КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
Часть 1
Цепи постоянного тока.
Магнитное поле
для специальности среднего профессионального образования
070208
(углублённая подготовка)
Сергиев Посад
2014
Введение
Вся современная цивилизация базируется на применении электричества. Без электричества не будет освещения, компьютера, телефонов, телевидения, радио, отопления, медицины. А без понимания законов электротехники невозможно изучение устройства и профессионального оборудования в сфере звукотехники, кино и телевидения. Поэтому изучение электротехники очень важно.
Изучение электротехники базируется на знаниях, полученных при изучении школьного курса физики.
Раздел 1. Цепи постоянного тока
Мощность в электрической цепи
Электри́ческая мо́щность — физическая величина, характеризующая скорость передачи или преобразования электрической энергии. Единицей измерения мощности является Ватт [Вт].
С понятием мощности потребителя мы встречаемся в быту довольно часто. Вспомните, что лампы освещения в квартире бывают мощностью 40, 60, 100Вт и т.д. Чем больше мощность лампы, тем лучше она светит. Мощность, потребляемая утюгом, например, 1000Вт (утюги бывают разные) и т.д.
В осветительной лампе происходит преобразование электрической энергии, полученной от источника в световую энергию. Чем больше мощность лампы, тем ярче она светит. Это означает, что при большей мощности преобразование электрической энергии в световую происходит более интенсивно.
Мощность в цепи постоянного тока можно вычислить по любой из формул:
P= U · I = I2 · R = U2 / R
Наиболее часто используется первая формула.
Режимы работы источника ЭДС
Существуют три режима работы источника:
холостой ход (х.х),
режим нагрузки;
режим короткого замыкания (к.з).
Рассмотри эти режимы.
Холостым ходом называется режим, когда к зажимам (клеммам) источника не подключена нагрузка (рис.5). В режиме холостого хода источник не отдает своей энергии потребителю и не производит полезной работы.
Примером источника, находящегося в режиме холостого хода является батарейка, к которой ничего не подключено. Режим х.х. безопасен для источника.
Единственная польза от этого режима состоит в том, что в режиме х.х. вольтметр покажет ЭДС источника. В записи это выглядит как формула: U=E.
Рис.5. Источник ЭДС в режиме холостого хода
Признаком режима холостого хода является ток в цепи, равный нулю. В самом деле, к зажимам источника нагрузка (потребитель энергии) не подключена (сравни с рис.1). Сопротивление между зажимами (клеммами) источника бесконечно велико. Следовательно, в соответствии с законом Ома, ток в цепи равен нулю.
Режимом нагрузки называется режим, при котором к источнику подключен потребитель. Источник отдаёт свою энергию нагрузке и в цепи протекает ток.
Рис.6. Источник ЭДС в режиме нагрузки
Признаком нагрузки является наличие тока в цепи. Есть ток - есть нагрузка, нет тока – холостой ход.
Когда проектируется любая схема, определяется номинальный (расчетный, нормальный) ток. Превышение этого тока называется перегрузкой. Режим перегрузки недопустим, т.к приводит к выходу из строя источника ЭДС.
Коротким замыканием называется режим, когда зажимы источника соединяются проводником, сопротивление которого равно нулю (рис.7). Короткое замыкание возникает из-за повреждения изоляции проводов или из-за персонала, допустившего ошибку при сборке электрической схемы.
Сравните схемы на рис. 7 и на рис. 6. На рис. 7 пунктиром показано ошибочное соединение. Термин "короткое замыкание" используется потому, что в этом случае ток проходит мимо нагрузки, по кратчайшему пути, возникшему вследствие повреждения изоляции или ошибки при сборке схемы.
Рис.7. Источник ЭДС в режиме короткого замыкания
Короткое замыкание – это аварийный режим, опасный для источника ЭДС. В режиме короткого замыкания, когда сопротивление нагрузки R=0, ток в цепи многократно возрастает в соответствии с формулой:
Ток короткого замыкания превышает номинальный в 10 – 1000 раз. Проходящий по проводам ток выделяет в них теплоту, от чего провод нагревается. Количество теплоты определяется по формуле:
Видно, что количество теплоты зависит от тока в квадрате. При коротком замыкании ток сильно возрастает, провода и источник перегреваются, возможно возгорание. Поэтому короткое замыкание совершенно недопустимо.
