С.Г. Калашников - Электричество (1115533), страница 62
Текст из файла (страница 62)
силы неэлектростатического происхождения. Поэтому возникает вопрос, какова физическая природа сторонних сил в этом случает Опыт показывает, что ЭДС индукции не зависит вовсе от рода вещества проводника, который может быть как однородным, так и неоднородным, как проводником 1-го рода, так и проводником 2-го рода (электролит). Она не зависит также от состояния проводника и, в частности, от его температуры, которая мо- В жет быть и одинаковой, и неодинаковой вдоль проводника. Это показывает, что в данном случае сторонние силы не связаны с изменением свойств проводника в магнитном поле, а обусловлены самим магнитным полем. Анализируя явление элек- Е тромагнитной индукции, Максвелл заключил, что причи- Рнс 225 Прн изменении магнитнона появления ЭДС индукции го ноля появляется вихревое злекзаключается в возникновении тр" «еское поле Повязанное на черэлектрического поля (рис.
22б) тежо н""Реаленне Е соответствУет возрастанию В а проводники играют второстепенную роль и являются только своего рода прибором, обнаруживающим это поле. Под действием поля электроны прово- 29В В3Аимные преВРАщения ИОлей теОРия мАксВеллА гл хп! димости в проволоке приходят в движение и, если проволока замкнута, в ней возникает индукционный ток.
Существенная особенность рассматриваемого явления заключается в том, что возникающее электрическое поле не является электростатическим. Линии напряженности электростатического поля всегда разомкнуты; они начинаются и заканчиваются на электрических зарядах, в соответствии с чем напряжение по замкнутому контуру в электростатическом поле всегда равно нулю. По этой причине электростатическое поле не может поддерживать замкнутое движение зарядов и, следовательно, не может привести к возникновению электродвижущей силы. Напротив, электрическое поле, возникающее при электромагнитной индукции, имеет непрерывные линии напряженности, т.е. представляет собой вихревое поле Такое поле вызывает в проволоке движение электронов по замкнутым траекториям и приводит к возникновению электродвижущей силы — сторонними силами являются силы вихревого электрического поля.
Электрическое напряжение по замкнутому контуру в таком поле не равно нулю; его значение между двумя какими-либо точками уже не определяется только положением этих точек, как было в случае электростатического поля, но зависит еще от форма! контура (проводника), соединяющего данные точки (ср. 9 133). Таким образом, углубленное истолкование явления электромагнитной индукции приводит к следующему выводу, выражающему первое основное положение тео- рии Максвелла.
всякое изменение магнитного поля вмзываегп появление вихревого электрического поля. Полученный результат можно выразить в количественной форме Согласно основному закону электро магнитной индукции (3 91) ЭДС индукции равна быстроте изменения ряс 226 к фериулнреяяе магнитного потока уравнения Максвелла Ж = -аФ/сЫ, (131.1) где Ф -- поток магнитной индукции В через площадь В, ограниченную рассматриваемым контуром 1 (рис.
226). (131. 2) С другой стороны, согласно 9 69, электродвижущая сила, действующая в каком-либо контуре 1, равна (131.3) 299 вихгввыв тОки 1 1зз где Е' — напряженность поля сторонних сил. В данном случае Е' есть напряженность вихревого электрического поля Е. Поэтому, подставляя (131.3) с Е" = Е в (131.1),находим (131.4) Это соотношение выражает количественную связь между изменяющимся магнитным полем (В) и вихревым электрическим полем (Е) и является одним из основных уравнений в теории Максвелла.
Напомним, что в формуле (131.1) мы приписываем магнитному потоку определенный знак, зависящий от выбора положительного направления нормали и к площадке Я, Это направление нормали определяет и знак ЭДС, который связан с направлением и правилом правого буравчика (9 91). Поэтому и в уравнении Максвелла (131.4) направление нормали и и направление обхода по контуру 1 связаны также правилом правого буравчика. Поясним сказанное на примере. На рис. 226 указано выбранное направление нормали и и соответствующее ему направление обхода контура 1.
Если вектор В направлен параллельно и (или составляет с и острый угол), то поток Ф будет положителен. Если при этом магнитное поле увеличивается, то НФ/й ) О и из (131.4) следует, что у Е~ й ( О. Это значит, что вихревое электрическое поле направлено против отмеченного направления обхода контура. 9 132. Вихревые токи Если в переменном магнитном поле находится какой-либо массивный проводник, то вихревое электрическое поле вызывает в нем индукционный ток Плотность этого тока в какой-либо точке проводника по закону Ома равна 3 = ЛЕ. Так как линии напряженности Е замкнуты, то и линии тока также замыкаются внутри проводника, отчего такие токи получили название вихревых глоков.
Вихревые токи вызывают нагревэние проводников. Если внутри катушки с переменным током поместить проводящее тело, например, металлический диск, ориентированный перпендикулярно к оси катушки, то диск можно раскалить до высокой температуры и расплавить. Нагревание проводников вихревыми токами применяют в индукционных металлургических печах для плавления металлов и приготовления их сплавов Небольшие индукционные печи ши- 300 Взаимные ЛРВВРАщениЯ пОлей теОРиЯ мАксВеллА Гл хп1 роко используются в лабораторной и заводской практике для прокаливания металлов в вакууме и для других целей, Вихревые токи возникают также при движении массивных проводников в магнитном поле. Взаимодействуя с магнитным полем, вихревые токи вызывают появление сил, действующих на движущееся проводящее тело, которые, согласно закону Ленца, всегда противодействуют движению.
