1.3. Закон Джоуля-Ленца

Этот закон позволяет количественно оценить процесс преобразования электрической энергии в тепловую. Рассмотрим участок цепи, состоящий из резистора с сопротивлением R, по которому протекает токI(рис.1). Согласно закону Ома для участка цепи падение напряжения на резистореU=IR.

К

(12)

ак известно, мощность электрического тока Р представляет собой произведение напряженияUна силу токаI, то есть

,

где Р– мощность в ваттах; [Вт] = [В][А];

U– напряжение, [В];

I– сила тока, [А].

Е

(12а)

сли в правую часть равенства (12) сделать подстановки, вытекающие из закона Ома:U=IRилиI=U/R, то можно получить следующие выражения, представляющие закон Джоуля-Ленца (для мощностей):

(12б)

Согласно этому закону тепловыделение в резисторе с сопротивлением R зависит от квадрата тока (квадрата напряжения).

О

(13)

ба ученых, в честь которых назван закон, установили его независимо друг от друга на основании экспериментальных исследований. Причем закон был сформулирован применительно к энергииW=Pt[Вт∙с = Дж]. В такой редакции он имеет вид

и читается следующим образом: количество теплоты W, выделенное в резисторе при протекании тока, зависит прямо пропорционально от квадрата тока, сопротивления резистора и времени t, в течение которого одинаковый по величине ток протекает по резистору.

1.4. Закон Ома для магнитной цепи

Принцип действия многих электротехнических установок основан на взаимодействии электрических и магнитных явлений. К таким электромагнитнымустройствам относятся, в частности, электрические машины и трансформаторы, в которых используется силовое и индукционное воздействие магнитного поля на электрические токи. Магнитные поля в электромагнитных установках, как правило, создаются токами в катушках (обмотках), расположенных на элементах конструкций из ферромагнитных материалов.

К ферромагнитным материалам относятся железо, никель, кобальт и их различные сплавы. Эти материалы способны намагничиваться, в результате чего во много раз усиливать магнитное поле по сравнению с немагнитными материалами. Благодаря выполнению магнитопроводов из ферромагнитных материалов электромагнитные устройства получаются более компактными, так как позволяют создать в сравнительно небольших габаритах требуемую интенсивность магнитного поля.

Магнитное поле в любой точке характеризуется по интенсивности и направленности действия вектором магнитной индукцииВ.

Магнитное поле может быть изображено с помощью магнитных силовых линий, касательные к которым совпадают по направлению с векторами магнитных индукций. За направление магнитной индукции принимается направление, указываемое северным полюсом магнитной стрелки, помещенной в данную точку поля.

Для интегральной оценки магнитного поля вводится понятие магнитного потока Φ, представляющего собой поток вектора магнитной индукции сквозь поверхность [1]. Если магнитный поток Φ проходит сквозь плоскость площадью S, расположенную перпендикулярно линиям магнитной индукции однородного поля (B = const), то величина потока Φ = BS.

Единицами измерения магнитного потока и магнитной индукции являются соответственно 1 вебер и 1 тесла (1 Вб = 1 В∙с; 1 Тл = 1 Вб/м²).

С

(14)

тепень участия среды в образовании магнитного поля характеризуется абсолютной магнитной проницаемостьюμ_асреды, равной

,

где μ₀– магнитная постоянная (μ₀= 4π∙10^-7Гн/м);

μ_r– относительная магнитная проницаемость.

В системе СИ единицей μ₀и μ_аявляется 1 генри/метр = 1 Гн/м, где 1 Гн = 1Oм∙с – единица индуктивности.

У ферромагнитных материалов μ_а >> μ₀, то есть μ_r >> 1,0; у немагнитных материалов, к которым относятся, например, медь, алюминий, дерево, пластмасса и воздух μ_r ≈ 1 и μ_a ≈ μ₀.

П

(15)

ри расчете и анализе магнитных цепей обычно пользуются величинойH, называемойнапряженностью магнитного поля. Зная эту величину, можно определить магнитную индукцию по известному из курса физики равенству:

B = μH.

