вращение рамки в однородном магнитном поле
Вращение рамки в магнитном поле
Явление электромагнитной индукции положено в основу устройств для преобразования механической энергии в энергию электрического тока. Для этой цели используются генераторы. Принцип действия генератора рассмотрим на примере плоской рамки, которая вращается в однородном магнитном поле (рис. 292).
Предположим, что рамка вращается в однородном магнитном поле (Б = const) равномерно с угловой скоростью со = const. Магнитный поток, пронизывающий рамку площадью S, в любой момент времени #, согласно (1) п. 12.1, равен
где a-0)t — угол поворота рамки в момент времени # (начало отсчета выбрано так, чтобы при t = 0 угол а = 0).
При вращении рамки в ней будет возникать переменная ЭДС индукции (см. (1) п. 12.4)
изменяющаяся со временем по гармоническому закону. ЭДС достигает максимального значения, когда sin со# = 1, т.е.
Учитывая (2), выражение (1) можно записать в виде
Таким образом, если в однородном магнитном поле равномерно вращается рамка, то в ней возникает переменная ЭДС, изменяющаяся по гармоническому закону.
Из выражения (2) следует, что а следовательно, и (см. (3)) находятся в прямой зависимости от величин со, Б и Б.
Поскольку частота тока при электропередачах остается постоянной (например, в России стандартная частота тока
v = — = 50 Гц), возможно лишь изменение двух других вели- Zn
чин. Для увеличения В применяют мощные постоянные магниты или электромагниты, по которым пропускают значительный ток, при этом внутрь электромагнита помещают сердечник из материала с большой магнитной проницаемостью р. Увеличивая число витков, тем самым увеличиваем площадь S. Переменное напряжение с вращающегося витка снимается с помощью щеток, схематически изображенных на рис. 292. Процесс превращения механической энергии в электрическую обратим. Если через рамку, помещенную в магнитное поле, пропускать электрический ток, то на нее будет действовать вращающий момент (см. п. 11.1) и рамка начнет вращаться. На этом принципе основана работа электродвигателей, предназначенных для превращения электрической энергии в механическую.
Вращение рамки в однородном магнитном поле
Пусть прямоугольная рамка площадью S вращается в однородном магнитном поле с индукцией 
по часовой стрелке с угловой скоростью w. В начальный момент нормаль к рамке совпадет по направлению с вектором магнитной индукции (рис. 11.22, а).
Рис. 11.22 
За время t рамка повернется на угол a = wt (рис. 11.22, б). Тогда поток магнитной индукции через рамку составит Ф = BScoswt. Вычислим ЭДС индукции по формуле (11.5):
Из формулы (11.7) следует, что:
1) ЭДС индукции изменяется по синусоидальному закону, т.е. вращение рамки с постоянной угловой скоростью в однородном магнитном поле порождает переменный ток;
2) амплитудное значение ЭДС ℰ0 = BSw;
3) максимального значения ЭДС индукции достигается при a = = 90° (когда 
), а минимального – при a = 0 и a = 180° (когда 
).
СТОП! Решите самостоятельно: В19, С15–С17.
Читатель: А если вращать в магнитном поле не рамку, а катушку. имеющую N витков, ЭДС увеличится в N раз?
Автор: Совершенно верно. В этом случае будет справедлива формула
СТОП! Решите самостоятельно: В20–В23.
 Рис. 11.23  Рис. 11.24 | Читатель: Мы рассмотрели случай, когда в начальный момент времени векторы  и сонаправлены. А если они в момент t = 0 составляют некоторый угол a0 (рис. 11.23)? Автор: В этом случае угол a(t) между векторами и в момент времени t будет равен a(t) = a0 + wt, тогда Ф(t) = BSwсos(a0 + wt) и ℰi = – Ф¢(t) = BSwsin(a0 + wt). (11.9) Читатель: А если рамка будет вращаться против часовой стрелки (рис. 11.24)? Автор: В этом случае угол a будет убывать: a(t) = a0 – wt, Ф(t) = BSwcos(a0 – wt), ℰi = – Ф¢(t) = –BSwsin(a0 – wt). (11.10) |
Заметим, что если a0 = 0, то ℰi, вычисленные по формулам (11.9) и (11.10), будут иметь одинаковые значение:
ℰ 
= BSwsinwt = ℰ 
= –BSwsin(0 – wt) = +BSwsinwt,
т.е. если рамка начинает вращаться из положения, когда 
, то независимо от направления вращения справедлива формула (11.7).
СТОП! Решите самостоятельно: В24–В26, С16, С17, D2.
Вращение рамки в магнитном поле
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
изменяющаяся со временем по гармоническому закону. При sinωt=1, Ei максимальна, т.е. Emax=BSω определяет максимальные значения, достигаемые колеблющейся эдс.
Таким образом, если в однородном магнитном поле равномерно вращается рамка, то в ней возникает переменная э.д.с., изменяющаяся по гармоническому закону
Если вращать не один виток, а N витков, соединенных последовательно, то тем самым увеличивается S (S=NS1), т.е. в N раз увеличивается снимаемое напряжение.
Процесс превращения механической энергии в электрическую обратим. Если через рамку, помещенную в магнитное поле, пропускать электрический ток, то в соответствии с (1.2) на нее будет действовать вращающий момент и рамка начнет вращаться. На этом принципе основана работа электродвигателей, предназначенных для превращения электрической энергии в механическую.
Индукционный ток возникает не только в линейных проводниках, но и в массивных сплошных проводниках, помещенных впеременное магнитное поле. Эти токи оказываются замкнутыми в толще проводника и поэтому называются вихревыми. Их также называют токами Фуко – по имени первого их исследователя. Токи Фуко, как и индукционные токи в линейных проводниках, подчиняются правилу Ленца: их магнитное поле направлено так, чтобы противодействовать изменению магнитного потока, индуцирующего вихревые токи. Например, если между полюсами невключенного электромагнита массивный медный маятник совершает практически незатухающие колебания, то при включении тока он испытывает сильное торможение и очень быстро останавливается. Это объясняется тем, что возникшие токи Фуко имеют такое направление, что действующие на них со стороны магнитного поля силы тормозят движение маятника. Этот факт используется для успокоения (демпфирования) подвижных частей различных приборов. Если в описанном маятнике сделать радиальные вырезы, то вихревые токи ослабляются и торможение почти отсутствует.
Вихревые токи помимо торможения (как правило, нежелательного эффекта) вызывают нагревание проводников. Поэтому для уменьшения потерь на нагревание якоря генераторов и сердечники трансформаторов делают не сплошными, а изготовляют из тонких пластин, отделенных одна от другой слоями изолятора, и устанавливают их так, чтобы вихревые токи были направлены поперек пластин. Джоулева теплота, выделяемая токами Фуко, используется в индукционных металлургических печах. Индукционная печь представляет собой тигель, помещаемый внутрь катушки, в которой пропускается ток высокой частоты. В металле возникают интенсивные вихревые токи, способные разогреть его до плавления. Такой способ позволяет плавить металлы даже в вакууме, в результате чего получаются сверхчистые материалы.
Если сплошные проводники нагревать токами высокой частоты, то в результате скин-эффекта происходит нагревание только их поверхностного слоя. На этом основан метод поверхностной закалки металлов. Меняя частоту поля, он позволяет производить закалку на любой требуемой глубине.
Вращение рамки в магнитном поле
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 (рис. 180).
Предположим, что рамка вращается в однородном магнитном поле (В = const) равномерно с угловой скоростью w = const. Магнитный поток, сцепленный с рамкой площадью S, в любой момент времени t, согласно (120.1), равен
где a = wt— угол поворота рамки в момент времени t (начало отсчета выбрано так, чтобы при t = 0 было a = 0).
При вращении рамки в ней будет возникать переменная э.д.с. индукции (см. (123.2))
(124.1)
изменяющаяся со временем по гармоническому закону. При sinwt = l э.д.с. x1, максимальна, т. е.
(124.2)
Учитывая (124.2), выражение (124.1) можно записать в виде
Таким образом, если в однородном магнитном поле равномерно вращается рамка, то в ней возникает переменная э.д.с., изменяющаяся по гармоническому закону.
Из формулы (124.2) вытекает, что xmax (следовательно, и э.д.с. индукции) находится в прямой зависимости от величин w, Ви S. В России принята стандартная частота тока v = w/(2p) = 50 Гц, поэтому возможно лишь увеличение двух остальных величин. Для увеличения Вприменяют мощные постоянные магниты или в электромагнитах пропускают значительный ток, а также внутрь электромагнита помещают сердечники из материалов с большой магнитной проницаемостью m. Если вращать не один, а ряд витков, соединенных последовательно, то тем самым увеличивается S. Переменное напряжение снимается с вращающегося витка с помощью щеток, схематически изображенных на рис. 180.
Процесс превращения механической энергии в электрическую обратим. Если по рамке, помещенной в магнитное поле, пропускать электрический ток, то в соответствии с (109.1) на нее будет действовать вращающий момент и рамка начнет вращаться. На этом принципе основана работа электродвигателем, предназначенных для превращения электрической энергии в механическую.
§ 125. Вихревые токи (токи Фуко)
Индукционный ток возникает не только в линейных проводниках, но и в массивных сплошных проводниках, помещенных в переменное магнитное поле. Эти токи оказываются замкнутыми в толще проводника и поэтому называются вихревыми. Их также называют токами Фуко — по имени первого исследователя.
Токи Фуко, как и индукционные токи в линейных проводниках, подчиняются правилу Ленца: их магнитное поле направлено так, чтобы противодействовать изменению магнитного потока, индуцирующему вихревые токи. Например, если между полюсами невключенного электромагнита массивный медный маятник совершает практически незатухающие колебания (рис. 181), то при включении тока он испытывает сильное торможение и очень быстро останавливается. Это объясняется тем, что возникшие токи Фуко имеют такое направление, что действующие на них со стороны магнитного поля силы тормозят движение маятника. Этот факт используется для успокоения (демпфирования) подвижных частей различных приборов. Если в описан ном маятнике сделать радиальные вырезы, то вихревые токи ослабляются и торможение почти отсутствует.
Вихревые токи помимо торможения (как правило, нежелательного эффекта) вызывают нагревание проводников. Поэтому для уменьшения потерь на нагревание якоря генераторов и сердечники трансформаторов делают не сплошными, а изготовляют из тонких пластин, отделенных одна от другой слоями изолятора, и устанавливают их так, чтобы вихревые токи были направлены поперек пластин. Джоулева теплота, выделяемая токами Фуко, используется в индукционных металлургических печах. Индукционная печь представляет собой тигель, помещаемый внутрь катушки, в которой пропускается ток высокой частоты. В металле возникают интенсивные вихревые токи, способные разогреть его до плавления. Такой способ позволяет плавить металлы в вакууме, в результате чего получаются сверхчистые материалы.
Вихревые токи возникают и в проводах, по которым течет переменный ток. Направление этих токов можно определить по правилу Ленца. На рис. 182, а показано направление вихревых токов при возрастании первичного тока в проводнике, а на рис. 182, б — при его убывании. В обоих случаях направление вихревых токов таково, что они противодействуют изменению первичного тока внутри проводника и способствуют его изменению вблизи поверхности. Таким образом, вследствие возникновения вихревых токов быстропеременный ток оказывается распределенным по сечению провода неравномерно — он как бы вытесняется на поверхность проводника. Это явление получило название скин-эффекта (от англ, skin — кожа) или поверхностного эффекта. Так как токи высокой частоты практически текут в тонком поверхностном слое, то провода для них делаются полыми.
Если сплошные проводники нагревать токами высокой частоты, то в результате скин-эффекта происходит нагревание только их поверхностного слоя. На этом основан метод поверхностной закалки металлов. Меняя частоту поля, он позволяет производить закалку на любой требуемой глубине.
Курс лекций по физике Трофимова Для студентов инженерно-технических специальностей
Вращение рамки в магнитном поле
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 (рис. 180).