Это тормозящее действие позволяет также легко обнаружить вихревые токи. На рис. 227 показан маятник в форме массивной чечевицы из красной меди, которая при колебаниях ма- ~'! ятника проходит между полюсами электромагнита. При выключенном электромагните маятник колеблется вследствие большой массы с очень малым затуханием, но при включеРнс 227 Метаялнчесянй ма- нии электромагнита резко останавлиятннк тормозится в магнит- вается.
ном поле вследствне образо- Если медной монете предоставить ванна вихревых потоков возможность свободно падать без на- чальной скорости между полюсами сильного электромагнита, то она движется почти равномерно с ничтожной скоростью порядка 1 см/с, как если бы движение происходило в очень вязкой среде.
Если расположить медный диск вблизи постоянного магнита и привести магнит во вращение, то диск начинает вращаться в ту же сторону,что и магнит (рис. 228). Взаимодействие вихревых токов с магнитным полем подчиняется третьему закону Ньютона. Поэтому, если в последнем опыте вращать вместо магнита диск, то магнит приходит также во вращение.
Силы, вызываемые вихревыми токами и действующие на движущиеся проводники в магнитном поле, используются во многих измерительных приборах (электрические Рнс Язв медны" счетчики, электромагнитное успокоение вблизи вращагощегоизмерительных приборов, тахометры и др.). В некоторых технических устройствах вихревые токи играют вредную роль. Так, например, в железных сердечниках трансформаторов и вращающихся частях электрических генераторов возникающие вихре- р 1аз ТРАНСФОРМАТОР вые токи вызывают бесполезное нагревание и снижают КПД этих устройств Для ослабления вихревых токов такие детали изготовляют из тонких листов, разделенных тончайшими слоями изолятора таким образом, чтобы изолирующие прослойки пересекали возможные линии вихревых токов.
Сущность этого приема разъясняется опытом, изображенным на рис. 229. Подвесим кубик, б набранный из тонких металлических пластинок, на нити, поместим его между полюсами электромагнита и, закрутив предварительно нить, буРис 229 Ослабление вихревых токов в дем наблюдать вращение учао а вихревые оки знач е ьио кубика при раскручива- бее „еыв случае с иии нити Если подвесить кубик в положение а, то изолирующие прослойки будут пересекать линии вихревых токов (одна из них показана штриховой линией). В этом случае вихревые токи возникают только в пределах каждой из пластинок; их действие очень слабо, и кубик свободно вращается с большой угловой скоростью.
Если же подвесить кубик в положение б, то прослойки будут параллельны линиям вихревых токов и не будут мешать образованию токов. Кубик будет вести себя так, как если бы прослоек не было, и будет поворачиваться очень медленно из-за тормозящего действия вихревых токов. й 133. Трансформатор Трансформатор представляет собой устройство, предназначенное для преобразования напряжения и силы переменного тока. Он имеет сердечник (обычно замкнутой формы) из мягкого железа или иного магнитно-мягкого ферромагнетика, который несет на себе две обмотки — первичную и вторичную (рис. 230). Концы первичной обмотки 1А'1 А'1 ~1 (вход трансформатора) подключены к / сети питающего переменного тока, а концы вторичной обмотки (выход)— к потребителям электрической энергии.
Рис гЗО т н фо ыа ЭДС электромагнитной инДУкЦии, воз- "' 'Ю Ране 'Р""'Р пинающая во в Оричной Обмотке,'пропорциональна числу витков в ней, и поэтому, изменяя это число витков, можно изменять в широких пределах напряжение на выходе трансформатора 302 ВЗАимныВ пРВВРА1цения ИОлей теОРиЯ максвеллА Гл хп! Трансформаторы играют огромную роль в современной электротехнике. В мощных линиях электропередачи в настоящее время почти исключительно применяют высокие напряжения (тысячи и десятки тысяч вольт). Это позволяет уменьшить силу тока в линии, а значит, и сечение проводов, что приводит к сильному снижению стоимости сооружения линий электропередачи.
Однако конструировать генераторы (так же как и различные приборы, потребляющие электрическую энергию), рассчитанные на высокие напряжения, весьма трудно, так как необходимо обеспечить хороп1ую изоляцию обмоток. Поэтому электрические генераторы строят на низкое напряжение и затем это напряжение увеличивают при помощи повышающих трансформаторов. В местах же потребления электроэнергии ток высокого напряжения преобразуют при помощи понижающих трансформаторов в токи низкого напряжения (110, 220 В и др.).
Трансформаторы имеют высокий коэффициент полезного действия, доходящий до 99%, и не содержат никаких движущихся частей, поэтому они являются весьма удобными техническими устройствами. Трансформатор является хорошим примером техническою использования вихревого электрического поля. Именно это поле приводит в движение электроны во вторичной обмотке и служит причиной возникновения в ней ЭДС. Отметим, что магнитный поток, создаваемый первичной обмоткой, практически сосредоточен внутри сердечника трансформатора, в то время как вих- ревое электрическое поле о существует как внутри сер- 1 дечника, так и снаружи Поэтому ЭДС во вторичной обмотке возникает и при нат' личин зазора между сердечником и обмоткой.
Пользуясь трансформа'т тором, легко проверить на опыте, что в вихревом электрическом поле напряжение рнс 231 В вихревом электрическом по- между двумя точками завиле трансформатора напряжение зависит сит от формы соединяющеот формы контура го их контура (ср. 3 131). Для этого нужно сделать вторичную обмотку с малым чисаом витков (один-два) и присоединить к ее концам а и б (рис. 231) вольтметр один раз так, чтобы провода вольтметра располагались вне трансформатора (сплошные линии), а в другой раз — проходили внутри трансформатора, охватывая его сердечник (штриховая линия).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
