11

Лекция 13

Электромагнитная индукция

Вопросы

1. Экстратоки замыкания и размыкания.

2. Явление взаимоиндукции. Трансформаторы.

3. Энергия магнитного поля.

1. Экстратоки замыкания и размыкания

Явления при замыкании и размыкании тока обусловлены индуктивностью цепи или самоиндукцией. Если изменять ток в цепи, то собственный магнитный поток изменяется, и в цепи, помимо ЭДС источника, начнет действовать электродвижущая сила самоиндукции. При этом в дополнение к питающему току источника пойдет ток, вызванный ЭДС самоиндукции. Этот ток называется экстратоком или индукционным током. По правилу Ленца индукционный ток должен препятствовать причине (изменению начального тока в катушке), его вызвавшей. Следовательно, при увеличении тока в цепи индукционный ток потечет навстречу, а при уменьшении – в том же направлении, что и первичный ток.

(1)

1) Замыкание электрической цепи

, при t = 0 I₀ = 0 , (2)

, (3)

где ­ установившийся ток;

время установления тока (время, за которое ток увеличивается в e раз).

2) Размыкание электрической цепи

, при t = 0  = 0 , (4)

(5)

В цепях с большими индуктивностями при резком замыкании и размыкании ЭДС самоиндукции резко возрастает (_с >> ), что ведет к появлению экстратоков. Возрастание тока в цепи ведет к пробою изоляции и порче электроприборов, электрооборудо­ва­ния.

3. 2. Явление взаимоиндукции. Трансформаторы

Рис. 5. Схема опыта по обнаружению взаимоиндукции

Взаимоиндукция  это явление, в котором обнаруживается связь двух или более электрических цепей, при этом возникает ЭДС в одной из цепей при изменении тока в другой.

,

,

где  коэффициент взаимной индукции, Гн (генри).

На взаимоиндукции основано действие трансформаторов  устройств, в которых преобразуется напряжение переменного тока.

В трансформаторе первичная обмо­т­ка с числом витков N₁ сопротивлением R₁ под­­ключается к источнику пе­ре­менного то­ка с напряжением U₁. К клеммам вто­рич­ной обмотки с числом витков N₂ под­клю­чается нагрузка с сопротивлением R₂, по­требляющая энергию. Обмотки нави­ты на один и тот же сердечник, являющийся об­щим магнитопроводом с потоком Ф_В.

От­ношение напряжения сети к на­пря­же­нию на нагрузке называется коэф­фи­ци­ен­том трансформации: K=U₂/U₁. При K>1 трансформатор – повышающий; при K<1 трансформатор – понижающий.

,

(6)

Напряжение на вторичной обмотке трансформатора зависит от соотношения числа витков, знак минус говорит о том, переменные напряжения в обмотках противоположны по фазе.

Полученные соотношения применимы только к идеальному трансформатору. Причины потерь в реальном трансформаторе:

• активное сопротивление обмоток;

• индукционные токи в сердечнике (токи Фуко);

• перемагничивание ферромагнитного материала сердечника.

Пренебрегая потерями энергии в реальном трансформаторе(1…2%), запишем равенство передаваемых мощностей на обмотках

, (7)

т.е. токи и напряжения в обмотке трансформатора обратно пропорциональны.

K > 1: повышающий трансформатор, N₂ > N₁, U₂ > U₁, I₂ < I₁,

K < 1: понижающий трансформатор, N₂ < N₁, U₂ < U₁, I₂ > I₁.

Трансформатор, состоящий из одной обмотки, называется автотрансформа­то­ром (для понижающего автотрансформатора энергия подводится ко всей обмотке, а снимается с части обмотки).

Рис. 7.

Условная схема высоковольтной линии передачи электроэнергии

При передаче энергии для уменьшения потерь на нагревания проводов необходимо уменьшить силу тока в линии передачи (QI²R), и, следовательно, увеличить напряжение. Обычно линии электропередачи строятся в расчете на напряжение 400…500 кВ, при этом в линиях используется трехфазный ток частотой 50 Гц. При повышении напряжения в линиях передачи увеличиваются утечки энергии через воздух. В сырую погоду вблизи проводов линии может возникнуть коронный разряд, который можно обнаружить по характерному потрескиванию. КПД линии передач не превышает 90 %.