Напряженность магнитного поля – величина векторная. В однородных по всем направлениям средах векторы В и Н по направлению совпадают. Единицей напряженности магнитного поля является 1 А/м.

Напряженность магнитного поля связана с токами, возбуждающими магнитное поле, законом полного тока, согласно которому линейный интеграл вектора напряженности магнитного поля вдоль замкнутого контура равен алгебраической сумме токов, охватываемых этим контуром:

(16)

.

Величину ∑Iназываютполным токомилимагнитодвижущей силой(м.д.с.)

Закон полного тока применительно к расчету магнитной цепи, состоящей из одноконтурного магнитопровода и одной катушки с током, можно свести к случаю, когда расчетные зависимости будут напоминать формально закон Ома для замкнутой электрической цепи.

Магнитной цепью^, по аналогии с электрической цепью, называется совокупность элементов, по которым замыкается магнитный поток. Рассмотрим магнитную цепь, состоящую из n = 3 участков, по которым замыкается магнитный поток Φ. Магнитный поток (рис. 7) создается током I, протекающим по катушке с числом витков w.

Рис. 7 Рис.8

Будем считать, что магнитный поток Φ на всем протяжении цепи, а, следовательно, в пределах каждого из трех участков, имеет одну и ту же величину (Φ = const), то есть отсутствуют магнитные поля рассеяния, которые существуют в реальных электромагнитных установках.

На рисунке 8 представлена рассматриваемая магнитная цепь с показом геометрических размеров всех трех участков, по которым замыкается магнитный поток (длины средней магнитной линии l₁, l₂, l₃ и площади поперечного сечения S₁ и S₂ участков из ферромагнитного материала).ПлощадьS₃участка, где магнитный поток проходит через воздушный зазорl₃, не обозначен штриховкой, поскольку ее величина занимает промежуточное значение междуS₁иS₂. Все три участка в общем случае отличаются магнитными свойствами материала, то есть μ₁≠ μ₂≠ μ₃(третий участокl₃– воздушный зазор, для которого μ₃= μ₀). Будем также считать, что в пределах каждого участка магнитное поле однородно, то есть магнитная индукцияB_kи напряженностьH_kв пределах длины каждого из трех участков остаются неизменными.

Э

(17)

то позволяет применить закон полного тока (16) к рассматриваемой магнитной цепи (рис.7 и рис.8), заменив линейный интеграл по замкнутому контуру магнитной цепи суммой из трех слагаемых:

Как видно из рисунка 7, сумма токов, пронизывающих контур интегрирования, равна ∑I=Iw, поскольку витки катушки включены последовательно друг с другом и обтекаются одним и тем же токомI. Величина ∑I=Iw, как было сказано выше, получила название магнитодвижущей силы (м.д.с.). Ее обозначают буквойFи в рассматриваемом случаеF=Iw. Размерность м.д.с. – амперы [А], иногда говорят «ампер-витки» (виток – величина безразмерная). Одна и та же величинаF= 100 А может быть получена одним витком, по которому течет ток 100 А, и 100 витками, включенными последовательно, по которым течет ток 1 А.

Поскольку магнитный поток Φ, не меняя своей величины, проходит через участки с различной площадью поперечного сечения, то величины индукции магнитного поля, а, следовательно, и напряженности магнитного поля (15) для участков цепи будут разными и равны:

и соответственно:

Сделаем соответствующие подстановки в равенство (17):

(18)

Преобразуем левую часть равенства (18) и, заменив Iw=Fв правой части, получим:

(18а)

Введем обозначение магнитное сопротивлениеи перепишем равенство (18а) в виде

(19)

.

Равенство (19) получило название: закон Ома для магнитной цепи. В некоторых учебниках это равенство называют иначе:закон магнитной цепи.

Первое название равенство (19) получило из-за формального сходства структуры расчетных формул.

Действительно, запишем формулировку закона Ома для магнитной цепи: