НАЗАД НАЗАД НА СТРАНИЦУ

 

 

4. Применение явления электромагнитной индукции.

Но всё же где в настоящее время применяется явление электромагнитной индукции? Влияние электромагнитной индукции находит широкое применение в технике. Назову лишь несколько технических устройств, в которых оно используется: индукционные генераторы тока, индукционные плавильные печи, трансформаторы, индукционные насосы, индукционные индукторы для поверхностной закалки металлических изделий, индукционные датчики перемещений, индукционные дефектоскопы, счетчики электроэнергии, электродинамические микрофоны и многие другие.

Рассмотрим в качестве примера принципы устройства и работы некоторых из перечисленных устройств.

Индукционная плавильная печь используется для плавления металлов. Схема устройства печи показана на рисунке 6*. Вокруг индуктора, по которому проходит переменный ток, существует переменное магнитное поле. Это переменное поле индуцирует в металле, находящемся в тигле, индукционные токи, нагревающие его. Вместимость печей составляет от долей килограмма до сотен тонн. Различают тигельные и канальные индукционные печи. Достоинства индукционных печей: возможность получения очень чистых металлов, быстрое нагревание, возможность плавной регулировки температуры, возможность ведения плавки в среде инертных газов и в вакууме.

Электродинамический микрофон - устройство для преобразования звуковых колебаний в электрические в телефонных аппаратах, устройствах звукозаписи, системах радиовещания. Устройство микрофона схематически показано на рисунке 7**. В зазоре постоянного магнита находится очень легкая катушка 2, жёстко соединённая с диафрагмой 3. Диафрагма с помощью „воротника“ 4 крепится к корпусу микрофона. Катушка с помощью гибких проводников 5 соединяется с изолирующей пластиной, укреплённой на корпусе микрофона.

Под действием звуковых волн диафрагма 3 , а вместе с ней и катушка 2 (которую часто называют звуковой) приходит в колебание. В результате в катушке индуцируется поле с ЭДС, пропорциональной силе звукового давления.

Трансформатор — это статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной системы переменного тока в другую систему переменного тока (без изменения частоты). Трансформатор состоит из магнитной системы и обмоток.

Магнитная система (магнитопровод) трансформатора представляет собой комплект пластин из ферромагнитного материала (из электротехнической стали), собранных в определённой геометрической форме. Эта система служит для сосредоточения в магнитопроводе магнитного поля. Магнитопроводы трансформаторов 1,5 кВ*А имеют прямоугольную форму, причём соотношение высоты стержня и длины ярма находится в пределах от 1,2 до 2. Их изготовляют из электротехнической стали толщиной от 0,35 до 0,5 мм.

Обмотка трансформатора состоит из определённого количества витков медного или алюминиевого изолированных проводов, намотанных в форме катушки. В трансформаторе может быть две или несколько обмоток.

В трёхфазном трансформаторе под обмотками подразумевают совокупность трёх фаз, соединённых звездой или треугольником.

Когда одну из обмоток (её называют первичной) подключают к источнику переменного тока, тогда в этой обмотке возникает ЭДС самоиндукции E1, а в другой (её называют вторичной) — ЭДС индукции E2.

Если не учитывать падение напряжения в обмотках трансформатора, значение которого очень мало, то формулы можно записать так:

E1=U1 и E2=U2

где U1 — напряжение на первичной обмотке;

U2 — напряжение на вторичной обмотке.

Из курса физики известно, что трансформатор

где w1 — число витков на первичной обмотке;

w2— число витков на вторичной обмотке.

Отношение E1/Е2 для данного трансформатора — величина постоянная, и её называют коэффициентом трансформации ( k ).

Если U1>U2 то трансформатор понижающий, если U1<U2 то — повышающий. Один и тот же трансформатор можно использовать как для понижения, так и для повышения напряжения.

Из опыта и путём расчётов можно убедиться, что если пренебречь (из-за незначительности по значению) потерями энергии в самом трансформаторе, то можно записать:

Р1=Р2

где Р1 — мощность тока в первичной обмотке;

Р2 — мощность тока во вторичной обмотке.

