Transcript ЕЛЕКТРОМАГНИТНА ИНДУКЦИЯ

Електромагнетизъм
Майкъл Фарадей
1791-1867
• Електромагнитна индукция. Закон
на Фарадей. Правило на Ленц
• Променлив ток.
•Работа и мощност на променливия
ток
• Трансформатори
Електромагнитна индукция. Закон на
Фарадей
Опит 1. В намотка, свързана с галванометър, вкарваме и
изкарваме постоянен пръчковиден магнит. По този начин се
променя магнитният поток, създаден от магнита и пресичащ
повърхността, ограничена от проводника.
Стрелката на галванометъра
се отклонява ту в едната, ту в
другата посока в зависимост
от посоката на движение на
магнита. Големината на
отклонението е
пропорционална на скоростта
на движение на магнита.
Опит 2. Индуциране на ЕДН в проводник при промяна на
магнитния поток, създаван от променлив ток, течащ в
друг проводник(проводникова намотка, соленоид).
G
• При включване и изключване на К,
стрелката на галванометъра G се
отклонява в различни посоки.
N
L
R
К
• При промяна на тока в намотката
чрез реостата R стрелката отново се
отклонява, като отклонението й зависи
от посоката на тока и скоростта с
която движим плъзгача на реостата.
• Ако токът е постоянен, стрелката не
се отклонява.
Извод:
Независимо от източника на магнитно
поле
(постоянен магнит или соленоид),
всяко изменение на магнитния поток
през проводника, индуцира в него ЕДН
с големина, пропорционална на
скоростта
на изменението на магнитния поток
и посока, определена по правилото на
Ленц.
Правило на Ленц.
Посоката на индуцирания ток в затворен
проводников контур зависи от това дали расте или
намалява магнитното поле, пронизващо контура,
а така също от посоката на индукционните линии
на магнитното поле относно контура. През 1833 г.
руският физик Емил Ленц установява общо
правило за посоката на индуцирания ток:
Посоката на индуцирания ток е такава, че
неговото магнитно поле се противопоставя
на изменението на магнитното поле, което го
поражда.
А) Когато магнитът се приближава към металният
пръстен нараства броят на индукционните линии,
преминаващи през пръстена. В пръстена се индуцира
ток, чиято посока, съгласно с правилото, е такава, че
магнитното поле на тока да се противопостави на това
нарастване.
Следователно индуцираните линии на магнитното поле
на тока трябва да са насочени срещу индукционните
линии на полето на постоянният магнит.
Б) При отдалечаване на магнита броят на
индукционните линии, преминаващи през пръстена,
намалява. Съгласно с правилото на Ленц, индуцираният
ток се стреми да поддържа броя на индукционните
линии постоянен, т.е. противопоставя му се. Затова
индукционните линии на полето на тока имат същата
посока, като индукционните линии на полето на
магнита. Следователно посоката на индуцираният ток е
противоположна на посоката от първия случай.
начало
Променлив електричен ток
Електричен ток, който
се изменя с времето по
големина и посока, се
нарича променлив ток.
Електрическите лампи в
домовете и на уличното
осветление, хладилниците,
прахосмукачките,
телевизорите, нагревателните
уреди, електродвигателите,
привеждащи в движение
различните производствени
машини, използват променлив
ток.
Генератори за променлив ток
Променливият ток се произвежда от
електрически машини, които превръщат
механичната енергия на въртене в
електрическа енергия, използвайки
принципа на електромагнитната индукция.
Тези машини се наричат генератори.
Техническият генератор се състои от две
основни части: неподвижна част (статор) и
подвижна въртяща се част (ротор).
Сърцевината им е изработена от специална
листова стомана. В канали от вътрешната
част на статора се поставят проводниците
на намотката, в която се индуцира ел. ток.
Роторът представлява електромагнит и
служи за създаване на магнитно поле.
Намотката на електромагнита се захранва
от източник на постоянен ток с помощта на
пръстени и четки. При завъртане на ротора
чрез външна сила се завърта и създаденото
от него магнитно поле. В съответствие със
закона на Фарадей в намотката на статора
ще възникне променливо ЕДН. Ако
намотката е свързана с консуматор, ще
протича ел. ток.
Турбогенератори - за
привеждането им във
въртене се използват парни,
водни, вятърни или др. турбини.
(на снимките-хидрогенеретори)

Модел на най-прост генератор е
правоъгълна проводникова
рамка, чиито краища чрез две
графитни четки и два пръстена
са свързани с външната ел.
верига. Рамката е поставена в
хомогенно магнитно поле.
Промените на електричния ток
и индуцираното
електродвижещо напрежение
(ЕДН) могат да се наблюдават
на електронен осцилоскоп.