Заметим, что если источник маломощный, то короткое замыкание не особенно опасно. Например, для пальчиковой батарейки. Она не может дать большой ток. При коротком замыкании батарейки она лишь немного нагреется и разрядится. Напротив, автомобильный аккумулятор способен создать ток силой в сотни ампер. Такой ток вызовет сильный нагрев проводов. Вероятность возгорания проводов при коротком замыкании очень велика.
Для защиты от последствий короткого замыкания применяются предохранители.
Простейшим типом предохранителя являются плавкие предохранители. В них находится тонкая проволочка, которая почти мгновенно плавится при резком увеличении тока. Цепь обрывается, короткое замыкание устранено. В схеме на рис.7 показан плавкий предохранитель F.
На каждом плавком предохранителе указан ток, который он выдерживает, не расплавляясь. Если предохранитель сгорел, его следует заменять точно таким же, предварительно найдя и устранив причину, вызвавшую срабатывание предохранителя.
Пример 2. Расчёт простейшей цепи в режиме короткого замыкания для источника ЭДС
Рассчитать величину тока короткого замыкания для пальчиковой батарейки и для автомобильного аккумулятора. Сделать вывод об опасности режима короткого замыкания.
Определить величину тока короткого замыкания для:
а) пальчиковой батарейки с параметрами: 
, 
б) автомобильного аккумулятора с параметрами: 
, 
Решение:
Определим ток короткого замыкания для батарейки и для аккумулятора:
а) 
б) 
Как видим, для батарейки ток короткого замыкания невелик (1,5А) и не представляет опасности. Для аккумулятора этот ток достаточно велик (252А). Неизбежен сильный нагрев проводов, по которым проходит ток короткого замыкания. Возможно возгорание.
Пример 3. Расчёт простейшей цепи в режиме нагрузки
Найти напряжение в бортовой сети автомобиля в момент включения стартера, если ЭДС аккумулятора равно 12,6В, а его внутреннее сопротивление r0=0,05Ом. Стартер автомобиля потребляет 100 А.
Решение:
1) В момент включения стартёра, он является нагрузкой для аккумулятора автомобиля. Найдём сопротивление стартёра (сопротивление нагрузки). Преобразовав закон Ома для полной цепи, запишем:
Найдем напряжение на нагрузке:
Результаты расчёта показывают, что в режиме нагрузки напряжение на аккумуляторе автомобиля существенно уменьшается. Причины этого рассмотрены ниже.
Правила построения графиков
1. Размер осей не менее 5 на 6 см.
2. Оси должны быть обозначены соответствующей буквой, должно быть ясно, какая величина отложена вдоль оси. Необходимо указать размерность величин, отображаемых по осям. В данном случае по вертикальной оси отложено напряжение U, измеряемое в вольтах, а по горизонтальной оси – ток I, измеряемый в амперах.
3. Масштаб следует выбирать так, чтобы график использовал всю площадь, ограниченную осями.
4. Под графиком должна быть подпись, поясняющая его назначение, в данном случае: “Внешняя характеристика источника ЭДС”.
Любой график, в частности этот, обеспечивает наглядность характера изменения величины и позволяет без вычислений получить массу промежуточных значений исходной величины.
Пример 4. Построение графика внешней характеристики
Построить внешнюю характеристику для источника с параметрами: 
, 
Решение:
График внешней характеристики является прямой линией. Её можно построить по двум точкам. Определим координаты этих точек:
1) холостой ход 
= 0, 
Таким образом, координаты этой точки: 3 вольта по вертикальной оси и ноль ампер – по горизонтальной.
2) короткое замыкание 
, 
Координаты второй точки: ток равен 3А, напряжение равно нулю.
Отметив на осях координат точки, соответствующие полученным значениям и соединим их прямой линией. График, построенный по результатам вычислений, показан на рис.8.
Реостат
Реостат – это электротехническое устройство, служащее для регулирования тока в цепи. Он представляет собой спираль из высокоомной проволоки, намотанную на керамический цилиндр. Спираль имеет два вывода. Вдоль реостата может перемещаться движок – подвижный контакт, который является третьим выводом реостата. (На схеме обозначен стрелкой.)
