цепи

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru .

Умножим уравнение Электрические цепи постоянного тока - student2.ru на ток I, имея в виду, что Электрические цепи постоянного тока - student2.ru , получим

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru ,

т.е.

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru ,

где Электрические цепи постоянного тока - student2.ru - электрическая мощность; Электрические цепи постоянного тока - student2.ru - механическая мощность; Электрические цепи постоянного тока - student2.ru - тепловая мощность.

Таким образом, преобразование электрической энергии в механическую связано:

1. с появлением механической энергии (в данном случае проводник поднимает груз);

2. с возникновением противо ЭДС.

Т.к. ЭДС направлена навстречу действия источника питания, она называется противо ЭДС.

Принцип работы электродвигателя.

Если по проводу длиной 1, расположенному в однородном поле перпендикулярно магнитным линиям, проходит ток I от источника С напряжением U, то на него действует электромагнитная сила

F=BlI,

направление, которой определяется по правилу левой руки.

Под действием этой силы провод будет двигаться со скоростью υ, совершая механическую работу, и в нем будет индуктироваться э. д. с., направление которой, найденное по правилу правой руки, противоположно току. Величина встречной э. д. с.

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru .

Если сопротивление провода r0, то по второму закону Кирхгофа можно написать:

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru

или

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru ,

откуда ток в цени

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru .

Умножив уравнение на ток, найдем электрическую мощность

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru .

Произведение I2r— это мощность тепловых потерь в проводе, а Fυ — механическая мощность.

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru

Рис.3-4. Принцип работы электродвигателя.

Таким образом, полученная проводом электрическая энергия при движении его в магнитном поле преобразуется в механическую, а процесс преобразования энергии связан с наведением противо-э. д. с. Проводник, движущийся магнитном поле, можно рассматривать как простейший электродвигатель

§ 3.3. Характеристики магнитного поля.

Магнитное поле – одна из двух сторон электромагнитного поля, характеризующаяся воздействием на электрически заряженную частицу с силой, пропорциональной заряду частицы и ее скорости.

Магнитное поле изображается силовыми линиями, касательные к которым совпадают с ориентацией магнитных стрелок, внесенных в поле. Таким образом, магнитные стрелки как бы являются пробными элементами для магнитного поля.

За положительное направление магнитного поля условно принимают направление северного полюса магнитной стрелки.

Вокруг проводника, в котором существует ток, всегда имеется магнитное поле, и, наоборот, в замкнутом проводнике, движущемся в магнитном поле, возникает ток.

Магнитная индукция В – векторная величина, характеризующая магнитное поле и определяющая силу, действующую на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля. Эта характеристика является основной характеристикой магнитного поля, т.к. определяет электромагнитную силу, а также ЭДС индукции в проводнике, перемещающемся в магнитном поле.

Единицей магнитной индукции является вебер, деленный на квадратный метр, или тесла (Тл):

[В]=1Вб/1м2=1Тл.

Абсолютная магнитная проницаемость среды μа – величина, являющаяся коэффициентом, отражающим магнитные свойства среды:

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru ,

где μ0=4π*107 (Ом*с)/м – магнитная постоянная, характеризующая магнитные свойства вакуума.

Единицу Ом-секунда (Ом*с) называют генри (Гн).

Таким образом,

[μ]=Гн/м.

Величину μr называют относительной магнитной проницаемость. среды. Она показывает во сколько раз индукция поля, созданного током в данной среде, больше или меньше, чем в вакууме, и является безразмерной величиной.

Напряженность магнитного поля Н – векторная величина, которая не зависит от свойств среды и определяется только токами в проводниках, создающими магнитное поле.

Направление вектора Н (рис.3-5) для изотропных сред совпадает с вектором В и определяется касательной, проведенной в данной точке поля (точка А) и соловой линии. Напряженность связана с магнитной индукцией соотношением

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru .

Единица напряженности магнитного поля – ампер на метр

[H]=1А/1м.

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru

Рис.3-5.

Магнитный поток Ф – поток магнитной индукции. На рис.3-6 показано однородное магнитное поле, пересекающее площадку S. Магнитный поток Ф через площадку S в однородном магнитном поле равен произведению нормальной составляющей вектора индукции Вn на площадь S площадки:

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru .

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru

Рис.3-6.

§ 3.4. Проводник с током в магнитном поле.

На проводник с током, находящимся в магнитном поле, действует сила. Т.к., ток в металлическом проводнике обусловлен движением электронов, то силу, действующую на проводник, можно рассматривать как сумму сил, действующих на все электроны проводника длиной l. В результате получаем соотношение

Электрические цепи постоянного тока - student2.ru ,

где Электрические цепи постоянного тока - student2.ru - сила Лоренца, действующая на электрон; n – концентрация электронов (число электронов в единице объема); l, S – длина и площадь поперечного сечения проводника.

Направление силы определяется по правилу левой руки: левую руку нужно расположить так, что бы магнитное поле входило в ладонь, вытянутые 4 пальца располагаются по направлению тока; тогда, отогнутый под прямым углом большой палец покажет направление силы.

§ 3.5. Закон электромагнитной индукции.

Суть закона электромагнитной индукции, открытым английским физиком Фарадеем, заключается в следующем: всякое изменение магнитного поля, в котором помещен проводник произвольной формы, вызывает в последнем появление ЭДС электромагнитной индукции.

Направление ЭДС определяется по правилу правой руки: правую руку располагают так, что бы магнитные линии входили в ладонь, отогнутый под прямым углом большой палец совмещают с направлением скорости; тогда вытянутые 4 пальца покажут направление ЭДС.

§ 3.6. Вихревые токи.

В сердечнике катушки или трансформатора за счет явления взаимоиндукции возникает кольцевой ток, который называется вихревым. Протекание вихревых токов в сердечнике вызывает большие тепловые потери. Для уменьшения этих потерь ферромагнитные сердечники набирают из тонких, изолированных друг от друга, листов электротехнической стали с повышенным удельным электрическим сопротивлением.

В том случае, когда переменное магнитное поле, созданное током одной катушки, пересекает витки другой катушки, и, наоборот, на зажимах последней катушки возникает ЭДС взаимоиндукции.

Контрольные вопросы:

1. Принцип преобразования механической энергии в электрическую?

2. Как рассчитать электромагнитную силу?

3. Принцип работы электрического генератора.

4. Принцип преобразования электрической энергии в механическую.

5. С чем связано преобразование электрической энергии в механическую?

6. Принцип работы электродвигателя.

7. Как рассчитывается мощность электродвигателя?

8. Что такое магнитное поле?

9. Характеристики магнитного поля.

10. Как ведут себя проводники с током в магнитном поле?

11. Закон электромагнитной индукции.

12. Что такое вихревые токи?

ГЛАВА 4

Наши рекомендации