Конспект лекций по физике для довузовской подготовки москва -2014
жүктеу/скачать 1,26 Mb. Pdf көрінісі
|
Конспект лекций по физике
- Бұл бет үшін навигация:
- Пример ( рис . 8.7.): Явление самоиндукции .
- Энергия магнитного поля
- Трансформатор Трансформатором
разделение зарядов – возникает э . д . с . индукции ( рис . 8.6), которая определяется как Е инд . = В l sin , (8.11) где l – длина прямолинейного проводника , движущегося с постоян - ной скоростью v в однородном магнитном поле с индукцией В , – угол между осью проводника и вектором скорости v . Это другая раз - новидность электромагнитной индукции , связанная с движением про - водников ( в общем плане материальных сред ) в магнитном поле . Если в магнитном поле рас - положен контур , то э . д . с . индукции , возникающая в нем , прямо пропор - циональна взятой с обратным зна - ком скорости изменения во времени магнитного потока Ф через поверх - ность S , ограниченную контуром ( закон Фарадея - Ленца ): Е инд . = –k dt d Ф , (8.12) где коэффициент пропорциональности k в СИ равен 1. Знак минус в правой части уравнения (8.12) определяет направление индукционно - го тока . В соответствии с правилом Ленца , индукционный ток всегда имеет такое направление , чтобы своим магнитным полем противо - l B v Рис . 8.6 Конспект лекций 114 действовать причине его вызывающей ( Майкл Фарадей – английский физик , Эмилий Ленц – ученый из России ). Пример ( рис . 8.7.): Явление самоиндукции . Частным случаем электромагнитной индукции является самоиндукция . Самоиндукцией называется яв - ление возникновения э . д . с . индукции в проводящем контуре при изме - нении в нем собственного магнитного потока . Действительно , электрический ток , текущий в замкнутом кон - туре , создает вокруг себя магнитное поле , поток которого , сцеплен - ный с контуром , прямо пропорционален силе тока J в контуре : Ф = LJ, (8.13) где L – коэффициент пропорциональности , получивший название ин - дуктивности контура . В общем случае индуктивность проводника зависит от его геометрической формы и размеров , а также от магнит - ной проницаемости окружающей проводник среды . Тогда при изменении силы тока в контуре dJ будет меняться поток магнитной индукции через поверхность , ограниченную этим контуром d Ф = LdJ, в результате чего в нем появляется э . д . с . самоин - дукции . Направление тока самоиндукции подчиняется правилу Лен - ца , то есть при увеличении силы тока в цепи ток самоиндукции пре - пятствует его росту , при уменьшении силы тока – его убыванию . Э . д . с . самоиндукции , таким образом , пропорциональна скоро - сти изменения силы тока J и индуктивности L контура ( см . также 8.12): Е с = –L dt dJ . (8.14) J J v N v N Рис . 8.7 В . А . Никитенко , А . П . Прунцев 115 Из выражения (8.13) определяется единица индуктивности генри * ( Гн ): 1 Гн – это индуктивность такого контура , магнитный по - ток самоиндукции которого при токе в 1 А равен 1 Вб (1 Гн =1 Вб / А или из выражения (8.14) имеем 1 Гн =1 А с В ). Энергия магнитного поля Магнитное поле , как и электрическое , обладает энергией . Если предположить , что энергия магнитного поля равна работе , которая затра - чивается током на создание этого поля , то можно получить соотношение , описывающее энергию магнитного поля , связанного с контуром W = 2 LJ 2 . (8.15) Технические применения Экспериментальный факт , отраженный в уравнениях (8.2, 8.5 и 8.12), служит основой для создания многочисленных технических устройств , предназначенных для преобразования электрической энер - гии в механическую ( например , электродвигатель – рис . 8.8) или , на - оборот , механической энергии в электрическую ( электрический гене - ратор или динамо - машина , рис . 8.9). * Джозеф Генри – американский физик . вал двигателя вал привода N v N B v B B S v S v B – + источник тока Е Рис . 8.8 Рис . 8.9 F л F л F л F л J Конспект лекций 116 Устройство , показанное на рис . 8.9, является генератором посто - янного по знаку пульсирующего тока . В данном случае концы витка за - канчиваются изолированными друг от друга полукольцами , по которым скользят щетки концов внешней цепи . Для сглаживания пульсаций тока вращающаяся обмотка группируется в отдельные секции . Для формирования генератора переменного тока концы витка соединяют с внешней цепью с помощью двух изолированных друг от друга колец , по которым скользят щетки концов внешней цепи . В ре - альной ситуации в таком генераторе вращается большое число после - довательно соединенных витков проволоки . Так как магнитный поток , пронизывающий вращающуюся рам - ку генератора ( рис . 8.9), определяется выражением ( см . уравнение 8.9): Ф (t) = Bs cos t , (8.16) где – угловая скорость вращения витка , время t отсчитывается от момента , когда виток находился в вертикальном положении , то э . д . с . индукции и индукционный ток в генераторе переменного тока равны ( в соответствии с 8.12) Е = Е 0 sin t и J = J 0 sin t , (8.17) где Е 0 и J – амплитудные ( максимальные ) значения э . д . с . и силы тока . Такой ток называют синусоидальным , а колебания , которые происходят по сину - соидальному закону – гармоническими ( см . следующую лекцию ). Трансформатор Трансформатором является устройство , служащее для по - вышения или понижения напряжения переменного тока . Он обычно состоит из двух катушек изолированной проволоки , имеющих общий сердечник , изготовленный из отдельных пластин магнитно - мягкого железа , рис . 8.10. По одной из обмоток , кото - рая называется первичной , пропус - кается преобразуемый переменный ток ( получаемый , например , от ге - нератора переменного тока ). Этот ток создает в железном сердечнике переменный магнитный поток , про - низывающий обе обмотки . В итоге в Рис . 8.10 В . А . Никитенко , А . П . Прунцев 117 каждом витке первичной обмотки возникает э . д . с . самоиндукции (– dt d Ф ), в каждом витке вторичной обмотки такая же э . д . с . индукции . Индуцируемые в обмотках э . д . с . относятся как числа витков в них Е 1 / Е 2 = 2 1 n n = k , (8.18) где k – коэффициент трансформации . В режиме холостого хода ( отсутствует нагрузка во вторичной об - мотке ), когда ток первичной обмотки очень мал и падением напряжения в первичной катушке можно пренебречь , имеем Е 1 U 1 и Е 2 U 2 , откуда k = 2 1 U U . (8.19) Коэффициентом трансформации трансформатора называют отношение напряжения на зажимах первичной обмотки к напряже - нию на зажимах вторичной обмотки трансформатора при его работе в режиме холостого хода . К . П . Д . современных трансформаторов составляет 95 99% ( отношение мощности на зажимах вторичной обмотки к мощности , потребляемой первичной обмоткой ), поэтому можно считать , что при нагрузке трансформатора J 1 Е 1 J 2 Е 2 , (8.20) то есть k = 1 2 2 1 J J Е Е . (8.21) Напряжение на зажимах вторичной обмотки с учетом падения напряжения на сопротивлении обмотки R 2 , рассчитывается как U 2 = Е 2 – J 2 R 2 , (8.22) по аналогии в случае первичной обмотки U 1 Е 1 + J 1 R 1 . (8.23) Трансформатор был изобретен в 1876 г . П . Н . Яблочковым , ко - торый применил его для питания « свечей », требующих различного напряжения . Потери энергии в трансформаторе , в первую очередь , связаны с расходом энергии на нагревание обмоток , на токи Фуко и на перемагничевание железа . Е 2 Е 1 |