Тогда соотношение силы токов и напряжений в обмотках трансформатора можно выразить формулой:

трансформатор2

Мощность тока в первичной и вторичной обмотках одинаковы лишь в идеальном случае. Практически же часть энергии бесполезно расходуется на нагревание обмоток и магнитопровода. В этом случае обычно говорят о потере энергии, хотя энергия, конечно, не теряется, а бесполезно расходуется на нагревание трансформатора. Потери энергии в обмотках, которые согласно закону Джоуля-Ленца зависят от электротехнического сопротивления (активного сопротивления) обмоток и силы тока, проходящего по ним, называют потерями в меди. Принято говорить о мощности потерь в меди — Рм. В процессе работы трансформатора его сердечник перемагничивается (явление гистерезиса), на что также расходуется энергия. Кроме того, в сердечнике индуцируются вихревые токи, нагревающие сердечник. Расход энергии на перемагничивание сердечника (потери на гистерезис) и на нагревание сердечника вихревыми токами (потери на вихревые токи) называют потерями в стали. Принято говорить о мощности потерь стали — Рст. Вследствие того что часть энергии в трансформаторе теряется, мощность тока во вторичной обмотке меньше мощности тока в первичной обмотке.

Отношение мощности тока во вторичной обмотке к мощности тока в первичной обмотке называют коэффициентом полезного действия трансформатора. КПД трансформатора большой — примерно 99-99,5%. КПД трансформатора определяют опытным путём, измеряя мощности тока в обмотках или мощности потерь энергии в обмотках и магнитопроводе. Поэтому формула для нахождения КПД трансформатора (h ) выглядит так:

трансформатор_3

Различают два режима работы трансформатора: холостой ход и работу под нагрузкой.

Холостым ходом трансформатора называют такой режим его работы, при котором первичная обмотка находится под минимальным напряжением, а вторичная — разомкнута, т. е. сила тока и мощность в ней равны нулю. Сила тока в первичной обмотке при холостом ходе в десятки раз меньше номинальной. Поэтому очень малы потери энергии в меди. Так как напряжение на первичной обмотке номинальное, то при холостом ходе потери в стали такие же, как и при номинальном режиме работы трансформатора под нагрузкой.

При работе трансформатора под нагрузкой, т. е. при включении электроприёмника в цепь вторичной обмотки, напряжение на первичной обмотке остаётся почти неизменным, а сила тока в ней изменяется пропорционально изменению силы тока во вторичной обмотке. Следовательно, например, при увеличение силы тока во вторичной обмотке увеличивается потребляемая электроприёмником энергия, а значит, увеличивается и мощность, потребляемая трансформатором от источника тока, т. е. от электрической сети, в которую включена первичная обмотка трансформатора (проявление закона сохранения энергии). Данное явление объясняют следующим образом: абсолютное значение суммарного магнитного потока в сердечнике — постоянная величина; ток, проходящий по вторичной обмотке, создаёт магнитный поток, который согласно правилу Ленца направлен против магнитного потока, создаваемого током первичной обмотки; если, например, увеличивается сила тока во вторичной обмотке, то увеличивается и магнитный поток в ней, а значит, должен увеличиваться и магнитный поток, создаваемый током первичной обмотки; последнее возможно лишь при увеличении силы тока в первичной обмотке.

КЛАССИФИКАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Трансформатор называют силовым, если он предназначен для преобразования электрической энергии в электрических сетях для непосредственного питания электроприёмников.

Силовые трёхфазные трансформаторы применяют при передачи электрической энергии на большие расстояния. Такие трансформаторы устанавливают на электрических подстанциях, в распределительных устройствах, на трансформаторных пунктах. Силовые однофазные и трёхфазные трансформаторы применяют для питания отдельных электроприёмников или их групп.

ТЕСЛА ТРАНСФОРМАТОР — электрическое устройство трансформаторного типа, служащее для возбуждения высоковольтных (до 106 В) колебаний высокой частоты (до 1,5·105 Гц); состоит из бессердечникового трансформатора, разрядника и электрического конденсатора. Изобретен в 1891 Н. Теслой. Используется в демонстрационных целях.

АВТОТРАНСФОРМАТОР — электрический трансформатор с одной обмоткой, имеющей несколько выводов для подключения к источнику переменного тока и к нагрузке. Мощные автотрансформаторы применяются для связи электрических сетей, имеющих близкие значения напряжений, маломощные регулируемые — в лабораторной практике.

Существуют также специальные трансформаторы — сварочные, измерительные и др.

В зависимости от количества обмоток различают двух-, трёх и многообмоточные трансформаторы. По форме магнитной системы трансформаторы бывают стержневыми и броневыми.

Во время работы обмотки и магнитопровод трансформатора нагреваются. Это вредно для трансформатора. Поэтому трансформаторы снабжают системой охлаждения естественной (воздушная, масляная) или искусственной (принудительная циркуляция масла).

Изобретателем первого в мире трансформатора по праву считается Усагин Иван Филиппович (1855-1919), российский физик-самоучка. В 1882 году изобрел трансформатор, усовершенствовал ртутный вакуумный насос, сконструировал ряд приборов для изучения электрических разрядов в газах. Мастер цветной фотографии.

При пользовании трансформаторами нужно строго соблюдать правила техники безопасности. Необходимо также учитывать специфические требования, предъявляемые в данном случае, надо следить, чтобы мощность подключаемых электроприёмников не превышала номинальной мощности трансформатора, при включении надо сначала подключить трансформатор к сети, а затем к нему подключить с помощью выключателя заранее присоединенный электроприёмник; отключать (выключателем) надо сначала электроприёмник от трансформатора, а затем трансформатор от сети.

Индукционные насосы предназначены для перемещения проводящих жидкостей (например, расплавленных металлов). Движение жидкости происходит в результате взаимодействия индукционных токов, возникающих в ней, с переменным магнитным полем, их вызывающим.

Массивные проводники имеют очень малое сопротивление (трансформатор_4). Если проводники окажутся в переменном магнитном поле, то возникшая в них ЭДС индукции создаёт значительные токи. Это используется для нагревания и плавления металлов. Проведем опыт. На обмотку трансформатора надеваем медное кольцо с жёлобом, в нём можно расплавить олово. Трансформатор — источник переменного магнитного поля.

Токи Фуко используют в успокоительных системах электроизмерительных приборов. Гашение колебаний стрелки достигается следующим образом: рамка с намотанным на неё проводником поворачивается в магнитном поле. При возникновении колебаний в каркасе рамки создаётся индукционный ток, который своим магнитным полем тормозит колебания рамки.

В настоящее время на всех автомобилях установлены индукционные спидометры. При помощи гибкого вала вращательное движение передаётся от двигателя к спидометру, который установлен на общем приборном щитке. На конце гибкого вала, находящегося в спидометре укрёплен небольшой подковообразный магнит. Перед магнитом находится диск, ось которого помещена в шариковые подшипники. При вращении магнита в диске наводятся вихревые токи. Магнитное поле этих токов приводит диск во вращательное движение. К оси диска прикреплена спиральная пружина, которая противодействует вращению диска. В результате этого диск поворачивается на некоторый угол ~ u вращения магнита, а следовательно, и скорости движения автомашины. К оси диска прикреплена стрелка которая по специально проградуированной шкале показывает скорость автомобиля.

Способы ослабления токов Фуко.

Чтобы усилить магнитный поток катушек, двигателей, генераторов и др., в них помещают стальные сердечники. Все эти устройства работают при переменных магнитных полях, то в сердечниках возникают значительные токи. В маломощных устройствах это приведёт к потерям энергии на нагревание сердечника, а в мощных — к выходу из строя катушек. Уменьшить токи Фуко можно, увеличив сопротивление сердечника для этого сердечники делают не сплошными, а состоящими из отдельных пластин, изолированных друг от друга. Изолируют специальным лаком или тонкой бумагой, пропитанной лаком.

Очень интересен опыт Аркадьева по сверхпроводимости.

Свинцовая чаша с жидким гелием находится в сверхпроводимом состоянии. При движении магнита к чаше в ней возникают вихревые токи, которые противодействуют падению магнита. Пока чаша находится в сверхпроводимом состоянии, магнитное поле вихревых токов поддерживает магнит и он “парит” над чашей.

НАЗАД ДАЛЕЕ

 

 

 

Hosted by uCoz