Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Московский государственный агроинженерный университет

им. В.П. Горячкина

Кафедра: Электротехнология в сельскохозяйственном производстве

Курсовая работа

по теме: «Основные законы электротехники и их использование»

Выполнила:

Студентка I курса 11 группы

Энергетического факультета

Андреева Алена

Проверила

Приймакова Татьяна Владимировна

Москва 2011

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Первый закон Кирхгофа

Второй закон Кирхгофа

Расчет сложных цепей с помощью уравнений Кирхгофа

Закон Ома

Закон Джоуля-Ленца

Законы электролиза Фарадея

Закон Кулона

Закон полного тока

Закон Ленца

Закон электромагнитной индукции Фарадея

Список используемой литературы

ВВЕДЕНИЕ

Электротехника - это наука о процессах, связанных с практическим применением электрических и магнитных явлений.

Так же называют отрасль техники, которая применяет их в промышленности, медицине, военном деле и т.д.

Большое значение электротехники во всех областях деятельности человека объясняется преимуществом электрической энергии перед другими видами энергии, а именно:

1. электрическую энергию легко преобразовывать в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую, химическую и др.) и, наоборот, в электрическую энергию легко преобразуется любые другие виды энергии;

2. электрическую энергию можно передавать практически на любые расстояния. Это даёт возможность строить электростанции в местах, где имеются природные энергетические ресурсы, и передавать электрическую энергию в места, где расположены источники промышленного сырья, но нет энергоресурсов;

3. электрическую энергию удобно дробить на любые части в электрических цепях (мощность приёмников электроэнергии может быть от долей ватта до тысяч киловатт);

4. процессы получения, передачи и потребления энергии легко поддаются автоматизации;

5. процессы, в которых используется электрическая энергия, допускают простое управление (нажатие кнопки, выключателя и т.д.).

Особенно следует отметить удобство применения электрической энергии при автоматизации производственных процессов, благодаря точности и чувствительности электрических методов управления. Использование электрической энергии позволило повысить производительность труда во всех областях деятельности человека, автоматизировать почти все технологические процессы в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и в быту, а также создать комфорт в производственных и жилых помещениях.

Электрическую энергию используют в технологических установках для нагрева изделий, плавления металлов, сварки, электролиза, получения плазмы, получения новых материалов с помощью электрохимии, очистки материалов и газов и т.д.

Первый закон Кирхгофа

Алгебраическая сумма токов в ветвях, сходящихся к любому узлу электрической цепи, тождественно равна нулю. Согласно этому закону, если к некоторому узлу цепи подсоединено n ветвей с токами i₁, i₂,..., i_n, то в любой момент времени

,

где , если направление тока положительно и ориентировано от узла (ток выходит из узла), или , если ток входит в узел. Таким образом, любому узлу цепи соответствует уравнение, связывающее токи в ветвях цепи, соединенных с данным узлом.

В качестве примера приведем схему на рисунке 1.

Рис. 1

В соответствии с первым законом Кирхгофа:

.

Общее число уравнений, которое можно составить по первому закону Кирхгофа для цепи, равно числу узлов цепи .

Так, для четырех узлов графа (рисунок 2) можно составить следующие четыре уравнения:

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Рис. 2

узел 1: ,

узел 2: ,

узел 3: ,

узел 4: .

Первый закон Кирхгофа часто называют законом Кирхгофа для токов и сокращенно в тексте обозначают ЗКТ.

Число независимых уравнений равно трем, так как любое из этих уравнений отличается от суммы трех остальных только знаком. Итак, если цепь содержит узлов, то для неё можно составить по первому закону Кирхгофа независимых уравнений. Совокупность из N узлов цепи, уравнения для которых образуют систему линейно независимых уравнений, называют совокупностью независимых узлов цепи.

Примеры на применение первого закона Кирхгофа. Параллельное соединение элементов

В качестве примера на применение первого закона Кирхгофа рассмотрим параллельное соединение нескольких элементов активных сопротивлений, конденсаторов, катушек индуктивности.