Графиката показва как се
изменя големината на
индуцирания ток и
напрежението във външната
верига с въртенето на
рамката:
Когато намотката е изправена,
ток не се създава.
Когато тя се завърти, започва
да тече ток, който отначало се
увеличава, а после отново
намалява.
След половин оборот токът
започва да тече в обратна
посока, като се изменя по
същия начин.
Всяка секунда в
електроцентралите се
извършват 50 такива цикъла
на двупосочно изменение на
тока.
Графиката, която се
наблюдава на екрана на
електронния осцилоскоп. Тя
представлява крива
вълнообразна линия, която
се състои от редуващи се
участъци с еднаква форма.
Нарича се синусоида.
Графиките на
зависимостта на
индуцирания ток и на
индуцираното
електродвижещо
напрежение от времето са
подобни една на друга.
Видът им показва, че и
двете величини се
променят периодично, т.е.
стойностите им се
повтарят през равни
интервали от време.
Основни характеристики на
променливия ток



Период (Т) – интервалът от време,
през който се повтарят стойностите
на тока и напрежението и техните
посоки.(на посочените графики
Т=0,02 s)
Честота () – броят на пълните
изменения на тока и напрежението за
единица време (1s).
Следователно, между периода и
честотата на променливите
електрични величини съществува
математическата връзка:
1
 
T
В чест на немския физик Хенрих
Херц единицата за честота се нарича
херц (Hz ).
Периодът на променливия ток,
който се използва в промишлеността
и домакинствата, е Т=0,02 s. Честотата за нашата и много други страни
е =50 Hz.


Моментни стойности –
стойностите на тока,
напрежението и
индуцираното
електродвижещо напрежение
(ЕДН) в кой да е момент от
време. Означават се
съответно с малките букви i,
u и ε.
Максимални (амплитудни)
стойности – най-големите
стойности, които достигат
променливият ток,
променливото напрежение и
променливото ЕДН.
Означават се съответно с Im,
Um, εm .

Ефективни стойности
В един консуматор, който
използва променлив ток,
заедно с тока и
напрежението бързо се
променя и мощността на
тока. В практиката
обикновено ни интересува
резултатът от действието на
тока за интервали от време,
които са много по-големи от
периода на променливите
величини. Доказва се, че
познатите ни закони за
постоянния ток запазват
своята валидност и при
променливия, ако в тях се
използват т.нар. ефективни
стойности на величините.

За да запазят познатите ни закони вида си,
ефективните стойности означаваме със същите
букви, използвани и при постоянния ток I, U, ε
По определение ефективните стойности на
променливите ток, напрежение и ЕДН се получават,
като техните амплитудни стойности се разделят с √2:
m
Um
Im
 0,707. m
 0,707.U m  
I
 0,707.I m U 
2
2
2
Скалите на уредите за променливи ток и напрежение
(амперметри и волтметри) са разграфени така, че да
показват ефективните стойности на измерваните
величини. Т. напр., ако волтметърът показва, че
напрежението на мрежата е 220 V, това означава, че
220 V е ефективното напрежение, а максималното е
220.√2 = 308 V.
начало
Работа и мощност на променливия ток


Eлектричните вериги с променлив ток
съдържат същите елементи, както и
постояннотоковите-източник на
електрична енергия, консуматори
(резистори), съединителни проводници,
измервателна апаратура. Процесите и
явленията в двата вида вериги се
различават съществено. Променливото
напрежение обуславя променлив ток,
предизвиква промени в електричните и
магнитните полета, в тяхната енергия и т.н.
Съпротивлението на резисторите
 Когато към веригата се
(консуматорите), включени в
приложи променливо
променливотоковата верига се нарича
напрежение u, в нея протича
ефективно съпротивление R променлив ток i, които се
съпротивлението, което определяме по
изменят в синхронпознатата формула
едновременно достигат своите
минимални и максимални
стойности.
Работа и мощност на променливия ток

В електричните вериги за променлив ток, в които
е включен резистор (консуматор) със
съпротивление R, моментните и максималните
стойности на тока и напрежението могат да се
определят по закона на Ом:

