Inductie electromagnetica. Aplicarea practică a fenomenului de inducție electromagnetică
Legea inducției electromagnetice stă la baza ingineriei electrice moderne, precum și a ingineriei radio, care, la rândul lor, formează nucleul industriei moderne, care a transformat complet întreaga noastră civilizație. Uz practic inducția electromagnetică a început la doar o jumătate de secol după descoperirea sa. La acea vreme, progresul tehnologic era încă relativ lent. Motivul pentru care ingineria electrică joacă un rol atât de important în toate noastre viața modernă, este că electricitatea este cea mai convenabilă formă de energie și tocmai datorită legii inducției electromagnetice. Acesta din urmă facilitează obținerea energiei electrice de la mecanice (generatoare), distribuirea și transportul flexibil de energie (transformatoare) și transformarea acesteia înapoi în energie mecanică (motor electric) și alte tipuri de energie, iar toate acestea se întâmplă cu foarte multe Eficiență ridicată. În urmă cu aproximativ 50 de ani, distribuția energiei între mașinile-unelte din fabrici se realiza printr-un sistem complex de arbori și transmisii cu curele - pădurea transmisiilor era un detaliu caracteristic „interiorului” industrial din acea vreme. Mașinile-unelte moderne sunt echipate cu motoare electrice compacte alimentate printr-un sistem de cablare electrică ascuns.
Industria modernă folosește un singur sistem de alimentare care acoperă întreaga țară și, uneori, mai multe țări învecinate.
Sistemul de alimentare începe cu un generator de energie. Funcționarea generatorului se bazează pe utilizarea directă a legii inducției electromagnetice. Schematic cel mai simplu generator Este un electromagnet (stator) staționar, în câmpul căruia se rotește o bobină (rotor). Curentul alternativ excitat în înfășurarea rotorului este îndepărtat cu ajutorul unor contacte mobile speciale - perii. Deoarece este dificil să treacă o putere mare prin contactele în mișcare, se folosește adesea un circuit generator inversat: un electromagnet rotativ excită curentul în înfășurările statorului statorului. Astfel, generatorul transformă energia mecanică de rotație a rotorului în electricitate. Acesta din urmă este condus fie de energie termică (abur sau turbina de gaz), sau mecanice (hidroturbină).
La celălalt capăt al sistemului de alimentare se află diverse dispozitive de acționare care folosesc energie electrică, dintre care cel mai important este motorul electric (motorul electric). Cel mai des întâlnit, datorită simplității sale, este așa-numitul motor asincron, inventat independent în 1885-1887. Fizicianul Httalian Ferraris și faimosul inginer croat Tesla (SUA). Statorul unui astfel de motor este un electromagnet complex care creează un câmp rotativ. Rotirea câmpului se realizează folosind un sistem de înfășurări în care curenții sunt defazați. În cel mai simplu caz, este suficient să luăm o suprapunere a două câmpuri în direcții perpendiculare, deplasate în fază cu 90° (Fig. VI.10).
Un astfel de câmp poate fi scris ca o expresie complexă:
care reprezintă un vector bidimensional de lungime constantă, care se rotește în sens invers acelor de ceasornic cu o frecvență o. Deși formula (53.1) este similară cu reprezentarea complexă a curentului alternativ din § 52, semnificația sa fizică este diferită. În cazul curentului alternativ, doar partea reală a expresiei complexe a avut valoare reală, dar aici valoarea complexă reprezintă un vector bidimensional, iar faza sa nu este doar faza de oscilații a componentelor câmpului alternativ, ci caracterizează şi direcţia vectorului câmp (vezi Fig. VI.10).
În inginerie, este obișnuit să folosiți ceva mai mult schema complexa rotația câmpului folosind așa-numitul curent trifazat, adică trei curenți, ale căror faze sunt deplasate cu 120 ° una față de alta. Acești curenți creează un câmp magnetic în trei direcții, rotit unul față de celălalt cu un unghi de 120 ° (Fig. VI.11). Rețineți că un astfel de curent trifazat se obține automat în generatoarele cu un aranjament similar de înfășurări. Curentul trifazat, care a fost utilizat pe scară largă în tehnologie, a fost inventat
Orez. VI.10. Schema de obtinere a unui camp magnetic rotativ.
Orez. VI.11. Schema unui motor asincron. Pentru simplitate, rotorul este prezentat ca o singură rotație.
în 1888 de remarcabilul inginer electric rus Dolivo-Dobrovolsky, care a construit în Germania pe această bază prima linie electrică tehnică din lume.
Înfășurarea rotorului a unui motor cu inducție constă în cel mai simplu caz de spire scurtcircuitate. Un câmp magnetic alternativ induce un curent în bobine, ceea ce duce la rotirea rotorului în aceeași direcție cu câmpul magnetic. În conformitate cu regula lui Lenz, rotorul tinde să „atingă din urmă” câmpul magnetic rotativ. Pentru un motor încărcat, viteza rotorului este întotdeauna mai mică decât câmpul, deoarece în caz contrar inducția EMF iar curentul din rotor ar merge la zero. De aici și numele - motor asincron.
Sarcina 1. Aflați viteza de rotație a rotorului unui motor cu inducție în funcție de sarcină.
Ecuația pentru curentul într-o tură a rotorului are forma
unde - viteza unghiulară de alunecare a câmpului față de rotor, caracterizează orientarea bobinei față de câmp, amplasarea bobinei în rotor (Fig. VI.12, a). Trecând la mărimi complexe (vezi § 52), obținem soluția (53.2)
Cuplul care acționează asupra unei bobine în același câmp magnetic este
Orez. VI.12. Pe problema unui motor asincron. a - o rotire a înfășurării rotorului într-un câmp „de alunecare”; b - sarcina caracteristică a motorului.
În mod obișnuit, înfășurarea rotorului conține un număr mare de spire uniform distanțate, astfel încât suma peste 9 poate fi înlocuită prin integrare, ca rezultat obținem pentru cuplul total pe arborele motorului
unde este numărul de spire ale rotorului. Graficul dependenței este prezentat în Fig. VI.12, b. Cuplul maxim corespunde frecvenței de alunecare. Rețineți că rezistența ohmică a rotorului afectează doar frecvența de alunecare, nu cuplul maxim al motorului. Frecvența de alunecare negativă (rotorul „depășește” câmpul) corespunde modului generator. Pentru a menține acest mod, este necesar să consumați energie externă, care este convertită în energie electrică în înfășurările statorului.
Pentru un cuplu dat, frecvența de alunecare este ambiguă, dar numai modul este stabil
Elementul principal al sistemelor de transformare și transport a energiei electrice este un transformator care modifică tensiunea AC. Pentru transportul pe distanțe lungi a energiei electrice este avantajos să se utilizeze tensiunea maximă posibilă, limitată doar de ruperea izolației. În prezent, liniile de transport funcționează cu o tensiune de aproximativ Pentru o putere transmisă dată, curentul din linie este invers proporțional cu tensiunea, iar pierderile din linie cad ca pătratul tensiunii. Pe de altă parte, sunt necesare tensiuni mult mai mici pentru a alimenta consumatorii de energie electrică, în principal din motive de simplitate a proiectării (izolare), precum și de siguranță. De aici și necesitatea transformării tensiunii.
De obicei, transformatorul constă din două înfășurări pe un miez comun de fier (Fig. VI. 13). Un miez de fier este necesar într-un transformator pentru a reduce fluxul parazit și, prin urmare, o legătură mai bună a fluxului între înfășurări. Deoarece fierul este și conductor, trece o variabilă
Orez. V1.13. Schema unui transformator de curent alternativ.
Orez. VI.14. Schema centurii Rogowski. Linia întreruptă arată în mod condiționat calea de integrare.
câmp magnetic numai la o adâncime mică (vezi § 87). Prin urmare, miezurile transformatoarelor trebuie să fie laminate, adică sub forma unui set de plăci subțiri izolate electric unele de altele. Pentru o frecvență de putere de 50 Hz, grosimea obișnuită a plăcii este de 0,5 mm. Pentru transformatoarele la frecvențe înalte (în inginerie radio), trebuie să utilizați plăci foarte subțiri (mm) sau miezuri de ferită.
Sarcina 2. La ce tensiune ar trebui să fie izolate plăcile centrale ale transformatorului?
Dacă numărul de plăci din miez și tensiunea pe tură a înfășurării transformatorului, atunci tensiunea dintre plăcile adiacente
În cel mai simplu caz al absenței unui flux împrăștiat, raportul EMF în ambele înfășurări este proporțional cu numărul de spire ale acestora, deoarece EMF de inducție pe tură este determinată de același flux în miez. Dacă, în plus, pierderile în transformator sunt mici, iar rezistența de sarcină este mare, atunci este evident că raportul tensiunilor de pe înfășurările primare și secundare este de asemenea proporțional. Acesta este principiul de funcționare al transformatorului, ceea ce face astfel ușoară schimbarea tensiunii de mai multe ori.
Sarcina 3. Găsiți raportul de transformare a tensiunii pentru o sarcină arbitrară.
Neglijând pierderile în transformator și scurgerile (transformatorul ideal), scriem ecuația pentru curenții din înfășurări sub formă (în unități SI)
unde este rezistența de sarcină complexă (vezi § 52) și expresia (51.2) este utilizată pentru FEM de inducție a unui circuit complex. Cu ajutorul relației (51,6); puteți găsi raportul de transformare a tensiunii fără a rezolva ecuațiile (53.6), ci pur și simplu împărțindu-le una la alta:
Raportul de transformare se dovedește a fi egal, prin urmare, pur și simplu cu raportul dintre numărul de spire la orice sarcină. Semnul depinde de alegerea începutului și a sfârșitului înfășurărilor.
Pentru a găsi raportul de transformare curent, trebuie să rezolvați sistemul (53.7), în urma căruia obținem
În cazul general, coeficientul se dovedește a fi o valoare complexă, adică apare o schimbare de fază între curenții din înfășurări. Interesant este cazul special al unei sarcini mici. Atunci, adică raportul curenților devine inversul raportului tensiunilor.
Acest mod de transformator poate fi folosit pentru a măsura curenți mari (transformator de curent). Se pare că aceeași transformare simplă a curenților este păstrată și pentru o dependență arbitrară a curentului de timp cu un design special al transformatorului de curent. În acest caz, se numește bobina Rogowski (Fig. VI.14) și este un solenoid închis flexibil de formă arbitrară cu înfășurare uniformă. Funcționarea curelei se bazează pe legea conservării circulației câmpului magnetic (vezi § 33): în cazul în care integrarea se realizează de-a lungul conturului din interiorul centurii (vezi Fig. VI.14), este acoperit curentul total măsurat. de curea. Presupunând că dimensiunile transversale ale curelei sunt suficient de mici, putem scrie emf de inducție indusă pe centură după cum urmează:
unde este secțiunea transversală a curelei, a este densitatea înfășurării, se presupune că ambele valori sunt constante de-a lungul centurii; în interiorul centurii, dacă densitatea înfășurării curelei și secțiunea transversală a acesteia 50 sunt constante pe lungime (53.9).
O simplă conversie a tensiunii electrice este posibilă numai pentru curent alternativ. Acest lucru îl determină pe al lui un rol vitalîn industria modernă. În cazurile în care este necesar curent continuu, apar dificultăți semnificative. De exemplu, în liniile de transmisie a energiei cu rază ultra-lungă, utilizarea curentului continuu oferă avantaje semnificative: pierderile de căldură sunt reduse, deoarece nu există efect de piele (vezi § 87) și nu există rezonante.
(val) tranzitorii la pornirea - oprirea liniei de transmisie, a cărei lungime este de ordinul lungimii de undă a curentului alternativ (6000 km pentru o frecvență industrială de 50 Hz). Dificultatea constă în redresarea curentului alternativ de înaltă tensiune la un capăt al liniei de transport și inversarea acestuia la celălalt.
Astăzi vom vorbi despre fenomenul inducției electromagnetice. Vom dezvălui de ce a fost descoperit acest fenomen și ce beneficii a adus.
Mătase
Oamenii s-au străduit întotdeauna să trăiască mai bine. Cineva ar putea crede că acesta este un motiv pentru a acuza omenirea de lăcomie. Dar adesea vorbim despre obținerea confortului de bază al vieții.
ÎN Europa medievalăȘtiau să facă țesături de lână, bumbac și in. Și la vremea aceea, oamenii sufereau de un exces de purici și păduchi. În același timp, civilizația chineză a învățat deja cum să țese cu pricepere mătasea. Hainele din ea nu permiteau sugătorilor de sânge să intre pe pielea umană. Labele insectelor s-au strecurat peste țesătură netedă, iar păduchii au căzut. Prin urmare, europenii doreau cu orice preț să se îmbrace în mătase. Iar negustorii au crezut că este o altă ocazie de a se îmbogăți. Prin urmare, a fost pus Marele Drum al Mătăsii.
Numai în acest fel țesătura dorită a fost livrată Europei suferinde. Și atât de mulți oameni au fost implicați în proces încât au apărut orașe, imperiile s-au luptat pentru dreptul de a percepe taxe, iar unele porțiuni de drum sunt încă cele mai mod convenabil ajunge la locul potrivit.
Busolă și stea
Munții și deșerturile stăteau în calea caravanelor cu mătase. S-a întâmplat ca caracterul zonei să rămână același timp de săptămâni și luni. Dunele de stepă au lăsat loc acelorași dealuri, o trecătură a urmat alta. Și oamenii au trebuit cumva să navigheze pentru a-și livra marfa lor valoroasă.
Stelele au venit pe primul loc. Știind ce zi este și la ce constelații să se aștepte, un călător cu experiență ar putea întotdeauna să determine unde este sudul, unde este estul și unde să meargă. Dar oamenii cu o cantitate suficientă de cunoștințe au lipsit întotdeauna. Da, și atunci nu au știut să numere cu exactitate timpul. Apus, răsărit - acestea sunt toate reperele. Și o zăpadă sau o furtună de nisip, vremea înnorată a exclus chiar și posibilitatea de a vedea steaua polară.
Atunci oamenii (probabil chinezii antici, dar oamenii de știință încă se ceartă despre asta) și-au dat seama că un mineral este întotdeauna situat într-un anumit mod în raport cu punctele cardinale. Această proprietate a fost folosită pentru a crea prima busolă. Înainte de descoperirea fenomenului de inducție electromagnetică era departe, dar se făcuse un început.
De la busolă la magnet
Însuși numele „magnet” se întoarce la toponim. Probabil că primele busole au fost făcute din minereu extras în dealurile Magnesiei. Această zonă este situată în Asia Mică. Iar magneții arătau ca niște pietre negre.
Primele busole erau foarte primitive. Apa a fost turnată într-un vas sau alt recipient, deasupra a fost plasat un disc subțire de material plutitor. Și un ac magnetizat a fost plasat în centrul discului. Unul dintre capete este întotdeauna îndreptat spre nord, celălalt - spre sud.