Предположим, что рамка вращается в однородном магнитном поле (B=const) равномерно с угловой скоростью w=const. Магнитный поток, сцепленный с рамкой площадью S, в любой момент времени t, согласно (120.1), равен
где a = w t — угол поворота рамки в момент времени t (начало отсчета выбрано так, чтобы при t=0 было a=0). Релятивистское изменение длин и интервалов времени Решение задач по физике
При вращении рамки в ней будет возникать переменная э.д.с. индукции (см. (123.2))
изменяющаяся со временем по гармоническому закону. При sin w t = l э.д.с. максимальна, т. е.
Учитывая (124.2), выражение (124.1) можно записать в виде
Таким образом, если в однородном магнитном поле равномерно вращается рамка, то в ней возникает переменная э.д.с., изменяющаяся по гармоническому закону.
Из формулы (124.2) вытекает, что (следовательно, и э.д.с. индукции) находится в прямой зависимости от величин w, B и S. В России принята стандартная частота тока n = w/(2p) = 50 Гц, поэтому возможно лишь увеличение двух остальных величии. 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 m. Если вращать не один, а ряд витков, соединенных последовательно, то тем самым увеличивается S. Переменное напряжение снимается с вращающегося витка с помощью щеток, схематически изображенных на рис. 180.
Процесс превращения механической энергии в электрическую обратим. Если по рамке, помещенной в магнитное доле, пропускать электрический ток, то в соответствии с (109.1) на нее будет действовать вращающий момент и рамка начнет вращаться. На этом принципе основана работа электродвигателей, предназначенных для превращения электрической энергии в механическую.
Вихревые токи (токи Фуко)
Индукционный ток возникает не только в линейных проводниках, но и в массивных сплошных проводниках, помещенных в переменное магнитное поле. Эти токи оказываются замкнутыми в толще проводника и поэтому называются вихревыми. Их также называют токами Фуко — по имени первого исследователя.
Токи Фуко, как и индукционные токи в линейных проводниках, подчиняются правилу Ленца: их магнитное поле направлено так, чтобы противодействовать изменению магнитного потока, индуцирующему вихревые токи. Например, если между полюсами невключенного электромагнита массивный медный маятник совершает практически незатухающие колебания (рис. 181), то при включении тока он испытывает сильное торможение и очень быстро останавливается. Это объясняется тем, что возникшие токи Фуко имеют такое направление, что действующие на них со стороны магнитного поля силы тормозят движение маятника. Этот факт используется для успокоения (демпфирования) подвижных частей различных приборов. Если в описанном маятнике сделать радиальные вырезы, то вихревые токи ослабляются и торможение почти отсутствует.
Вихревые токи помимо торможения (как правило, нежелательного эффекта) вызывают нагревание проводников. Поэтому для уменьшения потерь на нагревание якоря генераторов и сердечники трансформаторов делают не сплошными, а изготовляют из тонких пластин, отделенных одна от другой слоями изолятора, и устанавливают их так, чтобы вихревые токи были направлены поперек пластин. Джоулева теплота, выделяемая токами Фуко, используется в индукционных металлургических печах. Индукционная печь представляет собой тигель, помещаемый внутрь катушки, в которой пропускается ток высокой частоты. В металле возникают интенсивные вихревые токи, способные разогреть его до плавления. Такой способ позволяет плавить металлы в вакууме, в результате чего получаются сверхчистые материалы.
Вихревые токи возникают и в проводах, по которым течет переменный ток. Направление этих токов можно определить по правилу Ленца. На рис. 182, а показано направление вихревых токов при возрастании первичного тока в проводнике, а на рис. 182, б — при его убывании. В обоих случаях направление вихревых токов таково, что они противодействуют изменению первичного тока внутри проводника и способствуют его изменению вблизи поверхности. Таким образом, вследствие возникновения вихревых токов быстропеременный ток оказывается распределенным по сечению провода неравномерно — он как бы вытесняется на поверхность проводника. Это явление получило название скин-эффекта (от англ. skin — кожа) или поверхностного эффекта. Так как токи высокой частоты практически текут в тонком поверхностном слое, то провода для них делаются полыми.
Если сплошные проводники нагревать токами высокой частоты, то в результате скин-эффекта происходит нагревание только их поверхностного слоя. На этом основан метод поверхностной закалки металлов. Меняя частоту поля, он позволяет производить закалку на любой требуемой глубине.