Същият вид законът на Ом има и за ефективните
стойности на тока и напрежението:
U
I
R




При променливите стойности на тока и напрежението
скоростта на преобразуване на електричната енергия в
консуматора, т.е. мощността, също се изменя. Моментната
стойност на мощността на тока във верига с резистор както
при постоянния ток е равна на произведението на
напрежението и тока (p=u.i). Максималната стойност на
мощността е Pm = UmIm .
За практиката има значение средната стойност на мощността
, която се нарича ефективна мощност.
Eфективната мощност се получава по същия начин от
ефективните стойности на тока и напрежението: P  UI
В променливотоковите вериги с резистор ефективната
мощност може да се определи по следните формули:
U2
P  UI  I R 
R
2

Ефективните стойности на променливия ток не
се променят с течение на времето. С тяхна
помощ формулата за работа на променливия
ток и законът на Джаул-Ленц се записват по
същия начин както при постоянния ток:
A  IUt
Q  A  IUt
Количеството преобразувана енергия в един
консуматор за дадено време е:
W  A  Pt
начало
Трансформатори

Електрическите лампи и повечето
електродомакински уреди работят
нормално само ако са включени към
променливо напрежение 220 V. Но ако
със същото напрежение се захранят
електричният звънец,електронният
калкулатор или телефонният апарат, те
ще се повредят.
В промишлените предприятия се работи
с електроуреди (поялници, пробивни
машини и др.), които с цел безопасност
се захранват с променливо напрежение
36 V.
В посочените случаи е необходимо
напрежението в мрежата да се
преобразува (трансформира) в пониско, с подходяща стойност.

Пренасянето на електричната енергия на големи разстояния е
свързано със значителни топлинни загуби, които съгласно закона на
Джаул-Ленц (Q = I2Rt) са пропорционални на квадрата на големината
на тока. За да се намалят загубите, е необходимо да се намали токът в
електропроводите при пренасянето на електричната енергия без да се
намалява пренасяната мощност (P= UI). Следователно, трябва да се
увеличи напрежението толкова пъти, колкото пъти се намалява токът.
Поради тези съображения напреженията на
далекопроводите са многократно по-високи (110, 220, 400,
750 kV) и се налага повишаване на напрежението на
генератора до тази стойност.
Устройствата, които се използват за повишаване или
намаляване на напрежението на различните
източници на променлив ток, се наричат
трансформатори.
Трансформаторът се състои от
затворена феромагнитна
сърцевина, на която са надянати
две намотки с различен брой
навивки. Едната от тях, свързана
с източника на променливо ЕДН,
се нарича първична намотка (с n1
на брой навивки). Към другата се
включва консуматор и тя се
нарича вторична намотка (има n2
на брой навивки).
Трансформаторите не съдържат
движещи се части и имат много
голям КПД (достигащ до 99 %).
Това ги прави незаменими
технически устройства с широко
приложение.
Действието на
трансформатора се основава
на явлението
електромагнитна индукция.
При протичане на
променлив ток в
първичната намотка
възниква променливо
магнитно поле, което
индуцира ЕДН във
вторичната намотка.
Феромагнитната сърцевина
концентрира магнитното
поле така, че почти всички
индукционни линии се
затварят вътре в нея.
Отношението между
напреженията в двете
намотки (на входа и на изхода
на трансформатора) е равно
на отношението на броя на
навивките им:
U 1 n1

k
U 2 n2

•
•

Величината k характеризира трансформатора и се
нарича коефициент на трансформация.
Ако k > 1, напрежението на първичната намотка е
по-високо от напрежението на вторичната (U1 >
U2) и трансформаторът се нарича понижаващ.
При k < 1 (U1 < U2) и трансформаторът се нарича
повишаващ.
Мощностите на тока в двете намотки практически
са еднакви (Р1≈Р2 ). Тогава: I1U1 = I2U2 , откъдето
следва:
U1 I 2 1


U 2 I1 k
Следователно, токовете в двете намотки са
обратно пропорционални на напреженията.
Електроенергийна система
Електроенергийната система на страната се състои от следните
звена:
 Електроцентрали – топлинни (ТЕЦ), водни (ВЕЦ), атомни
(АЕЦ) и др.
 Електрически мрежи, които включват: подстанции
(трансформаторни, разпределителни) и електропроводни
линии.
 Електрически консуматори – промишлени и битови.
 Спомагателна апаратура, осигуряваща включването,
изключването, защитата, регулирането и измерването на
електрическата енергия.
Чрез обединяването на електроенергийните мрежи се постига
захранването на консуматорите от всички електроцентрали и
става възможно изключването на някои от тях (особено през
нощта), когато голяма част от консуматорите са изключени.