Особенностью параллельного соединения нескольких элементов является равенство напряжений, приложенных к зажимам любого из элементов, входящих в соединение. Цепь при таком соединении характеризуется только одним независимым узлом.

Пусть параллельно соединены n элементов активного сопротивления. Если выбрать направления отчетов токов в элементах такими как это показано на рисунке 3, то согласно первому закону Кирхгоффа при параллельном соединении элементов запишем:

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Рис. 3

;

учитывая, что ,

имеем ,

где .

Зависимость не отличается от зависимости между напряжением на зажимах и током в элементе активного сопротивления с проводимостью G. Следовательно, цепь, составленная из нескольких сопротивлении, включенных параллельно, может быть заменена одним активным сопротивлением, при этом проводимость эквивалентного элемента равна сумме проводимостей элементов, входящих в соединение.

При параллельном соединении конденсаторов (рисунок 4) ток ветви можно определить по формуле:

.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Рис. 4

Для вычисления общего тока необходимо просуммировать токи ветвей:

,

где _..

Таким образом, при параллельном соединении нескольких конденсаторов эквивалентная ёмкость равна сумме емкостей, входящих в соединение.

В случае параллельного соединения катушек индуктивностей (рисунок 5) ток каждой из ветвей равен:

.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Рис. 5

Уравнение для вычисления общего тока имеет вид:

.

Следовательно , то есть .

Это означает, что значение эквивалентной индуктивности будит меньше наименьшего из значений соединённых параллельно индуктивностей.

Второй закон Кирхгофа

Второй закон Кирхгофа формулируется следующим образом: алгебраическая сумма напряжений ветвей в любом контуре цепи тождественно равна нулю.

Для замкнутого контура, изображённого на рисунке 6, можно записать соотношение:

.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Рис. 6

В соответствии со вторым законом Кирхгофа при обходе контура по часовой стрелке справедливо соотношение:

.

Изменение направления обхода эквивалентно изменению знаков напряжений на противоположные (умножению на минус единицу).

Примеры на применение второго закона Кирхгофа

Последовательное соединение элементов

Пусть n элементов активного сопротивления соединены последовательно (рисунок 7).

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Рис. 7

В соответствии с выбранным направлением обхода по второму закону Кирхгофа получим уравнение:

.

Характерной особенностью последовательного соединения является равенство токов в каждом из элементов, входящих в соединение.

При запишем:

, то есть .

Таким образом, при последовательном соединении нескольких резисторов эквивалентное сопротивление равно сумме сопротивлений, входящих в соединение. При последовательном соединении катушек индуктивности (рисунок 8) можно записать:

.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Рис. 8

Если , то ,

следовательно .

Это означает, что эквивалентная индуктивность равна сумме индуктивностей, входящих в последовательное соединение.

В случае последовательного соединения конденсаторов (рисунок 9) по второму закону Кирхгофа можно записать:

.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Рис. 9

Заменяя

получим: .

Обратная ёмкость всех конденсаторов, соединенных последовательно, равна сумме обратных ёмкостей конденсаторов, входящих в соединение:

.

При этом эквивалентная ёмкость соединения будет меньше наименьшей ёмкости конденсатора, входящего в последовательное соединение.

РАСЧЕТ СЛОЖНЫХ ЦЕПЕЙ С ПОМОЩЬЮ УРАВНЕНИЙ КИРХГОФА

Пример 1

Далеко не во всех случаях цепь представляет собой совокупность лишь последовательно и параллельно соединенных ветвей. В качестве примера рассмотрим вариант расчета с помощью уравнений Кирхгофа электрической цепи (рисунок 10). Цепь содержит = 4 узлов и = 6 ветвей, включая источники напряжения.

Для определения всех токов и напряжений в схеме достаточно найти значения токов во всех ветвях цепи. Зная ток, проходящий через любую из ветвей цепи, можно найти как напряжение этой ветви, так и напряжение между любой парой узлов цепи.



Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Рис. 10

Если мы зададимся произвольно положительными направлениями токов в ветвях цепи и пронумеруем произвольно эти токи, то по первому закону Кирхгофа можно составить уравнений относительно токов в ветвях цепи.

По второму закону Кирхгофа будет линейно-независимых уравнений для напряжений ветвей схемы.

Совокупность из уравнений по первому закону Кирхгофа, и уравнений, составленных по второму закону Кирхгофа, образует систему линейно - независимых уравнений. Эта система будет неоднородной системой уравнений, так как ее свободными членами являются заданные напряжения источников.

Подобная система уравнений имеет единственное решение, позволяющее найти токи в ветвях цепи, а по ним и значения напряжений между любой парой узлов цепи.

Для примера составим систему уравнений по первому закону Кирхгофа (рисунок 10).

Число уравнений:

.

Узел 1: ,

узел 2: ,

узел 3: .

В тоже время по второму закону Кирхгофа для контуров I, II, III можно составить систему из уравнений.

.

Контур I: ,

контур II: ,

контур III: .

Таким образом, решая систему из 6 уравнений с шестью неизвестными токами, например по методу Крамера, определим неизвестные. Если в цепи будет источник тока, то в системе уравнений неизвестным будет напряжение на зажимах этого источника, а ток через источник будет равен току задающего источника. Общее число неизвестных сохранится прежним.

Пример 2

Для цепи (рисунок 11) определить токи и , если E = 20 В, I₀ = 2 A, R₁ = 15 Ом, R₂ = 85 Ом.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Рис. 11

Решение

Выберем направления токов , и обхода в контуре, составим уравнения по законам Кирхгофа. Число уравнений, составляемых по первому закону Кирхгофа:

.

Число уравнений по второму закону Кирхгофа:

.

Уравнение токов для узла 1:

. (a)

Уравнение по второму закону Кирхгофа:

. (б)

Подставим в уравнения (а) и (б) числовые значения получим:

,

.

Решив эту систему, определим токи и :

; .

ЗАКОН ОМА

Закон Ома устанавливает зависимость между силой тока I в проводнике и разностью потенциалов (напряжением) U между двумя фиксированными точками (сечениями) этого проводника:

(1)

Коэффициент пропорциональности R, зависящий от геометрических и электрических свойств проводника и от температуры, называется омическим сопротивлением или просто сопротивлением данного участка проводника. Закон Ома был открыт в 1826 нем. физиком Г. Омом.

В общем случае зависимость между I и U нелинейна, однако на практике всегда можно в определенном интервале напряжений считать её линейной и применять закон Ома; для металлов и их сплавов этот интервал практически неограничен.

Закон Ома в форме (1) справедлив для участков цепи, не содержащих источников ЭДС. При наличии таких источников (аккумуляторов, термопар, генераторов и т. д.) закон Ома имеет вид:

(2)

где - ЭДС всех источников, включённых в рассматриваемый участок цепи. Для замкнутой цепи закон Ома принимает вид:

(3)

где - полное сопротивление цепи, равное сумме внешнего сопротивления r и внутреннего сопротивления источника ЭДС. Обобщением закона Ома на случай разветвлённой цепи является правило 2-е Кирхгофа.

Закон Ома можно записать в дифференциальной форме, связывающей в каждой точке проводника плотность тока j с полной напряжённостью электрического поля. Потенциальное. электрическое поле напряжённости Е, создаваемое в проводниках микроскопическими зарядами (электронами, ионами) самих проводников, не может поддерживать стационарное движение свободных зарядов (ток), т. к. работа этого поля на замкнутом пути равна нулю. Ток поддерживается неэлектростатическими силами различного происхождения (индукционного, химического, теплового и т.д.), которые действуют в источниках ЭДС и которые можно представить в виде некоторого эквивалентного непотенциального поля с напряженностью E_СТ, называемого сторонним. Полная напряженность поля, действующего внутри проводника на заряды, в общем случае равна E+E_СТ. Соответственно, дифференциальный закон Ома имеет вид:

или , (4)

где - удельное сопротивление материала проводника, а - его удельная электропроводность.