Este greu de imaginat că caravana a păstrat apă pentru busolă în timp ce oamenii mureau de sete. Dar nu vă pierdeți direcția și lăsați oamenii, animalele și bunurile să ajungă loc sigur a fost mai important decât câteva vieți separate.
Compasele au făcut multe călătorii și s-au întâlnit cu diverse fenomene naturale. Nu este surprinzător faptul că fenomenul inducției electromagnetice a fost descoperit în Europa, deși minereul magnetic a fost extras inițial în Asia. În acest mod complicat, dorința locuitorilor europeni de a dormi mai confortabil a dus la cea mai importantă descoperire a fizicii.
Magnetic sau electric?
La începutul secolului al XIX-lea, oamenii de știință și-au dat seama cum să obțină curent continuu. Prima baterie primitivă a fost creată. A fost suficient să trimiți un flux de electroni prin conductori metalici. Datorită primei surse de energie electrică, s-au făcut o serie de descoperiri.
În 1820, omul de știință danez Hans Christian Oersted a aflat că acul magnetic deviază lângă conductorul inclus în rețea. Polul pozitiv al busolei este întotdeauna situat într-un anumit mod în raport cu direcția curentului. Omul de știință a făcut experimente în toate geometriile posibile: conductorul era deasupra sau sub săgeată, erau situate paralele sau perpendiculare. Rezultatul a fost întotdeauna același: curentul inclus a pus magnetul în mișcare. Astfel, a fost anticipată descoperirea fenomenului de inducție electromagnetică.
Dar ideea oamenilor de știință trebuie confirmată prin experiment. Imediat după experimentul lui Oersted, fizicianul englez Michael Faraday a pus întrebarea: „Magnetic și câmp electric se influențează unul pe celălalt sau sunt mai strâns legate? Omul de știință a fost primul care a testat ipoteza că, dacă un câmp electric determină devierea unui obiect magnetizat, atunci magnetul ar trebui să genereze un curent.
Schema experienței este simplă. Acum orice student o poate repeta. Un fir de metal subțire a fost încolăcit în formă de arc. Capetele sale erau conectate la un dispozitiv care înregistra curentul. Când un magnet s-a deplasat lângă bobină, săgeata dispozitivului arăta tensiunea câmpului electric. Astfel, a fost derivată legea lui Faraday a inducției electromagnetice.
Continuarea experimentelor
Dar asta nu este tot ce a făcut omul de știință. Deoarece câmpurile magnetice și electrice sunt strâns legate, a fost necesar să aflăm cât de mult.
Pentru a face acest lucru, Faraday a adus curent într-o înfășurare și l-a împins în interiorul unei alte înfășurări similare cu o rază mai mare decât prima. Din nou electricitatea a fost indusă. Astfel, omul de știință a demonstrat: o sarcină în mișcare generează atât câmpuri electrice, cât și magnetice în același timp.
Merită să subliniem că vorbim despre mișcarea unui magnet sau a unui câmp magnetic în interiorul unui circuit închis al unui arc. Adică fluxul trebuie să se schimbe tot timpul. Dacă acest lucru nu se întâmplă, nu se generează curent.
Formulă
Legea lui Faraday pentru inducția electromagnetică este exprimată prin formula
Să descifrăm personajele.
ε reprezintă EMF sau forță electromotoare. Această cantitate este un scalar (adică nu un vector) și arată munca pe care o aplică unele forțe sau legi ale naturii pentru a crea un curent. Trebuie remarcat faptul că munca trebuie efectuată prin fenomene neelectrice.
Φ este fluxul magnetic printr-un circuit închis. Această valoare este produsul altor două: modulul vectorului de inducție magnetică B și aria buclei închise. Dacă câmpul magnetic acționează asupra conturului nu strict perpendicular, atunci la produs se adaugă cosinusul unghiului dintre vectorul B și normala la suprafață.
Consecințele descoperirii
Această lege a fost urmată de altele. Oamenii de știință ulterioare au stabilit dependența puterii curentului electric de putere, rezistența de materialul conductor. Au fost studiate noi proprietăți, au fost create aliaje incredibile. În cele din urmă, omenirea a descifrat structura atomului, a adâncit în secretul nașterii și morții stelelor și a deschis genomul ființelor vii.
Și toate aceste realizări au necesitat o cantitate imensă de resurse și, mai ales, energie electrică. Orice producție sau mare Cercetare științifică s-au realizat acolo unde erau disponibile trei componente: personal calificat, direct materialul cu care se lucrează și energie electrică ieftină.
Și asta era posibil acolo unde forțele naturii puteau da mare moment rotația rotorului: râuri cu o diferență mare de cotă, văi cu Vânturi puternice, defecte cu exces de energie geomagnetică.
Este interesant că mod modern obținerea de energie electrică nu diferă fundamental de experimentele lui Faraday. Rotorul magnetic se rotește foarte repede în interiorul unei bobine mari de sârmă. Câmpul magnetic din înfășurare se modifică tot timpul și se generează un curent electric.
Desigur, selectat cel mai bun material pentru magnet și conductori, iar tehnologia întregului proces este complet diferită. Dar esența este un singur lucru: se folosește un principiu care este deschis pe cel mai simplu sistem.
Trimiteți-vă munca bună în baza de cunoștințe este simplu. Utilizați formularul de mai jos
Studenții, studenții absolvenți, tinerii oameni de știință care folosesc baza de cunoștințe în studiile și munca lor vă vor fi foarte recunoscători.
postat pe http://www.allbest.ru/
INTRODUCERE
Nu este o coincidență că primul și cel mai important pas în descoperirea acestei noi laturi a interacțiunilor electromagnetice a fost făcut de fondatorul ideilor despre câmpul electromagnetic - unul dintre cei mai mari oameni de știință din lume - Michael Faraday (1791-1867) . Faraday era absolut sigur de unitatea fenomenelor electrice și magnetice. La scurt timp după descoperirea lui Oersted, el a scris în jurnalul său (1821): „Transformă magnetismul în electricitate”. De atunci, Faraday, fără încetare, s-a gândit la această problemă. Se spune că purta în mod constant un magnet în buzunarul vestei, care trebuia să-i amintească de sarcina la îndemână. Zece ani mai târziu, în 1831, ca urmare a muncii grele și a credinței în succes, problema a fost rezolvată. El a făcut o descoperire care stă la baza construcției tuturor generatoarelor centralelor electrice ale lumii, care transformă energia mecanică în energie de curent electric. Alte surse: celulele galvanice, termo- și fotocelulele asigură o pondere neglijabilă din energia generată.
Curentul electric, a argumentat Faraday, este capabil să magnetizeze obiecte de fier. Pentru a face acest lucru, puneți doar o bară de fier în interiorul bobinei. Ar putea magnetul, la rândul său, să provoace apariția unui curent electric sau să-i modifice magnitudinea? Multă vreme nu s-a putut găsi nimic.
ISTORIA DESCOPERITĂRII FENOMENULUI INDUCȚIEI ELECTROMAGNETICE
Spune ale signorilor Nobili și Antinori din revista "Antologia"
« Domnul Faraday a descoperit recent o nouă clasă de fenomene electrodinamice. El a trimis un memoriu despre acest lucru Societății Regale din Londra, dar acest memoriu nu a fost încă publicat. Știm despre eldoar o notă comunicată de domnul Afuncţionar al Academiei de Ştiinţe din Paris26 decembrie 1831, pe baza unei scrisori primite de la însuși domnul Faraday.
