Обертання рамки в магнітному полі - студопедія

Явище електромагнітної індукції застосовується для перетворення механічної енергії в енергію електричного струму. Для цієї мети використовуються генератори, принцип дії яких можна розглянути на прикладі плоскої рамки, що обертається в однорідному магнітному полі

Припустимо, що рамка обертається в однорідному магнітному полі (В = const) рівномірно з кутовою швидкістю # 969; = Const. Магнітний потік, зчеплений з рамкою площею S. в будь-який момент часу t. згідно (11.3), дорівнює Ф = BnS = BS cos # 945; = BS cos # 969; t. де # 945; = # 969; t - кут повороту рамки в момент часу t (початок відліку вибрано так, щоб при t = 0 # 945; = 0). При обертанні рамки в ній буде виникати змінна е.р.с. індукції

змінюється з часом за гармонічним законом. При sin # 969; t = 1, Ei максимальна, тобто Emax = BS # 969; визначає максимальні значення, що досягаються хитається ЕРС.

Таким чином, якщо в однорідному магнітному полі рівномірно обертається рамка, то в ній виникає змінна е.р.с. змінюється за гармонійним законом

Якщо обертати не один виток, а N витків, з'єднаних послідовно, то тим самим збільшується S (S = NS1), тобто в N раз збільшується знімається напруга.

Процес перетворення механічної енергії в електричну звернемо. Якщо через рамку, вміщену в магнітне поле, пропускати електричний струм, то відповідно до (1.2) на неї буде діяти обертовий момент і рамка почне обертатися. На цьому принципі заснована робота електродвигунів, призначених для перетворення електричної енергії в механічну.

Індукційний струм виникає не тільки в лінійних провідниках, але і в масивних суцільних провідниках, поміщених впеременное магнітне поле. Ці струми виявляються замкнутими в товщі провідника і тому називаються вихровими. Їх також називають струмами Фуко - по імені першого їх дослідника. Токи Фуко, як і індукційні струми в лінійних провідниках, підкоряються правилу Ленца: їх магнітне поле направлено так, щоб протидіяти зміні магнітного потоку, що індукує вихрові струми. Наприклад, якщо між полюсами невключенного електромагніту масивний мідний маятник здійснює практично незгасаючі коливання, то при включенні струму він відчуває сильне гальмування і дуже швидко зупиняється. Це пояснюється тим, що виникли струми Фуко мають такий напрямок, що діють на них з боку магнітного поля сили гальмують рух маятника. Цей факт використовується для заспокоєння (демпфірування) рухомих частин різних приладів. Якщо в описаному маятнику зробити радіальні вирізи, то вихрові струми послаблюються і гальмування майже відсутня.

Вихрові струми крім гальмування (як правило, небажаного ефекту) викликають нагрівання провідників. Тому для зменшення втрат на нагрівання якоря генераторів і сердечники трансформаторів роблять не суцільними, а виготовляють з тонких пластин, відокремлених одна від одної шарами ізолятора, і встановлюють їх так, щоб вихрові струми були спрямовані поперек пластин. Джоулева теплота, що виділяється струмами Фуко, використовується в індукційних металургійних печах. Індукційна піч представляє собою тигель, що поміщається всередину котушки, в якій пропускається струм високої частоти. У металі виникають інтенсивні вихрові струми, здатні розігріти його до плавлення. Такий спосіб дозволяє плавити метали навіть у вакуумі, в результаті чого виходять надчисті матеріали.

Вихрові струми виникають і в проводах, по яких тече змінний струм. Напрямок цих струмів можна визначити за правилом Ленца - напрямок вихрових струмів таке, що вони протидіють зміні первинного струму всередині провідника і сприяють його зміні поблизу поверхні. Таким чином, внаслідок виникнення вихрових струмів швидкозмінних ток виявляється розподіленим по перетину проводу нерівномірно - він як би витісняється на поверхню провідника. Це явище отримало назву скін-ефекту. Так як струми високої частоти практично течуть в тонкому поверхневому шарі, то дроти для них робляться порожніми.

Якщо суцільні провідники нагрівати струмами високої частоти, то в результаті скін-ефекту відбувається нагрівання тільки їх поверхневого шару. На цьому заснований метод поверхневого гарту металів. Змінюючи частоту поля, він дозволяє виробляти загартування на будь-який необхідній глибині.

Схожі статті