Закон Ома в комплексной форме справедлив также для синусоидальных квазистационарных токов:

(5)

где z - полное комплексное сопротивление: , r - активное сопротивление, а x - реактивное сопротивление цепи. При наличии индуктивности L и емкости С в цепи квазистационарного тока частоты

.

Существует несколько видов закона Ома.

Закон Ома для однородного участка цепи (не содержащего источника тока): сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника:

Закон Ома для замкнутой цепи: сила тока в замкнутой цепи равна отношению ЭДС источника тока к суммарному сопротивлению всей цепи:

где R - сопротивление внешней цепи, r - внутреннее сопротивление источника тока.

R - +

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

R

Закон Ома для неоднородного участка цепи (участка цепи с источником тока):

 R

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

;

где - разность потенциалов на концах участка цепи, - ЭДС источника тока, входящего в участок.

ЗАКОН ДЖОУЛЯ-ЛЕНЦА

электротехника закон цепь ток электролиз

Получим закон Джоуля-Ленца теоретическим путем. Используя закон Ома, запишем формулу для вычисления работы тока A=IUt в двух других формах.

В левых частях нижних равенств стоит работа тока. Выясним, как она связана с количеством теплоты, выделяющимся в проводнике с током. Для этого запишем первый закон термодинамики и выразим из него работу, совершенную над проводником:

Вспомним, что DU - это изменение внутренней энергии тела (проводника), Q - количество теплоты, отданное проводником (на это указывает "минус"), A' - работа, совершенная над проводником.

Какая же работа совершается над проводником? Вы помните, что тепловое действие тока мы объясняем ударами электронов об ионы кристаллической решетки, в результате чего часть кинетической энергии электронов передается ионам, и их колебания усиливаются. А поскольку направленное движение электронов возникает за счет энергии электрического поля, то работу в проводнике с током совершают силы электрического поля.

Выясним теперь, что происходит с внутренней энергией проводника. Если ток в цепи только что включили, то проводник будет постепенно нагреваться, а его внутренняя энергия - увеличиваться. По мере роста температуры будет возрастать величина Dt° - разность между температурой проводника и температурой окружающей среды. Согласно закономерности Ньютона, будет возрастать и мощность теплоотдачи проводника в окружающую среду. Через некоторое время это приведет к тому, что температура проводника перестанет увеличиваться.

С этого момента внутренняя энергия проводника перестанет изменяться, то есть величина DU станет равной нулю. Тогда первый закон термодинамики для этого состояния проводника запишется так: A' = -Q.

То есть если внутренняя энергия проводника не меняется, то работа тока полностью превращается в теплоту.

Используя этот вывод, запишем все три формулы для вычисления работы тока в другом виде.

Формула, заключенная в рамку, и была получена Джоулем и Ленцем опытным путем, а рисунке показана схема установки, при помощи которой можно экспериментально проверить справедливость закона Джоуля-Ленца. Силу тока измеряют амперметром, сопротивление проводника - вычисляют, используя показания вольтметра.

Термометром измеряют повышение температуры жидкости в калориметре. По формулам Q=I²Rt и Q=cmDt° подсчитывают количества теплоты. Теоретически оба значения должны совпадать. Это и проверяют на опыте.

Закон Джоуля-Ленца в интегральной и дифференциальной формах

Количество теплоты, которое выделяется в проводнике при прохождении постоянного электрического тока, определяется выражением:

,

где I - сила тока в проводнике, R - сопротивление проводника, t - время, в течение которого проходит электрический ток.

Если сила тока в проводнике изменяется со временем I = I(t), то количество теплоты, которое выделяется за бесконечно малый интервал времени, равно:

,

а количество теплоты, выделяемое за интервал времени равно:

Закон Джоуля-Ленца в интегральной форме.

За счет чего происходит нагревание проводника?