Acest mesaj ne-a determinat pe mine și pe Chevalier Antinori să repetăm imediat experimentul de bază și să-l studiem din diferite puncte de vedere. Ne flatăm cu speranța că rezultatele la care am ajuns să le aibă valoare cunoscută, și de aceea ne grăbim să le publicăm fără să avemanteriormateriale, cu excepția biletului care a servit punct de startîn cercetarea noastră.»
„Memoriile domnului Faraday”, după cum spune nota, „este împărțit în patru părți.
În primul, intitulat „Excitația electricității galvanice”, găsim următorul fapt principal: Un curent galvanic care trece printr-un fir metalic produce un alt curent în firul care se apropie; al doilea curent este opus în sens primului și durează doar o clipă. Dacă curentul de excitație este îndepărtat, în fir apare un curent sub influența sa, opus celui care a apărut în el în primul caz, adică. în aceeași direcție cu curentul de excitare.
A doua parte a memoriei vorbește despre curenții electrici provocați de magnet. Apropiindu-se de magneții bobinei, domnul Faraday a produs curenți electrici; când bobinele au fost îndepărtate, au apărut curenți de sens opus. Acești curenți au un efect puternic asupra galvanometrului, trecând, deși slab, prin saramură și alte soluții. De aici rezultă că acest om de știință, folosind un magnet, a excitat curenții electrici descoperiți de domnul Ampère.
A treia parte a memoriului se referă la starea electrică de bază, pe care domnul Faraday o numește stare electromonică.
Partea a patra vorbește despre un experiment pe cât de curios, pe atât de neobișnuit, aparținând domnului Arago; după cum se știe, acest experiment constă în faptul că acul magnetic se rotește sub influența unui disc metalic rotativ. El a descoperit că atunci când un disc de metal se rotește sub influența unui magnet, curenții electrici pot apărea într-o cantitate suficientă pentru a face o nouă mașină electrică din disc.
TEORIA MODERNĂ A INDUCȚIEI ELECTROMAGNETICE
Curenții electrici creează un câmp magnetic în jurul lor. Poate un câmp magnetic să provoace un câmp electric? Faraday a descoperit experimental că atunci când fluxul magnetic care pătrunde într-un circuit închis se modifică, în acesta ia naștere un curent electric. Acest fenomen a fost numit inducție electromagnetică. Curentul care apare în timpul fenomenului de inducție electromagnetică se numește inductiv. Strict vorbind, atunci când circuitul se mișcă într-un câmp magnetic, nu se generează un anumit curent, ci un anumit EMF. Un studiu mai detaliat al inducției electromagnetice a arătat că EMF de inducție care apare în orice circuit închis este egală cu rata de modificare a fluxului magnetic prin suprafața delimitată de acest circuit, luată cu semnul opus.
Forța electromotoare din circuit este rezultatul acțiunii forțelor externe, adică. forţe de origine neelectrică. Când un conductor se mișcă într-un câmp magnetic, rolul forțelor exterioare este îndeplinit de forța Lorentz, sub acțiunea căreia se separă sarcinile, în urma căreia apare o diferență de potențial la capetele conductorului. EMF de inducție într-un conductor caracterizează munca de mișcare a unei unități sarcină pozitivă de-a lungul conductorului.
Fenomenul de inducție electromagnetică stă la baza funcționării generatoarelor electrice. Dacă cadrul de sârmă este rotit uniform într-un câmp magnetic uniform, atunci apare un curent indus, schimbându-și periodic direcția. Chiar și un singur cadru care se rotește într-un câmp magnetic uniform este un generator de curent alternativ.
STUDIUL EXPERIMENTAL AL FENOMENELOR DE INDUCȚIE ELECTROMAGNETICĂ
Luați în considerare experimentele clasice ale lui Faraday, cu ajutorul cărora a fost descoperit fenomenul inducției electromagnetice:
Când mutați un magnet permanent, acesta linii de forță traversează spirele bobinei, în acest caz curent de inducție, deci acul galvanometrului deviază. Citirile dispozitivului depind de viteza de mișcare a magnetului și de numărul de spire ale bobinei.
În acest experiment, trecem un curent prin prima bobină, care creează un flux magnetic, iar când a doua bobină se mișcă în interiorul primei, are loc o intersecție. linii magnetice, deci există un curent inductiv.
La efectuarea experimentului nr. 2, s-a înregistrat că în momentul în care comutatorul a fost pornit, săgeata dispozitivului a deviat și a arătat valoarea EMF, apoi săgeata a revenit în poziția inițială. Când comutatorul a fost oprit, săgeata a deviat din nou, dar în cealaltă direcție și a arătat valoarea EMF, apoi a revenit la poziția inițială. În momentul în care comutatorul este pornit, curentul crește, dar apare un fel de forță care împiedică creșterea curentului. Această forță se autoinduce, așa că a fost numită fem de auto-inducție. La momentul opririi se întâmplă același lucru, doar direcția EMF s-a schimbat, așa că săgeata dispozitivului a deviat în direcția opusă.
Această experiență arată că EMF de inducție electromagnetică apare atunci când amploarea și direcția curentului se schimbă. Acest lucru demonstrează că EMF de inducție, care se creează singur, este rata de schimbare a curentului.
În decurs de o lună, Faraday a descoperit experimental toate trăsăturile esențiale ale fenomenului de inducție electromagnetică. A rămas doar să dau legii o formă cantitativă strictă și să dezvăluim pe deplin natura fizica fenomene. Faraday însuși a înțeles deja lucrul comun care determină apariția unui curent de inducție în experimente care arată diferit în exterior.
Într-un circuit conductor închis, un curent apare atunci când se modifică numărul de linii de inducție magnetică care pătrund în suprafața delimitată de acest circuit. Acest fenomen se numește inducție electromagnetică.
Și cu cât numărul de linii de inducție magnetică se modifică mai repede, cu atât este mai mare curentul rezultat. În acest caz, motivul modificării numărului de linii de inducție magnetică este complet indiferent.
Aceasta poate fi o modificare a numărului de linii de inducție magnetică care pătrunde într-un conductor fix datorită unei modificări a intensității curentului într-o bobină adiacentă și o modificare a numărului de linii datorită mișcării circuitului într-un câmp magnetic neomogen. , a căror densitate de linii variază în spațiu.
REGULA LENTZ
Curentul inductiv care a apărut în conductor începe imediat să interacționeze cu curentul sau magnetul care l-a generat. Dacă un magnet (sau o bobină cu curent) este adus mai aproape de un conductor închis, atunci curentul de inducție emergent cu câmpul său magnetic respinge în mod necesar magnetul (bobina). Trebuie să se lucreze pentru a apropia magnetul și bobina. Când magnetul este îndepărtat, apare atracția. Această regulă este respectată cu strictețe. Imaginați-vă dacă lucrurile ar fi altfel: ați împins magnetul spre bobină și s-ar repeta în el de la sine. Acest lucru ar încălca legea conservării energiei. La urma urmei, energia mecanică a magnetului ar crește și, în același timp, ar apărea un curent, care în sine necesită cheltuirea de energie, deoarece curentul poate face și el lucru. Curentul electric indus în armătura generatorului, interacționând cu câmpul magnetic al statorului, încetinește rotația armăturii. Numai prin urmare, pentru a roti armătura, trebuie să se lucreze, cu cât este mai mare, cu atât puterea curentului este mai mare. Datorită acestei lucrări, apare un curent inductiv. Este interesant de observat că, dacă câmpul magnetic al planetei noastre ar fi foarte mare și foarte neomogen, atunci mișcările rapide ale corpurilor conductoare pe suprafața sa și în atmosferă ar fi imposibile din cauza interacțiunii intense a curentului indus în corp cu aceasta. camp. Corpurile s-ar mișca ca într-un mediu dens vâscos și în același timp ar fi puternic încălzite. Nici avioanele, nici rachetele nu puteau zbura. O persoană nu își poate mișca rapid nici brațele, nici picioarele, deoarece corpul uman este un bun dirijor.