Пренасянето на електроенергия се осъществява
на няколко етапа: първо, в електростанцията,
чрез повишаващ трансформатор напрежението
от генераторите (6–20 kV) се повишава до 200–
800 kV и се подава на електропровода. На
другия му край, при консуматорите, чрез
понижаващи трансформатори в градските
подстанции и трафопостове, напрежението се
намалява до 220 V
400kV
12kV
12kV
топлоцентрала
подстанция –
пов. трансф.
линия високо
напрежение
220V
линия ниско
потребител
напрежение
подстанция –
пониж. трансф.
пониж. трансф.
Въпроси и задачи:
1.
Какво представлява явлението електромагнитна
индукция? Отговор:
Явлението, при което при промяна на магнитното поле през повърхността ,
ограничена от затворен проводников контур, в проводника възниква
електричен ток, се нарича електромагнитна индукция (ЕМИ).
2.
От каква зависи големината на индуцираното ЕДН в
затворен проводников контур? Отговор:
Големината на индуцираното електродвижещо напрежение в проводников
контур зависи пропорционално от скоростта на изменение на магнитното поле
(магнитния поток) през повърхността, заградена от контура. (Закон на
Фарадей)
3.
Ако имаме затворена верига с проводникова намотка и
лампичка, как с помощта на постоянен пръчковиден
магнит ще накараме лампичката да светне? Отговор:
Като вкарваме и изкарваме достатъчно бързо магнита в намотката.
4.
Кой ток се нарича променлив? Отговор:
Електричен ток, който се изменя с времето по големина и посока, се нарича
променлив ток.
5.
Кои са характеристиките на променливия ток? Отговор:
Период (Т), честота (), моментни стойности (i), максимална (амплитудна)
стойност (Im ), ефективна стойност (I).
6.
Как се определя ефективната стойност на тока? Отговор:
Ефективната стойност винаги е по-малка от амплитудната. Между тях
съществува следната зависимост: I  I m  0,707.I
2
7.
m
Като използвате графиката,
определете:
а) периодът (Т) и честотата ()
на променливия ток;
б) амплитудната и ефективната стойност на
променливия ток. Отговор:
T  0,02s  
8.
1
1

 50Hz I m  4 A I  0,707I m  0,707.4  2,828A  2,8 A
T 0,02
Как се определя ефективната стойност на тока в
променливотокова верига с резистор, ако е известно
съпротивлението на резистора? Отговор:
Ефективната стойност на тока се получава от съпротивлението и
ефективната стойност на напрежението по закона на Ом: I  U
R
9.
Как се определя ефективната мощност? Отговор:
Ефективната мощност в променливотоковите вериги с резистор може да се
определи от ефективните стойности на тока и напрежението по следните
формули:
U2
2
P  UI  I R 
R
10. Да се определи ефективното напрежение и ефективната
мощност във верига с резистор със съпротивление 20 Ω и
ефективна стойност на тока 5 А. Отговор:
U  IR  5.20  100V
P  UI  100.5  500W
11. Какво е предназначението на трансформаторите? Отговор:
Трансформаторите се използват за повишаване или понижаване на
напрежението на различните източници на променлив ток.
12. Кои са основните елементи на един трансформатор? Кое
явление е в основата на работата на трансформаторите?
Отговор: Основните елементи на всеки трансформатор са феромагнитната
сърцевина и двете намотки, надянати на нея-първична (свързана с
източника на променливо напрежение) и вторична (свързана с
консуматора). Принципът на действие се основава на електромагнитната
индукция.
13. Каква връзка съществува между напреженията на двете
намотки и броя на техните навивки? Отговор:
U 1 n1

k
U 2 n2
14. Може ли да се повиши напрежението на батерия за
джобно фенерче с помощта на трансформатор?
Защо?
Отговор: Не, защото батерията е източник на постоянно напрежение.
15. Пресметнете напрежението на изхода на звънчев
трансформатор, ако първичната му намотка има
1100 навивки, вторичната има 45 навивки, а на входа
се подава напрежение 220 V. Отговор:
U1
n1

U2
n2
220 1100

U2
45
1100.U 2  220.45
1100.U 2  9900
U 2  9900: 1100  9V
начало