Реостат применятся, например, с целью регулирования яркости лампы.
| |
Рис.11. Реостат и схема включения реостата
В схеме на рис.11 показано, что реостат включён последовательно с лампой накаливания. Используя свойства последовательного соединения, запишем:
В знаменателе формулы здесь записана сумма сопротивлений реостата и лампы, образующая общее сопротивление цепи.
Ток проходит от верхней входной клеммы, по левой части реостата до движка, затем переходит на движок и далее, по пути наименьшего сопротивления, проходит по проводу мимо правой части реостата. Далее ток проходит по лампе и попадает на нижнюю входную клемму.
При перемещении движка реостата слева направо, возрастает сопротивление той части реостата по которой проходит ток. В результате, в соответствии с формулой, ток в цепи, а, следовательно, и яркость лампы уменьшаются.
Пример 7.
С помощью реостата регулируют напряжение на лампе (рис. 11). Движок реостата находится в среднем положении. Известно: что сопротивление всей обмотки реостата Rр составляет 200 Ом, а сопротивление лампы 
. В среднем положении движка напряжение на лампе 
. Общее напряжение 
, приложенное к цепи, составляет 100В.
Решение:
1) Найдем ток в цепи. Реостат и лампа соединены последовательно. В среднем положении реостата работает только половина его обмотки. Поэтому:
2) Найдем напряжение на лампе Uл
Делитель напряжения
Рассмотрим применение последовательного соединения в схеме делителя напряжения:
Рис. 12. Делитель напряжения
Делителем напряжения называется схема, состоящая из двух резисторов, включённых последовательно, которая позволяет получить на выходе напряжение, меньше чем на входе. Такая схема часто используется в электротехнике или электронике.
Например, источник ЭДС дает 10 В, а нам нужно только 5В. Потребуется делить напряжения.
В схеме делителя резисторы R1 и R2 соединены последовательно. На входные (левые) клеммы схемы подаётся входное напряжение, общее для двух резисторов.
С выходных (правых) клемм можно снять выходное напряжение. Оно всегда будет меньше, чем входное. Это следует из свойств последовательного соединения:
, следовательно:
,
то есть напряжение на выходе делителя (на резисторе R2) всегда меньше чем на входе.
Здесь мы впервые используем термин падение напряжения на сопротивлении R1. Смысл его в том, что на сопротивлении R1 падает (теряется) избыточное, ненужное напряжение.
Верхний по схеме резистор называется гасящим плечом делителя. На нём гасится (падает) излишек напряжения. Нижний резистор называется рабочим плечом, т.к. с него снимается напряжение, которое будет подано для работы какого-то устройства или схемы.
Степень уменьшения напряжения делителя определяется соотношением плеч делителя. Если необходимо уменьшить Uвых , то гасящее плечо нужно увеличить и наоборот.
Чтобы изменить величину напряжения на выходе делителя нужно отключить резистор R1 и заменить его резистором другой величины.
Потенциометр
Потенциометр - это, фактически, тот же делитель напряжения, но позволяющий плавно регулировать величину напряжения выходного напряжения Uвых.
В качестве потенциометра используется реостат (см. рис.11) включённый по схеме потенциометра. Движок реостата, обозначенный на схеме стрелкой, разбивает всю обмотку реостата (его полное сопротивление) на две части. Верхняя часть полного сопротивления реостата (R1) образует гасящее плечо делителя напряжения. Нижняя – рабочее (R2).
Рис. 13. Регулирование напряжения с помощью потенциометра
Перемещая движок реостата вверх или вниз, можно плавно регулировать величину выходного напряжения. В верхнем положении движка реостата напряжение на выходе будет равно напряжению на входе. В нижнем положении движка напряжение на выходе станет равно нулю.
Потенциометр применяется, например, в качестве регулятора громкости в радиоприёмнике.
Сложная электрическая цепь
Сложной называется цепь, состоящая из нескольких контуров, и содержащая несколько источников ЭДС. Пример сложной цепи показан на рис. 19. Цепь содержит два источника ЭДС и несколько резисторов. В схеме можно выделить несколько контуров.