Dacă bobina în care este indus curentul este staționară față de bobina adiacentă cu curent alternativ, ca, de exemplu, într-un transformator, atunci în acest caz direcția curentului de inducție este dictată de legea conservării energiei. Acest curent este întotdeauna dirijat în așa fel încât câmpul magnetic pe care îl creează tinde să reducă variațiile de curent în primar.
Repulsia sau atracția unui magnet de către o bobină depinde de direcția curentului de inducție în acesta. Prin urmare, legea conservării energiei ne permite să formulăm o regulă care să determine direcția curentului de inducție. Care este diferența dintre cele două experimente: apropierea magnetului de bobină și îndepărtarea acestuia? În primul caz, fluxul magnetic (sau numărul liniilor de inducție magnetică care pătrund în spirele bobinei) crește (Fig. a), iar în al doilea caz scade (Fig. b). Mai mult, în primul caz, liniile de inducție B" ale câmpului magnetic creat de curentul de inducție care a apărut în bobină ies din capătul superior al bobinei, deoarece bobina respinge magnetul, iar în al doilea caz , dimpotrivă, ele intră în acest capăt.Aceste linii de inducție magnetică din figură sunt prezentate cu o lovitură .
Acum am ajuns la punctul principal: odată cu creșterea fluxului magnetic prin spirele bobinei, curentul de inducție are o astfel de direcție încât câmpul magnetic pe care îl creează împiedică creșterea fluxului magnetic prin spirele bobinei. La urma urmei, vectorul de inducție al acestui câmp este îndreptat împotriva vectorului de inducție a câmpului, a cărui modificare generează un curent electric. Dacă fluxul magnetic prin bobină slăbește, atunci curentul inductiv creează un câmp magnetic cu inducție, care crește fluxul magnetic prin spirele bobinei.
Aceasta este esența regulii generale pentru determinarea direcției curentului inductiv, care este aplicabilă în toate cazurile. Această regulă a fost stabilită de fizicianul rus E.X. Lenz (1804-1865).
Conform regulii lui Lenz, curentul inductiv care apare într-un circuit închis are o astfel de direcție încât fluxul magnetic creat de acesta prin suprafața delimitată de circuit tinde să prevină modificarea fluxului care generează acest curent. Sau, curentul de inducție are o astfel de direcție încât previne cauza care îl provoacă.
În cazul supraconductorilor, compensarea modificărilor fluxului magnetic extern va fi completă. Fluxul de inducție magnetică printr-o suprafață delimitată de un circuit supraconductor nu se modifică deloc în timp, în nicio condiție.
LEGEA INDUCȚIEI ELECTROMAGNETICE
inducție electromagnetică faraday lenz
Experimentele lui Faraday au arătat că puterea curentului indus eu i într-un circuit conductor este proporțională cu rata de schimbare a numărului de linii de inducție magnetică care pătrund în suprafața delimitată de acest circuit. Mai precis, această afirmație poate fi formulată folosind conceptul de flux magnetic.
Fluxul magnetic este clar interpretat ca numărul de linii de inducție magnetică care pătrund într-o suprafață cu o zonă S. Prin urmare, rata de schimbare a acestui număr nu este altceva decât viteza de schimbare a fluxului magnetic. Dacă în scurt timp t fluxul magnetic se modifică în D F, atunci viteza de schimbare a fluxului magnetic este egală cu.
Prin urmare, o afirmație care decurge direct din experiență poate fi formulată după cum urmează:
puterea curentului de inducție este proporțională cu viteza de schimbare a fluxului magnetic prin suprafața delimitată de contur:
Amintiți-vă că un curent electric apare în circuit atunci când forțele externe acționează asupra sarcinilor libere. Lucrul acestor forțe atunci când se deplasează o singură sarcină pozitivă de-a lungul unui circuit închis se numește forță electromotoare. Prin urmare, atunci când fluxul magnetic se modifică prin suprafața delimitată de contur, în ea apar forțe externe, a căror acțiune este caracterizată de un EMF, numit EMF de inducție. Să o notăm cu litera E eu .
Legea inducției electromagnetice este formulată special pentru EMF, și nu pentru puterea curentului. Prin această formulare, legea exprimă esența fenomenului, care nu depinde de proprietățile conductorilor în care apare curentul de inducție.
Conform legii inducției electromagnetice (EMR), EMF de inducție într-o buclă închisă este egală în valoare absolută cu rata de modificare a fluxului magnetic prin suprafața delimitată de buclă:
Cum se ține cont de direcția curentului de inducție (sau semnul EMF de inducție) în legea inducției electromagnetice în conformitate cu regula Lenz?
Figura prezintă o buclă închisă. Vom considera pozitivă direcția de ocolire a conturului în sens invers acelor de ceasornic. Normala la contur formează un șurub drept cu direcția de bypass. Semnul EMF, adică munca specifică, depinde de direcția forțelor externe în raport cu direcția de ocolire a circuitului.
Dacă aceste direcții coincid, atunci E i > 0 și, în consecință, eu i > 0. În caz contrar, EMF și puterea curentului sunt negative.
Lăsați inducerea magnetică a câmpului magnetic extern să fie direcționată de-a lungul normalului la contur și să crească în timp. Apoi F> 0 și > 0. Conform regulii lui Lenz, curentul de inducție creează un flux magnetic F" < 0. Линии индукции B„Câmpul magnetic al curentului de inducție este prezentat în figură cu o liniuță. Prin urmare, curentul de inducție eu i este îndreptată în sensul acelor de ceasornic (împotriva direcției de bypass pozitivă) iar fem-ul de inducție este negativ. Prin urmare, în legea inducției electromagnetice, trebuie să existe un semn minus:
ÎN sistem international unități, legea inducției electromagnetice este folosită pentru a stabili unitatea de flux magnetic. Această unitate se numește weber (Wb).
Din moment ce EMF de inducție E i este exprimat în volți, iar timpul este în secunde, apoi din legea Weber EMP poate fi determinată după cum urmează:
fluxul magnetic prin suprafața delimitată de o buclă închisă este egal cu 1 Wb, dacă, cu o scădere uniformă a acestui flux la zero în 1 s, apare în buclă o fem de inducție egală cu 1 V: 1 Wb \u003d 1 V 1 s.
APLICAREA PRACTICĂ A FENOMENELOR DE INDUCȚIE ELECTROMAGNETICĂ
Difuzare
Un câmp magnetic alternativ, excitat de un curent în schimbare, creează un câmp electric în spațiul înconjurător, care, la rândul său, excită un câmp magnetic și așa mai departe. Generandu-se reciproc reciproc, aceste campuri formeaza un singur camp electromagnetic variabil - unde electromagnetice. Apărând în locul unde există un fir cu curent, câmpul electromagnetic se propagă în spațiu cu viteza luminii -300.000 km/s.
Magnetoterapia
În spectrul de frecvență locuri diferite ocupat de unde radio, lumină, raze X și altele radiatie electromagnetica. Ele sunt de obicei caracterizate de câmpuri electrice și magnetice interconectate continuu.
Sincrofazotroni
În prezent, un câmp magnetic este înțeles ca o formă specială de materie constând din particule încărcate. În fizica modernă, fasciculele de particule încărcate sunt folosite pentru a pătrunde adânc în atomi pentru a le studia. Forța cu care acționează un câmp magnetic asupra unei particule încărcate în mișcare se numește forță Lorentz.