Рассмотрим однородный проводник, к концам которого приложено напряжение U. За время dt через каждое сечение проходит заряд

.

Работа по перемещению заряда

Учитывая, что U = RI (в соответствии с законом Ома), получим

,

а работа

,

т.е. нагревание проводника происходит за счет работы, совершаемой силами поля над носителями тока.

Для выражения закона Джоуля-Ленца в дифференциальной форме, представим следующие величины в виде:

, ,

где dl - длина выделенного проводника, ds - площадь поперечного сечения проводника, через которую проходит ток, плотность которого j. Тогда получим

,

откуда .

Выражение - называется удельной мощностью тока Р_уд..

Таким образом, получим:

или

«Закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме», т.е. удельная мощность тока пропорциональна квадрату напряженности электрического поля. Коэффициентом пропорциональности является удельная электропроводность проводника.

Закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме носит совершенно общий характер, т. е. не зависит от природы сил, возбуждающих электрический ток. Закон Джоуля-Ленца, как показывает опыт, справедлив и для электролитов и для полупроводников.

В качестве примера технической реализации явления Джоуля-Ленца изображена лампочка накаливания.

Лампочка накаливания

Применение эффекта.

Тепловое действие тока находит широкое применение в технике. В 1873 г. русский инженер А.Н. Лодыгин (1847-1923) впервые использовал тепловое действие тока для устройства электрического освещения (лампа накаливания). На нагревании проводников электрическим током основано действие электрических муфельных печей, электрической дуги (открыта в 1802 русским инженером В.В. Петровым (1761-1834)), контактной электросварки, бытовых электронагревательных приборов и т. д.

ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРОЛИЗА ФАРАДЕЯ

При электролизе масса превращенного вещества прямо пропорциональна количеству электричества, прошедшего через электролитическую ячейку.

При прохождении через электролит одного и того же количества электричества масса превращенного вещества зависит от массы и заряда ионов вещества.

Два закона электролиза - это всего лишь небольшая часть вклада Майкла Фарадея в науку. Электролиз - это совокупность процессов, происходящих при пропускании электрического тока через электролит - плавленое ионное вещество (например, плавленая соль) или раствор, в котором присутствуют ионы. Электрический ток проходит через электролит от одного электрода к другому. Положительно заряженные ионы при этом движутся к отрицательному электроду, аноду, а отрицательно заряженные - к положительному электроду, катоду. Химические реакции происходят на электродах. Фарадей провел фундаментальные исследования электролитов и создал законы, в которых говорится, что химические превращения связаны с потоком электронов (то есть электрическим током): чем больше электронов, тем больше химических превращений.

Электролиз - это важный промышленный процесс, используемый как при получении определенных металлов, так и при конечной обработке поверхностей методом нанесения гальванического покрытия. Примером электролиза в действии может быть электролитическое рафинирование меди после ее выделения из руды. Выступающие в качестве катода тонкие листы чистой меди опускают в электролит, содержащий раствор сульфата меди и серную кислоту, а слитки неочищенной меди подвешивают в этом же растворе, и они действуют как анод. При пропускании электрического тока анод начинает растворяться, и ионы меди, вместе с некоторым количеством ионов железа и цинка, поступают в электролит. Остальные спутники меди, содержавшиеся в слитках (включая значительное количество серебра, золота и платины), выпадают в осадок и накапливаются на дне электролитической ванны. Ионы меди через электролит направляются к катоду и осаждаются на нем. Цинк и железо остаются в растворе.

В промышленных масштабах в подобных ваннах за месяц можно очистить всего несколько тонн меди, но при этом получается продукт 99,96-процентной чистоты. Более того, благодаря извлечению из осадка благородных металлов окупается весь процесс очистки. Кроме меди, электролитическим методом в промышленных масштабах очищаются также магний, натрий и алюминий.

