Физика / ЛЕКЦИИ_2-ой_семестр / 3_Магнитное поле / ЛК-№10-Эл-двигатель, нагрев, самоиндукция

4

Тема 3. Магнитное поле.

Лекция №10.

1. Рамка в магнитном поле, электродвигатели в современных автомобилях.

2. Вихревые токи (токи Фуко), использование в автомобилях.

3. Индуктивность контура. Самоиндукция.

1. Рамка в магнитном поле, электродвигатели в современных автомобилях.

Явление электромагнитной индукции применяется для преобразования механической энергии в энергию электрического тока. Для этой цели используются генераторы, принцип действия которых можно рассмотреть на примере плоской рамки, враща­ющейся в однородном магнитном поле.

Пусть рамка вращается в однородном магнитном поле (B = const) равномерно с угловой скоростью  = const. Магнитный поток, сцепленный с рамкой площадью S, в любой момент времени t, согласно определению, будет равен

где  = t — угол поворота рамки в момент времени t (начало отсчета выбрано так, чтобы при t = 0 было  = 0).

При вращении рамки в ней будет возникать переменная э.д.с. индукции:

Э.д.с. индукции изменяется во времени по гармоническому закону.

При sin t = l э.д.с. индукции достигает максимума, т. е.

Теперь выражение для э.д.с. индукции можно записать в виде

Вывод. Если в однородном магнитном поле равномерно вращается рамка, то в ней возникает переменная э.д.с., изменяющаяся по гармоническому закону.

Замечания.

1. Из формулы для э.д.с. индукции вытекает, что находится в прямой

зависимости от величин , B и S.

2. В Украине принята стандартная частота тока  = /(2) = 50 Гц, поэтому возможно

лишь увеличение двух остальных величии.

3. Для увеличения В применяют мощные постоянные магниты или в электромагнитах

пропу­скают значительный ток, а также внутрь электромагнита помещают

сердечники из материалов с большой магнитной проницаемостью .

4. Если вращать не один, а ряд витков, соединенных последовательно, то тем самым

увеличивается S.

5. Процесс превращения механической энергии в электрическую обратим.

Если по рамке, помещенной в магнитное доле, пропускать электрический ток, то на

нее будет действовать вращающий момент и рамка начнет вращаться. На этом

принципе основана работа электродвигателей, предназначенных для

превращения электрической энергии в механическую.

Электродвигатели в современных автомобилях.

Рамка в магнитном поле – это физическая идеализация для обоснования принципа действия электрических двигателей, широко применяющихся в современном автомобилестроении.

Первое, на что следует указать, это, так называемые, гибридные автомобили. Их действенность предполагает электрическую тягу при малых скоростях движения и включение двигателей внутреннего сгорания в интенсивных динамических режимах.

Итак, при низких оборотах, например, при движении в городских условиях, автомобиль приводится в движение электрическим двигателем постоянного тока за счёт питания от мощных аккумуляторных батарей. При переходе к скоростным режимам, например, на загородных магистралях, имеет место переключение от электродвигателя на тягу от двигателя внутреннего сгорания. Автоматически, при работе последнего происходит подзарядка аккумуляторной батареи. Таким образом, гибридный автомобиль работает в режие рекуперации затраченной электрической энергии.

Испытания гибридных автомобилей показали существенный рост их экономичности и динамики в целом.

Второе направление в создании перспективных транспортных средств заключается в разработках, так называемых, электромобилей. Последние работают исключительно на тяге от электродвигателей постоянного тока и, в условиях современного состояния научно-технического прогресса, предназначены, в основном, для передвижения в городских условиях на небольшие расстояния.

2. Вихревые токи (токи Фуко), использование в автомобилях.

Определение 1.

Индукционные токи, возбуждаемые в массивных сплошных проводниках, помещенных в переменное магнитное поле, называются вихревыми токами или токами Фуко .

Вихревые токи вызы­вают нагрев проводников.

Нагрев проводников индукционными токами можно использовать для прогрева элементов автомобильных конструкций в холодное время года.

Возможные схемы индукционного нагрева приведены ниже.

Нагреваемый элемент с плоским Нагреваемый элемент с произвольной

основанием. геометрической формой поверхности.

(картер двигателя) (картер двигателя)

Нагреваемый элемент цилиндрической формы

(трубопроводы).

3. Индуктивность контура. Самоиндукция.

Электрический ток, текущий в замкнутом контуре, создает вокруг себя магнитное поле. Сцепленный с контуром магнитный поток Ф будет прямопропорционален току I в контуре:

где коэффициент пропорциональности L есть индуктивность контура.

Определение 1.

Индуктивностью замкнутого проводящего контура называется коэффициент пропорциональности – L между возбуждаемым магнитным потоком, пронизывающим площадь, охватываемую контуром, и протекающим током.

При изменении силы тока в контуре будет изменяться также и сцепленный с ним магнитный поток; следовательно, в контуре будет индуцироваться э.д.с.

Определение 2.

Возникновение э.д.с. индукции в проводящем контуре при изменении в нем силы тока называется самоиндукцией.

Единица индуктивности – Генри (Гн).

Определение 3.

1Гн — ин­дуктивность такого контура, магнитный поток самоиндукции которого при токе в 1 А равен 1 Вб (Вебер!),

В качестве примера, рассчитаем индуктивность бесконечно длинного соленоида.

Индукция магнитного поля соленоида длиной – с числом витков – равна

По определению, магнитный поток, сцеплённый с одним витком – это

.

Примечание. Если соленоид находится в среде с абсолютной магнитной проницаемостью, отличной от вакуума (), то вместо множителя следует взять – .

Потокосцепление (то есть, полный магнитный поток, пронизывающий все витки соленоида!) с витками будет равно:

.

Согласно опеределению индуктивности, получим, что

.

.

Замечания.

1. В случае среды с абсолютной магнитной проницаемостью – .

2. Можно показать, что индуктивность контура в общем случае зависит только от

геометрической формы контура, его размеров и магнитной проницаемости той

среды, в которой он находится. В этом смысле индуктивность контура — аналог

электричес­кой емкости уединенного проводника, которая также зависит только от

формы провод­ника, его размеров и диэлектрической проницаемости среды.

Применяя к явлению самоиндукции закон Фарадея, получим, что э. д. с. самоиндукциибудет равна:

Если контур не деформируется и магнитная проницаемость среды не изменяется , то L = const и

где знак минус, обусловленный правилом Ленца, показывает, что наличие индуктив­ности в контуре приводит к замедлению изменения тока в нем.

Вывод.

1. Если ток со временем возрастает, то т. е. ток самоиндукции

направлен навстречу току, обусловленному внешним источником, и замедляет

его возрастание.

2. Если ток со временем убывает, то т. е. индукционный ток имеет такое же направление, как и убывающий ток в контуре, и замедляет его убывание.

3. В целом, контур, обладая определенной индуктивностью, приобрета­ет электрическую инертность, заключающуюся в том, что любое изменение тока тормозится тем сильнее, чем больше индуктивность контура.