Debitmetre - contoare
Metoda se bazează pe aplicarea legii lui Faraday pentru un conductor într-un câmp magnetic: în fluxul unui lichid conductor electric care se mișcă într-un câmp magnetic, este indus un EMF proporțional cu viteza curgerii, care este convertit de partea electronică în un semnal electric analog/digital.
generator de curent continuu
În modul generator, armătura mașinii se rotește sub influența unui moment extern. Între polii statorului există un flux magnetic constant care pătrunde în armătură. Conductorii înfășurării armăturii se mișcă într-un câmp magnetic și, prin urmare, în ei este indus un EMF, a cărui direcție poate fi determinată de regula " mana dreapta". În acest caz, un potențial pozitiv apare pe o perie în raport cu a doua. Dacă o sarcină este conectată la bornele generatorului, atunci un curent va curge în ea.
Fenomenul EMR este utilizat pe scară largă în transformatoare. Să luăm în considerare acest dispozitiv mai detaliat.
TRANSFORMATORI
Transformator (din lat. transformo - transform) - static dispozitiv electromagnetic având două sau mai multe înfășurări cuplate inductiv și destinate a fi convertite prin inducția electromagnetică a unuia sau mai multor sisteme de curent alternativ în unul sau mai multe alte sisteme de curent alternativ.
Inventatorul transformatorului este omul de știință rus P.N. Yablochkov (1847 - 1894). În 1876, Yablochkov a folosit o bobină de inducție cu două înfășurări ca transformator pentru a alimenta lumânările electrice pe care le-a inventat. Transformatorul Yablochkov avea un miez deschis. Transformatoarele cu miez închis, similare celor folosite astăzi, au apărut mult mai târziu, în 1884. Odată cu inventarea transformatorului a apărut un interes tehnic pentru curentul alternativ, care nu fusese aplicat până atunci.
Transformatoarele sunt utilizate pe scară largă în transmiterea energiei electrice pe distanțe lungi, distribuția acesteia între receptoare, precum și în diverse dispozitive de redresare, amplificare, semnalizare și alte dispozitive.
Transformarea energiei în transformator se realizează printr-un câmp magnetic alternativ. Transformatorul este un miez de plăci subțiri de oțel izolate una de cealaltă, pe care sunt plasate două și uneori mai multe înfășurări (bobine) de sârmă izolata. Înfășurarea la care este conectată sursa de energie electrică AC se numește înfășurare primară, înfășurările rămase sunt numite secundare.
Dacă în înfășurarea secundară a transformatorului sunt înfășurate de trei ori mai multe spire decât în primar, atunci câmpul magnetic creat în miez de înfășurarea primară, care traversează spirele înfășurării secundare, va crea de trei ori mai multă tensiune în el.
Folosind un transformator cu un raport invers, puteți obține la fel de ușor și simplu o tensiune redusă.
Laecuația transformatorului ideal
Un transformator ideal este un transformator care nu are pierderi de energie pentru încălzirea înfășurărilor și a fluxurilor de scurgeri ale înfășurării. Într-un transformator ideal, toate liniile de forță trec prin toate spirele ambelor înfășurări și, deoarece câmpul magnetic în schimbare generează același EMF în fiecare tură, EMF total indus în înfășurare este proporțional cu numărul total de spire. Un astfel de transformator transformă toată energia de intrare din circuitul primar într-un câmp magnetic și apoi în energia circuitului secundar. În acest caz, energia de intrare este egală cu energia convertită:
Unde P1 este valoarea instantanee a puterii furnizate transformatorului din circuitul primar,
P2 este valoarea instantanee a puterii convertite de transformatorul care intră în circuitul secundar.
Combinând această ecuație cu raportul tensiunilor de la capetele înfășurărilor, obținem ecuația pentru un transformator ideal:
Astfel, obtinem ca odata cu cresterea tensiunii la capetele infasurarii secundare U2, curentul circuitului secundar I2 scade.
Pentru a converti rezistența unui circuit în rezistența altuia, trebuie să înmulțiți valoarea cu pătratul raportului. De exemplu, rezistența Z2 este conectată la capetele înfășurării secundare, valoarea sa redusă la circuitul primar va fi
Această regulă este valabilă și pentru circuitul secundar:
Desemnarea pe diagrame
În diagrame, transformatorul este indicat după cum urmează:
Linia groasă centrală corespunde miezului, 1 este înfășurarea primară (de obicei în stânga), 2.3 este înfășurarea secundară. Numărul de semicercuri într-o aproximare aproximativă simbolizează numărul de spire ale înfășurării (mai multe spire - mai multe semicercuri, dar fără proporționalitate strictă).
APLICAȚII DE TRANSFORMATOR
Transformatoarele sunt utilizate pe scară largă în industrie și viața de zi cu zi pentru diverse scopuri:
1. Pentru transportul și distribuția energiei electrice.
De obicei, la centralele electrice, generatoarele de curent alternativ generează energie electrică la o tensiune de 6-24 kV și transmit energie electrică către distanta lunga avantajos la tensiuni mult mai mari (110, 220, 330, 400, 500 și 750 kV). Prin urmare, la fiecare centrală se instalează transformatoare care măresc tensiunea.
Distribuția energiei electrice între întreprinderi industriale, localități, orașe și zone rurale, precum și în interiorul întreprinderilor industriale, se produce prin linii aeriene și cabluri, la o tensiune de 220, 110, 35, 20, 10 și 6 kV. Prin urmare, transformatoarele trebuie instalate în toate nodurile de distribuție care reduc tensiunea la 220, 380 și 660 V.
2. Pentru a furniza circuitul dorit pentru pornirea supapelor în dispozitivele convertoare și pentru a potrivi tensiunea la ieșirea și intrarea convertizorului. Transformatoarele utilizate în aceste scopuri se numesc transformatoare.
3. Pentru diverse scopuri tehnologice: sudare (transformatoare de sudura), alimentarea instalatiilor electrotermale (transformatoare cuptor electric) etc.
4. Pentru alimentarea diferitelor circuite de echipamente radio, echipamente electronice, dispozitive de comunicatie si automatizare, aparate electrocasnice, pentru separarea circuitelor electrice diverse elemente a acestor dispozitive, pentru potrivirea tensiunii etc.
5. Să includă instrumente electrice de măsură și unele aparate (relee etc.) în circuite electrice de înaltă tensiune sau în circuite prin care trec curenți mari, pentru extinderea limitelor de măsurare și asigurarea siguranței electrice. Transformatoarele folosite în aceste scopuri se numesc de măsurare.
CONCLUZIE
Fenomenul inducției electromagnetice și cazurile sale speciale sunt utilizate pe scară largă în inginerie electrică. Folosit pentru a transforma energia mecanică în energie electrică generatoare sincrone . Transformatoarele sunt folosite pentru a crește sau a reduce tensiunea AC. Utilizarea transformatoarelor face posibilă transferul economic de energie electrică de la centralele electrice la nodurile de consum.
BIBLIOGRAFIE:
1. Curs de fizică, manual pentru universități. T.I. Trofimova, 2007.
2. Fundamentele teoriei circuitelor, G.I. Atabekov, Lan, Sankt Petersburg, - M., - Krasnodar, 2006.
3. Mașini electrice, L.M. Piotrovsky, L., Energie, 1972.
4. Transformatoare de putere. Carte de referință / Ed. S.D. Lizunova, A.K. Lokhanin. M.: Energoizdat 2004.
5. Proiectarea transformatoarelor. A.V. Sapojnikov. M.: Gosenergoizdat. 1959.
6. Calculul transformatoarelor. Manual pentru universități. P.M. Tihomirov. Moscova: Energie, 1976.
7. Fizica - manual pentru scolile tehnice, autor V.F. Dmitriev, ediția Moscova „Școala superioară” 2004.
Găzduit pe Allbest.ru
Documente similare
Concepte generale, istoria descoperirii inducției electromagnetice. Coeficientul de proporționalitate în legea inducției electromagnetice. Modificarea fluxului magnetic pe exemplul dispozitivului Lenz. Inductanța solenoidului, calculul densității energiei câmpului magnetic.
prelegere, adăugată 10.10.2011
Istoria descoperirii fenomenului de inducție electromagnetică. Investigarea dependenței fluxului magnetic de inducția magnetică. Aplicarea practică a fenomenului de inducție electromagnetică: radiodifuziune, magnetoterapie, sincrofazotroni, generatoare electrice.
rezumat, adăugat 15.11.2009
Lucrați la deplasarea unui conductor cu curent într-un câmp magnetic. Studiul fenomenului de inducție electromagnetică. Metode de obținere a curentului de inducție într-un câmp magnetic constant și alternativ. Natura forței electromotoare a inducției electromagnetice. legea lui Faraday.
prezentare, adaugat 24.09.2013
Inducția electromagnetică este fenomenul de generare a unui câmp electric vortex printr-un câmp magnetic alternativ. Istoria descoperirii acestui fenomen de Michael Faraday. Alternator cu inducție. Formula pentru determinarea forței electromotoare de inducție.
rezumat, adăugat 13.12.2011
Inductie electromagnetica. Legea lui Lenz, forța electromotoare. Metode de măsurare a inducției magnetice și a tensiunii magnetice. Curenți turbionari (curenți Foucault). Rotirea cadrului într-un câmp magnetic. Autoinducție, curent la închiderea și deschiderea circuitului. Inducerea reciprocă.
lucrare de termen, adăugată 25.11.2013
Mașini electrice ca acelea în care transformarea energiei are loc ca urmare a fenomenului de inducție electromagnetică, istoria și principalele etape de dezvoltare, realizări în acest domeniu. Crearea unui motor electric cu posibilitate de aplicare practică.
rezumat, adăugat 21.06.2012
Caracteristicile câmpului electric vortex. Explicarea analitică a faptelor experimentale. Legile inducției electromagnetice și Ohm. Fenomene de rotație a planului de polarizare a luminii într-un câmp magnetic. Metode de obținere a curentului de inducție. Aplicarea regulii lui Lenz.
prezentare, adaugat 19.05.2014
Copilăria și tinerețea lui Michael Faraday. Noțiuni introductive la Instituția Regală. Primele studii independente ale lui M. Faraday. Legea inducției electromagnetice, electroliza. Boala Faraday, lucrare experimentală recentă. Semnificaţia descoperirilor lui M. Faraday.
rezumat, adăugat 06.07.2012
O scurtă schiță a vieții, dezvoltării personale și creative a marelui fizician englez Michael Faraday. Cercetările lui Faraday în domeniul electromagnetismului și descoperirea lui a fenomenului de inducție electromagnetică, formularea legii. Experimente cu electricitate.
rezumat, adăugat 23.04.2009
Perioada de școlarizare a lui Michael Faraday, prima sa cercetare independentă (experimente în topirea oțelurilor care conțin nichel). Crearea de către un fizician englez a primului model de motor electric, descoperirea inducției electromagnetice și a legilor electrolizei.
Khudoley Andrey, Khnykov Igor
Aplicarea practică a fenomenului de inducție electromagnetică.
Descarca:
Previzualizare:
Pentru a utiliza previzualizarea prezentărilor, creați-vă un cont ( cont) Google și conectați-vă: https://accounts.google.com
Subtitrările slide-urilor:
Inducția electromagnetică în tehnologia modernă Realizată de elevii clasei 11 „A” MOUSOSH Nr. 2 din orașul Suvorov Khnykov Igor, Khudoley Andrey
Fenomenul de inducție electromagnetică a fost descoperit la 29 august 1831 de Michael Faraday. Fenomenul de inducție electromagnetică constă în apariția unui curent electric într-un circuit conductor, care fie se odihnește într-un câmp magnetic care se modifică în timp, fie se mișcă într-un câmp magnetic constant în așa fel încât numărul liniilor de inducție magnetică care pătrund în modificări de circuit.
EMF de inducție electromagnetică într-o buclă închisă este numeric egală și opusă ca semn ratei de modificare a fluxului magnetic prin suprafața delimitată de această buclă. Direcția curentului de inducție (precum și mărimea EMF) este considerată pozitivă dacă coincide cu direcția selectată de ocolire a circuitului.
Experimentul lui Faraday Un magnet permanent este introdus sau scos dintr-o bobină conectată la un galvanometru. Când magnetul se mișcă în circuit, apare un curent electric.În decurs de o lună, Faraday a descoperit experimental toate trăsăturile esențiale ale fenomenului de inducție electromagnetică. În prezent, experimentele lui Faraday pot fi realizate de oricine.
principalele surse câmp electromagnetic Ca surse principale ale câmpului electromagnetic pot fi identificate: Linii electrice. Cablaj (în interiorul clădirilor și structurilor). Aparate electrocasnice. Calculatoare personale. Posturi de transmisie TV si radio. Comunicații prin satelit și celulare (dispozitive, repetoare). Transport electric. instalatii radar.
Linii electrice Firele unei linii electrice în funcțiune creează un câmp electromagnetic de frecvență industrială (50 Hz) în spațiul adiacent (la distanțe de ordinul a zeci de metri față de fir). Mai mult, intensitatea câmpului în apropierea liniei poate varia într-o gamă largă, în funcție de sarcina sa electrică. De fapt, limitele zonei de protecție sanitară sunt stabilite de-a lungul liniei de delimitare cea mai îndepărtată de firele cu intensitatea maximă a câmpului electric, egală cu 1 kV/m.
Cablaje electrice Cablajele electrice includ: cabluri de alimentare pentru sistemele de susținere a vieții clădirilor, fire de distribuție a energiei, precum și plăci de ramificație, cutii de alimentare și transformatoare. Cablajul electric este principala sursă a câmpului electromagnetic de frecvență industrială în spațiile rezidențiale. În acest caz, nivelul intensității câmpului electric emis de sursă este adesea relativ scăzut (nu depășește 500 V/m).
Aparatele electrocasnice Sursele de câmpuri electromagnetice sunt toate aparatele electrocasnice care funcționează cu curent electric. În același timp, nivelul de radiație variază pe cea mai largă gamă, în funcție de model, dispozitivul dispozitivului și modul specific de funcționare. De asemenea, nivelul de radiație depinde puternic de consumul de energie al dispozitivului - cu cât puterea este mai mare, cu atât nivelul câmpului electromagnetic este mai mare în timpul funcționării dispozitivului. Intensitatea câmpului electric în apropierea aparatelor de uz casnic nu depășește zeci de V/m.
Calculatoare personale Principala sursă de efecte adverse asupra sănătății pentru un utilizator de computer este dispozitivul de afișare al monitorului (VOD). Pe lângă monitor și unitatea de sistem, un computer personal poate include și un număr mare de alte dispozitive (cum ar fi imprimante, scanere, filtre de rețea etc.). Toate aceste dispozitive funcționează cu utilizarea curentului electric, ceea ce înseamnă că sunt surse de câmp electromagnetic.