В описанном выше процессе рафинирования меди атом меди переходит в электролит в виде иона, теряя два электрона. Следовательно, на аноде он принимает два электрона, и ион снова превращается в нейтральный атом меди (можно представить себе, что эти два электрона бегут по проводу, как электрический ток). Согласно первому закону Фарадея, для того чтобы очистить в два раза больше меди, необходимо в два раза больше электронов.

ЗАКОН КУЛОНА

Одним из ведущих первоисследователей электричества явился Шарль Огюстен де Кулон. Тщательно исследовав силы взаимодействия между телами, несущими на себе различные электростатические заряды, он и сформулировал закон, носящий теперь его имя. В основном свои эксперименты он проводил следующим образом: различные электростатические заряды передавались двум маленьким шарикам, подвешенным на тончайших нитях, после чего подвесы с шариками сближались. При достаточном сближении шарики начинали притягиваться друг к другу (при противоположной полярности электрических зарядов) или отталкиваться (в случае однополярных зарядов). В результате нити отклонялись от вертикали на достаточно большой угол, при котором силы электростатического притяжения или отталкивания уравновешивались силами земного притяжения. Замерив угол отклонения и зная массу шариков и длину подвесов, Кулон рассчитал силы электростатического взаимодействия на различном удалении шариков друг от друга и на основе этих данных вывел эмпирическую формулу:

F = kQq/D²

где Q и q -величины электростатических зарядов, D - расстояние между ними, а k - экспериментально определяемая постоянная Кулона.

Сразу отметим два интересных момента в законе Кулона. Во-первых, по своей математической форме он повторяет закон всемирного тяготения Ньютона, если заменить в последнем массы на заряды, а постоянную Ньютона, на постоянную Кулона. И для этого сходства есть все причины. Согласно современной квантовой теории поля и электрические, и гравитационные поля возникают, когда физические тела обмениваются между собой лишенными массы покоя элементарными частицами-энергоносителями - фотонами или гравитонами соответственно. Таким образом, несмотря на кажущееся различие в природе гравитации и электричества, у двух этих сил много общего.

Второе важное замечание касается постоянной Кулона. Когда шотландский физик-теоретик Джеймс Кларк Максвелл вывел систему уравнений Максвелла для общего описания электромагнитных полей, выяснилось, что постоянная Кулона напрямую связана со скоростью света с. Наконец, Альберт Эйнштейн показал, что с играет роль фундаментальной мировой константы в рамках теории относительности. Таким образом можно проследить, как самые абстрактные и универсальные теории современной науки поэтапно развивались, впитывая в себя ранее полученные результаты, начиная с простых выводов, сделанных на основе настольных физических опытов.

ЗАКОН ПОЛНОГО ТОКА

Закон полного тока очень важен. Закон полного тока связывает ток и напряженность магнитного поля. Прямо сейчас изучим закон полного тока.



На картинке изображены два провода, по которым текут токи I₁ и I₂. Вокруг токов имеется контур L. А что такое этот контур? Это просто замкнутая линия, которую мы мысленно провели вокруг токов. Токи проходят через поверхность, ограниченную контуром L. В качестве положительного направления обхода контура выбираем направление по часовой стрелке.

Определение полного тока: полный ток - это алгебраическая сумма токов, проходящих через ограниченную замкнутым контуром поверхность.

В нашем примере полный ток У I есть сумма токов I₁ и I₂:

У I = I₁ - I₂

Знаки токов определяем по правилу буравчика.

Теперь найдём магнитное напряжение вдоль контура L. Разбиваем контур на отрезки, которые можно считать прямолинейными, а магнитное поле в месте расположения отрезков однородным. Магнитное напряжение U_m для одного такого отрезка длиной ДL:

U_m = H_L * ДL

Магнитное напряжение вдоль всего контура L

U_L = У H_L * ДL

Полный ток равен магнитному напряжению вдоль контура:

У I = У H_L * ДL

Это равенство, установленное экспериментально, и связывает токи с напряженностью их магнитного поля.

Магнитное напряжение вдоль замкнутого контура часто называют магнитодвижущей силой. Другое название магнитного напряжения вдоль замкнутого контура - намагничивающая сила.