Перед началом рассмотрения данной темы необходимо повторить свойства параллельного соединения резисторов.
Рис. 19. Сложная электрическая цепь
Контуром называется любой замкнутый участок электрической цепи. В данной схеме можно выделить три контура: контур a, b, f, e, a, контур b, c, d, f, b и контур: a, c, d, e, а.
Расчет сложных цепей ведется с применением первого и второго законов Кирхгофа. Первый закон Кирхгофа был рассмотрен при изучении параллельного соединения резисторов. Второй закон Кирхгофа гласит: алгебраическая сумма ЭДС, входящих в контур равна алгебраической сумме падения напряжения на элементах этого контура.
Обычно, требуется найти значения токов во всех ветвях, если известны значения ЭДС всех источников и величина всех сопротивлений.
Для решения этой задачи требуется составить и решить систему уравнений. Число уравнений, входящих в систему, равно числу неизвестных токов. Для рассматриваемой схемы потребуется три уравнения, т.к. в схеме три ветви и, соответственно три тока, которые нужно найти.
Расчет сложных цепей производится по определенному алгоритму:
1. Прежде всего, произвольно обозначаем направление токов в ветвях (см. рис. 19). Мы пока не знаем, в какую сторону направлены токи, обозначаем направление токов наугад. Позже, решение задачи укажет нам на ошибку, если она допущена.
2. По первому закону Кирхгофа составляем (n-1) уравнений, где n – число узлов. В нашей схеме два узла: это точки b и f. Для узла b, по первому закону Кирхгофа, запишем: 
, т.к. все три тока направлены к узлу b. (На самом деле такой вариант невозможен. Не может быть, чтобы были токи, подходящие к узлу и не было токов, отходящих от узла. Но сейчас это не имеет значения.)
3. Всего нужно составить 3 уравнения (по числу неизвестных токов). Недостающие уравнения составим по второму закону Кирхгофа для двух любых контуров. Предварительно договоримся, что обход по контуру при составлении уравнения будем совершать по часовой стрелке. Термин обход по контуру следует понимать так: Выбираем на контуре любую точку и начинаем двигаться вдоль контура. "По дороге" записываем встречающиеся на пути ЭДС (Е) и напряжения на резисторах.
ЭДС входит в уравнение с плюсом, если направление стрелки источника совпадает с направлением обхода по контуру. В противном случае запишем его со знаком "минус".
Падение напряжения на сопротивлении (U=I•R) входит в уравнение с плюсом, если направление тока в резисторе совпадает с направлением обхода.
Для контура a, b, f, e, a, запишем:
Для контура b, c, d, f, b:
4) Объединяя составленные нами уравнения, получим систему уравнений:
5) Теперь дело за малым. В систему уравнений нужно подставить известные из условия задачи величины и решить систему относительно токов. Будут получены числовые значения токов.
Если ток получается со знаком "минус", значит, мы неправильно указали его направление и, на самом деле, он протекает в направлении, противоположном, указанному на рис.19.
Чем сложнее схема, тем больше уравнений в системе и тем сложнее ее решить.
Раздел 2. Магнитное поле
Основные понятия
Магнитное поле – это особый вид материи, окружающий намагниченные тела или движущиеся заряженные частицы. Магнитное поле можно обнаружить по создаваемым им эффектам или с помощью специальных приборов.
Магнитное поле существует вокруг постоянных магнитов и проводников с током. В случае проводника с током магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами. Неподвижные заряды не могут создать магнитного поля. Само магнитное поле действует только на движущиеся электрические заряды. На неподвижные заряды магнитное поле не влияет.
Магнитное поле обладает способностью проникать через многие вещества, например, воздух, стекло, бумагу, картон, медь, воду, а также через безвоздушное пространство. Человек не может обнаружить магнитное поле с помощью своих органов чувств. Теме не менее, оно оказывает влияние на организм человека. Это влияние может быть как положительным, так и приносить вред. Всё зависит от параметров магнитного поля.
Мы живём в слабом магнитном поле, которым обладает планета Земля. За миллионы лет эволюции мы вполне сроднились с ним. Если изолировать человека от этого поля, он начинает плохо себя чувствовать, т.е. естественное магнитное поле Земли нам необходимо.
В то же время, длительное воздействие сильных магнитных полей, образующихся при работе электроустановок, способно принести вред организму человека.
Магнитное поле принято изображать на рисунках с помощью воображаемых магнитн ых силовых линий. С их помощью можно удобно и наглядно изобразить магнитное поле. В тех местах, где магнитное поле сильнее, изображают силовые линии расположенными гуще, т. е. ближе друг к другу. И наоборот, в местах, где поле слабее, показывают силовые линии в меньшем количестве, т. е. расположенными реже. Взглянув на изображенное с помощью силовых линий магнитное поле, по густоте их расположения, сразу можно сказать, где поле сильнее и где слабее.
Постоянный магнит и силовые линии магнитного поля вокруг него показан на рис. 23. На рисунке показано всего несколько силовых линий. На самом деле их гораздо больше.
Изображение магнитного поля в виде совокупности силовых линий является довольно неточным. В действительности магнитное поле заполняет все пространство вокруг источника магнитного поля и через любую точку пространства проходит какая-то силовая линия. Однако для простоты изображают лишь небольшое число силовых линий, показывающих наиболее характерные особенности структуры поля. Некоторые из силовых линий показаны на рисунке частично. При удалении от магнита его магнитное поле слабеет.
Магнитные силовые линии всегда замкнуты, т.е. не имеют ни начала, ни конца. Вне постоянного магнита они выходят из северного полюса и входят в южный. Внутри магнита – наоборот. Интенсивность магнитного поля отображается на рисунке более густыми силовыми линиями. Видно, что наиболее сильным будет поле около полюсов магнита.
|
|
Рис. 23. Магнитные силовые линии вокруг подковообразного и прямого
постоянного магнита
И катушки с током
Вокруг проводника с током силовые линии имеют форму окружностей нанизанных на проводник. Эти линии имеются везде вокруг провода, но на рис. 24а они изображены лишь в нескольких местах. Чем сильнее ток, тем сильнее магнитное поле вокруг провода. По мере удаления от провода с током магнитное поле постепенно ослабевает.
Рис. 24. Магнитное поле прямолинейного проводника и катушки с током
|
|
Чтобы получить более сильное магнитное поле, прямолинейный провод нужно свернуть в катушку. Магнитное поле, прежде растянутое вдоль прямолинейного проводника, сконцентрируется в небольшой области пространства. Магнитные поля отдельных витков катушки складываются, и их силовые линии сливаются в общий магнитный поток. Картина магнитного поля катушки показана на рис. 24б (многие силовые линии на этом рисунке изображены не полностью, но, конечно, все они являются замкнутыми). На том конце катушки, где ток идет против хода часовой стрелки, магнитные силовые линии выходят из катушки. Этот конец катушки называют северным магнитным полюсом и обозначают буквой N (от слова North — север) или русской буквой С. Другой конец катушки называют южным магнитным полюсом и обозначают буквой S (от слова South — юг) или буквой Ю.
Если изменить направление тока в катушке, то направление магнитного поля и магнитные полюса на концах катушки поменяются местами.
Рис. 25. Силовые линии вокруг прямолинейного проводника с током I
Направление силовой линии вокруг проводника с током определяется правилом буравчика (правилом правого винта): вращать буравчик так, чтобы острие ввинчивалось по току, тогда вращение рукоятки укажет направление силовой линии.
Параметры магнитного поля
Магнитное поле характеризуется рядом параметров.
Магнитная индукция обозначается буквой B. Это векторная величина, характеризующая направление и силу магнитного поля в данной точке. Измеряется в единицах, называемых Тесла (Тл).
Вектор индукции рисуется по касательной к силовой линии в данной точке. Магнитная индукция характеризует силу магнитного поля в одной точке.
Напряженность магнитного поля – Н Это тоже векторная величина, характеризующая направление и силу поля данной точки. Измеряется в амперах, делённых на метр (А/м).
Разница между напряженностью магнитного поля и магнитной индукцией состоит в том, что напряженность магнитного поля не зависит от среды, в которой находится источник магнитного поля, а магнитная индукция зависит. Это означает что напряженность магнитного поля, созданного постоянным магнитом будет одинаковой в любой среде, куда бы не поместили магнит: в вакуум, в воду, в минеральное масло и т.д. Индукция магнитного поля, созданного постоянным магнитом в этих случаях будет разной.
Влияние среды на магнитное поле учитывается коэффициентом, который называется магнитной проницаемостью. Обозначается буквой μ (мю). Магнитная проницаемость показывает насколько легко силовым линиям пронизывать данное вещество.
Различают несколько видов магнитной проницаемости:
- магнитная постоянная (магнитная проницаемость вакуума)
( 
)
измеряется в Генри, деленных на метр;
- абсолютная магнитная проницаемость данного вещества (берется из справочника) - 
, единица измерения та же;
- относительная магнитная проницаемость
- характеризует магнитную проницаемость данного вещества по отношению к вакууму; является безразмерной величиной.
Относительная магнитная проницаемость оценивает магнитные свойства данного вещества относительно магнитной проницаемости вакуума.
Связь между магнитной индукцией и напряженностью магнитного поля выражается формулой:
Магнитный поток обозначается буквой Ф. Измеряется в единицах, называемых Вебер (Вб).
Если магнитная проницаемость и напряженность характеризуют магнитное поле в одной точке, то магнитный поток характеризует магнитное поле в некоторой области пространства. Магнитный поток – скалярная величина.
,
где S - площадь поверхности, пересекаемой магнитным потоком, м2.
Магнитная цепь
Магнитной цепью называется совокупность источника магнитного поля и магнитопровода (сердечника).
Источником магнитного поля может быть постоянный магнит, но чаще всего это обмотка (катушка), по которой проходит ток. Рассмотрим магнитную цепь на примере магнитной головки.
Рис. 31. Устройство магнитной головки
На рис. 31 Буквами обозначены: R - средний радиус сердечника (магнитопровода); S - площадь поперечного сечения сердечника.
Магнитная головка используется для записи сигнала на жесткий диск компьютера или на магнитную ленту.
Катушка с током создает магнитное поле. Магнитопровод (сердечник), как обычно выполненный из ферромагнитного материала, выполняет здесь две задачи: усиливает магнитное поле, созданное обмоткой и концентрирует его в зоне немагнитного зазора.
В материале сердечника имеется небольшой разрыв. Поскольку он не заполнен ферромагнитным веществом, то называется немагнитным зазором. Зазор заполнен неферромагнитным материалом, например, бронзой.
Силовые линии магнитного поля концентрируются в сердечнике, так как он обладает высокой магнитной проницаемостью. Только в районе немагнитного зазора силовые линии выходят за пределы сердечника.
В область немагнитного зазора магнитной цепи и помещают объект, на который нужно воздействовать магнитным полем. В данном случае – объектом воздействия является магнитная лента, которую нужно намагнитить.
Правило Ленца
Правило Ленца (закон Ленца) гласит: ток, вызванный индуктированной ЭДС, порождает эффекты, препятствующие появлению этой ЭДС.
Действие правила Ленца проявляется по разному в разных вариантах явления электромагнитной индукции, но действует оно всегда.
Рассмотрим, как проявляется действие правила Ленца в первом из рассмотренных вариантов явления электромагнитной индукции.
Прежде всего, отметим, что если ЭДС наводится, но ток в цепи не протекает, то правило Ленца не действует (рис. 32).
Если же цепь замкнута и по ней протекает ток, вызванный индуктированной ЭДС, правило Ленца действует. Рис.35 отличается от рис. 32 тем, что к концам проводника, в котором наводится ЭДС, подключён резистор R. По проводу, в котором наводится ЭДС, через резистор R и по проводам протекает ток I.
Рис. 35. В следствии проявления правила Ленца возникает сила, препятствующая появлению ЭДС в проводнике
Известно, что на проводник с током, помещённый в магнитное поле, действует сила F. Определив направление этой силы по правилу левой руки, видим, что эта сила препятствует движению проводника, тормозит его. Тем самым действие этой силы препятствует наведению ЭДС в проводнике.
Явление самоиндукции
Явление самоиндукции состоит в том, проводник, собственным магнитным полем наводит в себе ЭДС. Если по проводнику протекает ток, меняющийся по величине (переменный ток), вокруг проводника возникает магнитное поле. Это магнитное поле тоже будет меняться по величине (будет переменным). Переменное магнитное поле проводника, как бы "окутывает" его.
Рис. 36. Явление электромагнитной индукции. Проводник наводит сам в себе ЭДС
Известно, что в проводнике, находящимся в переменном магнитном поле, наводится ЭДС самоиндукции. В данном случае проводник сам создаёт переменное магнитное поле, которое в нём самом наводит ЭДС.
Величина ЭДС самоиндукции определяется по формуле:
, где:
∆I - изменение силы тока в проводнике,
∆t - изменение времени
L - индуктивность проводника.
Таким образом, величина ЭДС самоиндукции зависит от скорости изменения тока в цепи и коэффициента, называемого индуктивностью проводника. Измеряется индуктивность проводника в Генри [Гн].
Явление самоиндукции может проявляться также и в цепях постоянного тока. В них оно проявляется в моменты включения и выключения цепи. При включении цепи ток нарастает от нуля до номинального значения, а при выключении цепи – спадает от номинального значения до нуля. Изменение величины тока вызывает изменение магнитного поля вокруг проводника. В эти короткие периоды времени и проявляется явление самоиндукции. В установившемся режиме, когда ток не меняется по величине, явление самоиндукции не проявляется.
Индуктивность характеризует свойства проводника в отношении величины возникающей в нём ЭДС самоиндукции.
У прямолинейных проводников индуктивность мала. Следовательно, возникающая в них ЭДС самоиндукции незначительна. Обычно ею просто можно пренебречь.
Если же проводник выполнен в виде катушки, имеющей большое число витков, то в нём возникает значительная по величине ЭДС самоиндукции, пренебрегать которой нельзя. Особенно велика ЭДС самоиндукции в катушках, снабженных ферромагнитным сердечником.
Влияние явления самоиндукции на работу цепей переменного тока будет рассмотрено позднее.
Явление взаимоиндукции
Взаимоиндукция – это частный случай общего явления электромагнитной индукции. Состоит в том, что один проводник своим магнитным полем наводит ЭДС в соседнем проводнике.
На рис. 37 показаны два проводника, расположенные рядом. По первому проводнику проходит переменный ток. Вокруг него возникает переменное магнитное поле. Во втором проводнике, находящимся в переменном магнитном поле первого проводника, наводится ЭДС взаимоиндукции.
Рис. 37. Явление взаимоиндукции. Силовые линии магнитного поля, созданного проводником 1, пронизывают проводник 2
Величина ЭДС взаимоиндукции в проводнике определяется по формуле:
, где:
М - коэффициент взаимоиндукции; измеряется в Генри.
Видно, что эта формула очень похожа на предыдущую. Разница только в наименовании коэффициента. Взаимная индуктивность М характеризует систему из двух проводников в отношении величины ЭДС взаимоиндукции.
Величина ЭДС взаимоиндукции зависит от скорости изменения тока в соседнем проводнике и от взаимной индуктивности M (Гн).
Взаимная индуктивность М зависит от формы и размеров проводников. Для прямолинейных проводников взаимная индуктивность незначительна и явление взаимоиндукции проявляется слабо.
Взаимная индуктивность будет больше, если проводники выполнены в виде катушек. Еще лучше, если они расположены на общем ферромагнитном сердечнике (рис. 38).
Как и в случае явления самоиндукции, взаимоиндукция может проявляться в цепях постоянного тока в моменты включения и ли выключения цепи.
Рис. 38. Проявление явления взаимоиндукции
На рис. 38 показаны две катушки, размещённые на общем ферромагнитном сердечнике. На одну из обмоток подаётся постоянное напряжение от аккумулятора. Аккумулятор обеспечивает постоянное напряжение на своих зажимах и, соответственно, постоянный ток в цепи правой катушки (если замкнут выключатель). Ко второй катушки источник тока на подключён, но подключён гальванометр (измерительный прибор). Гальванометр отмечает появление ЭДС на зажимах левой катушки а момент включения и в момент выключения тока в цепи. Это объясняется тем, что в момент замыкания или размыкания контактов выключателя меняется сила тока в цепи и, соответственно, магнитное поле, созданное правой катушкой. При этом во второй катушке наводится ЭДС взаимоиндукции, что и отмечает гальванометр – его стрелка отклоняется.