Определение закона полного тока: магнитодвижущая сила F вдоль замкнутого контура L равна полному току У I, пронизывающему поверхность, ограниченную данным контуром. Формула закона полного тока:

F = У I

ЗАКОН ЛЕНЦА

Индукционный электрический ток в проводнике, возникающий при изменении магнитного потока, направлен таким образом, что его магнитное поле противодействует изменению магнитного потока.

В 1831 году английский физик Майкл Фарадей открыл то, что теперь называют законом электромагнитной индукции Фарадея, согласно которому изменение магнитного потока внутри проводящего контура возбуждает в этом контуре электрический ток даже при отсутствии в контуре источника питания. Оставленный Фарадеем открытым вопрос о направлении индукционного тока вскоре решил российский физик Эмилий Христианович Ленц.

Представьте себе замкнутый круговой токопроводящий контур без подключенной батареи или иного источника питания, в который северным полюсом начинают вводить магнит. Это приведет к увеличению магнитного потока, проходящего через контур, и, согласно закону Фарадея, в контуре возникнет индуцированный ток. Этот ток, в свою очередь, согласно закону Био-Савара будет генерировать магнитное поле, свойства которого ничем не отличаются от свойств поля обычного магнита с северным и южным полюсами. Ленцу как раз и удалось выяснить, что индуцированный ток будет направлен таким образом, что северный полюс генерируемого током магнитного поля будет ориентирован в сторону северного полюса вдвигаемого магнита. Поскольку между двумя северными полюсами магнитов действуют силы взаимного отталкивания, наведенный в контуре индукционный ток потечет именно в таком направлении, что будет противодействовать введению магнита в контур. И это лишь частный случай, а в обобщенной формулировке правило Ленца гласит, что индукционный ток всегда направлен так, чтобы противодействовать вызвавшей его первопричине.

Правило Ленца сегодня пытаются использовать в междугороднем пассажирском транспорте. Уже построены и испытываются опытные образцы поездов на так называемой магнитной подушке. Под днищем вагона такого поезда смонтированы мощные магниты, расположенные в считанных сантиметрах от стального полотна. При движении поезда магнитный поток, проходящий через контур полотна, постоянно меняется, и в нем возникают сильные индукционные токи, создающие мощное магнитное поле, отталкивающее магнитную подвеску поезда (аналогично тому, как возникают силы отталкивания между контуром и магнитом в вышеописанном опыте). Сила эта настолько велика, что, набрав некоторую скорость, поезд буквально отрывается от полотна на 10- 15 сантиметров и, фактически, летит по воздуху. Поезда на магнитной подушке способны развивать скорость свыше 500 км/ч, что делает их идеальным средством междугороднего сообщения средней дальности.

ЗАКОН ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ ФАРАДЕЯ

Как известно, электрические токи создают вокруг себя магнитное поле. Связь магнитного поля с током привела к многочисленным попыткам возбудить ток в контуре с помощью магнитного поля. Эта фундаментальная задача была блестяще решена в 1831 году английским физиком М.Фарадеем, открывшим явление электромагнитной индукции. Оно заключается в том, что в замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции, охватываемого этим контуром, возникает электрический ток, получивший название индукционного. Вот примеры классических опытов Фарадея с помощью которых было обнаружено явление электромагнитной индукции.

Опыт первый (см. рис. 1). Если в замкнутый на гальванометр соленоид вдвигать или выдвигать постоянный магнит, то в момент его вдвигания или выдвигания наблюдается отклонение стрелки гальванометра (возникает индукционный ток); направления отклонения стрелки при вдвигании и выдвигании магнита противоположны. Отклонение стрелки гальванометра тем больше, чем больше скорость движения магнита относительно катушки. При изменении полюсов магнита направление отклонения стрелки изменится. Для получения индукционного тока магнит можно оставлять неподвижным, тогда нужно относительно магнита передвигать соленоид.

Опыт второй. Концы одной из катушек, вставленных одна в другую, присоединяются к гальванометру, а через другую катушку пропускается ток. Отклонение стрелки гальванометра наблюдается в момент включения или выключения тока, в момент его увеличения или уменьшения, или при перемещении катушек друг относительно друга (рис. 2). Направление отклонения стрелки гальванометра также противоположны при включении или выключении тока, при его увеличении или уменьшении, сближении или удалении катушек.

Обобщая результаты своих многочисленных опытов, Фарадей пришел к выводу, что индукционный ток возникает всегда, когда происходит изменение сцепленного с контуром потока магнитной индукции. Например, при повороте в одноименном магнитном поле замкнутого проводящего контура в нем также возникает индукционный ток. В данном случае индукция магнитного поля вблизи проводника остается постоянной, а меняется только поток магнитной индукции сквозь контур.

Опытным путем также было установлено, что значение индукционного тока совершенно не зависит от способа изменения потока магнитной индукции, а определяется лишь скоростью его изменения.

Открытие явления электромагнитной индукции имело большое значение, так как была доказана возможность получения электрического тока с помощью магнитного поля. Этим была установлена взаимосвязь между электрическими и магнитными явлениями, что послужило в дальнейшем толчком для разработки теории электромагнитного поля.



Анализируя результаты, полученные опытным путем, Фарадей пришел к количественному закону электромагнитной индукции. Он показал, что всякий раз, когда происходит изменение сцепленного с контуром потока магнитной индукции, в контуре возникает индукционный ток; возникновение индукционного тока указывает на наличие в цепи электродвижущей силы, называемой электродвижущей силой электромагнитной индукции. Значение индукционного тока, а, следовательно, и э.д.с. электромагнитной индукции определяется только скоростью изменения магнитного потока, т.е.

Теперь необходимо выяснить знак E. Вообще, знак магнитного потока зависит от выбора положительной нормали к контуру. В свою очередь, положительное направление нормали определяется правилом правого винта. Следовательно, выбирая положительное направление нормали, мы определяем как знак потока магнитной индукции, так и направление тока и э.д.с. в контуре.

Пользуясь этими представлениями и выводами, можно соответственно прийти к формулировке закона электромагнитной индукции Фарадея: какова бы ни была причина изменения потока магнитной индукции, охватываемого замкнутым проводящим контуром, возникающая в контуре э.д.с

Знак минус показывает, что увеличение потока (dФ/dt>0) вызывает э.д.с E < 0, т.е. поле индукционного тока направленно навстречу потоку; уменьшение потока (dФ/dt<0) вызывает E > 0, т.е. направление потока и поля индукционного тока совпадают. Знак минус в формуле правилом Ленца - общим правилом для нахождения направления индукционного тока, выведенного в 1833 г.

Закон Фарадея можно сформулировать еще таким образом: э.д.с. электромагнитной индукции в контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока сквозь поверхность, ограниченную этим контуром.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Белецкий А.Ф. Теория линейных электрических цепей. - М.: Радио и связь, 1986.

2. Бакалов В.П. и др. Теория электрических цепей. - М.: Радио и связь, 1998.

3. Качанов Н.С. и др. Линейные радиотехнические устройства. - М.: Воен. издат., 1974.

4. В.П. Попов Основы теории цепей - М.: Высшая школа, 2000.

5. Трофимова Т.И. Курс физики. - М.: Высшая школа, 1990.

6. Савельев И.В. Курс общей физики. - М.: Наука, 1978. - Т. 2.

7. Прохоров А.М. Физический энциклопедический словарь - М., 1983.

8. Дорфман Я.Г. Всемирная история физики. - М., 1979.

9. Ом Г. Определение закона, по которому металлы проводят контактное электричество. - В кн.: Классики физической науки. - М., 1989.

10. Роджерс Э. Физика для любознательных, т. 3. - М., 1971.

11. Орир Дж. Физика, т. 2. - М., 1981.

12. Джанколи Д. Физика, т. 2. - М., 1989.

Размещено на Allbest.ru