Вихревые токи
Многие электротехнические устройства, например трансформатор или электродвигатель, снабжены железным сердечником. В сердечнике, при работе этих устройств, существует переменное магнитное поле.
В соответствии с явлением электромагнитной индукции (второй вариант) в проводнике, помещенном в магнитное поле, наводится ЭДС. В данном случае проводником является стальной сердечник трансформатора или электродвигателя.
По сердечнику потекут токи. Они замыкаются по кругу и поэтому называются вихревыми токами.
Рис. 39. В сердечнике, который пронизывает переменный магнитный поток,
возникают вихревые токи. Они протекают во всём объёме сердечника, а не только в верхней части, как показано на рисунке
На образование вихревых токов тратится энергия, хотя для работы трансформатора вихревые токи не нужны. Следовательно, часть энергии, вместо совершения полезной работы трансформатором, затрачена на образование ненужных и даже вредных вихревых токов. Эта энергия называется потерями на вихревые токи и её желательно свести к минимуму.
Кроме того, в соответствии с законом Ленца, вихревые токи порождают собственное магнитное поле, которое направлено встречно магнитному полю, порождающему их. А это недопустимо, т.к. порождающее их поле необходимо для работы устройства и ослаблять его нельзя.
Для ослабления вихревых токов сердечник трансформаторов и других устройств набирается из тонких стальных пластин. Толщина пластин 0,2 – 0,5 мм. Пластины изолируют друг от друга путем окрашивания. Изоляция пластин друг от друга не позволяет вихревым токам протекать по всей площади поперечного сечения сердечника, как это показано на рис. 39. При этом возникновение вихревых токов и их вредное влияние будут ослаблены.
Конец первой части
Список рекомендованной литературы:
1. Электротехника и основы электроники: Иванов И. И., Соловьев Г. И., Фролов В. Я. Учебник. 7-е изд., перераб. и доп. — СПб.: Издательство «Лань», 2012. — 736 с
2. Электротехника (4-е изд.) Год: 2004 Автор: Шихин А.Я. (Под ред.) Издательство: М.: Высшая школа
ОГЛАВЛЕНИЕ
Раздел 2. Магнитное поле
Основные понятия........................................................................................ с. 35
Магнитное поле прямолинейного проводника и катушки с током......... c. 36
Электромагнит и электромагнитное реле.................................................. с. 37
Параметры магнитного поля...................................................................... с. 38
Ферромагнитные и неферромагнитные вещества..................................... с. 39
Строение ферромагнитного вещества........................................................ с. 40
Магнитно-мягкие и магнитно-твердые вещества...................................... с. 41
Применение ферромагнитных веществ в электротехнике....................... с. 41
Циклическое перемагничивание................................................................. с. 42
Магнитная цепь............................................................................................. с. 43
Закон Ома для магнитной цепи................................................................... с. 43
Сила, действующая на проводник с током,
находящийся в магнитном поле.................................................................. с. 44
Явление электромагнитной индукции........................................................ c. 45
Правило Ленца............................................................................................. с. 47
Явление самоиндукции................................................................................ с. 48
Явление взаимоиндукции............................................................................ с. 49
Вихревые токи ............................................................................................. с. 51
Список рекомендованной литературы........................................................ с. 52
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
Часть 1
Цепи постоянного тока.
Магнитное поле
для специальности среднего профессионального образования
070208
(углублённая подготовка)
Сергиев Посад
2014
Введение
Вся современная цивилизация базируется на применении электричества. Без электричества не будет освещения, компьютера, телефонов, телевидения, радио, отопления, медицины. А без понимания законов электротехники невозможно изучение устройства и профессионального оборудования в сфере звукотехники, кино и телевидения. Поэтому изучение электротехники очень важно.
Изучение электротехники базируется на знаниях, полученных при изучении школьного курса физики.
Раздел 1. Цепи постоянного тока
Дата: 2019-07-24, просмотров: 325.