Câmpul electromagnetic al computerelor personale are cea mai complexă compoziție de undă și spectrală și este dificil de măsurat și cuantificat. Are componente magnetice, electrostatice și de radiații (în special, potențialul electrostatic al unei persoane care stă în fața unui monitor poate varia de la -3 la +5 V). Având în vedere condiția că calculatoarele personale sunt acum utilizate activ în toate industriile activitate umana, impactul lor asupra sănătății umane este supus unui studiu și control atent
Posturi de televiziune și radio Un număr semnificativ de posturi de radio și centre de diferite afilieri se află în prezent pe teritoriul Rusiei. Stațiile și centrele de transmisie sunt situate în zone special desemnate pentru acestea și pot ocupa teritorii destul de mari (până la 1000 ha). Prin structura lor, acestea includ una sau mai multe clădiri tehnice, unde sunt amplasate transmițătoare radio și câmpuri de antene, pe care sunt amplasate până la câteva zeci de sisteme de alimentare cu antenă (AFS). Fiecare sistem include o antenă radiantă și o linie de alimentare care aduce semnalul de difuzare.
Comunicații prin satelit Sistemele de comunicații prin satelit constau dintr-o stație de transmisie pe Pământ și sateliți - repetoare pe orbită. Stațiile de transmisie prin satelit emit un fascicul de undă îngust direcționat, densitatea fluxului de energie în care ajunge la sute de W/m. Sistemele de comunicații prin satelit creează intensități mari ale câmpului electromagnetic la distanțe considerabile de antene. De exemplu, o stație cu o putere de 225 kW, care funcționează la o frecvență de 2,38 GHz, creează o densitate a fluxului de energie de 2,8 W/m2 la o distanță de 100 km. Imprăștirea energiei în raport cu fasciculul principal este foarte mică și are loc mai ales în zona de plasare directă a antenei.
Comunicarea celulară Radiotelefonia celulară este astăzi unul dintre cele mai intens dezvoltate sisteme de telecomunicații. Elementele principale ale sistemului comunicare celulară sunt stații de bază și radiotelefoane mobile. Stațiile de bază mențin comunicația radio cu dispozitivele mobile, drept urmare sunt surse de câmp electromagnetic. Sistemul folosește principiul împărțirii zonei de acoperire în zone, sau așa-numitele „celule”, cu o rază de km.
Intensitatea radiației stației de bază este determinată de sarcină, adică de prezența proprietarilor celulareîn zona de serviciu a unei anumite stații de bază și dorința lor de a folosi telefonul pentru o conversație, care, la rândul său, depinde în mod fundamental de ora din zi, locația stației, ziua săptămânii și alți factori . Noaptea, încărcarea stațiilor este aproape zero. Intensitatea radiației dispozitivelor mobile depinde în mare măsură de starea canalului de comunicație „radiotelefon mobil - stație de bază” (cu cât distanța de la stația de bază este mai mare, cu atât intensitatea radiației dispozitivului este mai mare).
Transportul electric Transportul electric (troleibuze, tramvaie, metrou, etc.) este o sursă puternică de câmp electromagnetic în intervalul de frecvență Hz. În același timp, în majoritatea covârșitoare a cazurilor, motorul electric de tracțiune acționează ca emițător principal (la troleibuze și tramvaie, colectoarele de curent de aer concurează cu motorul electric în ceea ce privește intensitatea câmpului electric radiat).
Instalații radar Instalațiile radar și radar au de obicei antene de tip reflector („antene”) și emit un fascicul radio îngust direcționat. Mișcarea periodică a antenei în spațiu duce la discontinuitatea spațială a radiației. Există, de asemenea, o discontinuitate temporară a radiațiilor din cauza funcționării ciclice a radarului pentru radiații. Acestea funcționează la frecvențe de la 500 MHz la 15 GHz, dar unele instalații speciale pot funcționa la frecvențe de până la 100 GHz sau mai mult. Datorită naturii speciale a radiațiilor, acestea pot crea zone cu o densitate mare a fluxului de energie (100 W/m2 sau mai mult) pe sol.
Detectoare de metale Tehnologic, principiul de funcționare al unui detector de metale se bazează pe fenomenul de înregistrare a unui câmp electromagnetic care se creează în jurul oricărui obiect metalic atunci când acesta este plasat într-un câmp electromagnetic. Acest câmp electromagnetic secundar diferă atât ca intensitate (intensitatea câmpului), cât și în alți parametri. Acești parametri depind de dimensiunea obiectului și de conductivitatea acestuia (aurul și argintul au o conductivitate mult mai bună decât, de exemplu, plumbul) și, bineînțeles, de distanța dintre antena detectorului de metale și obiectul în sine (adâncimea de apariție).
Tehnologia de mai sus a determinat compoziția detectorului de metale: este alcătuit din patru blocuri principale: o antenă (uneori antenele de emisie și cele de recepție sunt diferite, iar uneori sunt aceeași antenă), o unitate de procesare electronică, o unitate de ieșire a informațiilor (vizual). - Afișaj LCD sau cadran indicator și audio - difuzor sau mufă pentru căști) și alimentare.
Detectoarele de metale sunt: Căutare Inspecție În scopuri de construcție
Căutare Acest detector de metale este conceput pentru a căuta tot felul de obiecte metalice. De regulă, acestea sunt cele mai mari ca dimensiune, cost și, bineînțeles, în ceea ce privește funcțiile modelului. Acest lucru se datorează faptului că uneori trebuie să găsiți obiecte la o adâncime de până la câțiva metri în grosimea pământului. O antenă puternică este capabilă să genereze un nivel ridicat de câmp electromagnetic și să detecteze chiar și cei mai mici curenți la adâncimi mari cu sensibilitate ridicată. De exemplu, un detector de metale de căutare detectează o monedă de metal la o adâncime de 2-3 metri în pământ, care poate conține chiar compuși geologici feruginoși.
Camere de inspecție Folosite de serviciile speciale, vameși și ofițeri de securitate ai diverselor organizații pentru căutarea obiectelor metalice (arme, metale pretioase, fire de dispozitive explozive etc.) ascunse pe corpul și în hainele unei persoane. Aceste detectoare de metale se disting prin compactitate, ușurință în utilizare, prezența unor moduri precum vibrația silențioasă a mânerului (astfel încât persoana căutată să nu știe că ofițerul de căutare a găsit ceva). Intervalul (adâncimea) de detectare a unei monede ruble în astfel de detectoare de metale ajunge la 10-15 cm.
Detectoarele de metale arcuite, care seamănă la exterior cu un arc și necesită trecerea unei persoane prin el, sunt de asemenea utilizate pe scară largă. De-a lungul pereților lor verticali sunt așezate antene ultra-sensibile, care detectează obiecte metalice la toate nivelurile de creștere umană. Sunt instalate de obicei în fața locurilor de divertisment cultural, în bănci, instituții etc. Caracteristica principală a detectoarelor de metale arcuite este sensibilitatea ridicată (reglabilă) și viteza mare de procesare a fluxului de persoane.
În scopuri de construcție Această clasă de detectoare de metale, cu ajutorul alarmelor sonore și luminoase, ajută constructorii să găsească tevi metalice, elemente structurale sau de antrenare situate atât în grosimea pereților, cât și în spatele pereților despărțitori și panourilor false. Unele detectoare de metale în scopuri de construcție sunt adesea combinate într-un singur dispozitiv cu detectoare constructie din lemn, detectoare de tensiune pe fire purtătoare de curent, detectoare de scurgeri etc.
Știm deja că un curent electric, care se deplasează printr-un conductor, creează un câmp magnetic în jurul acestuia. Pe baza acestui fenomen, omul a inventat și folosește pe scară largă o mare varietate de electromagneți. Dar se pune întrebarea: dacă sarcinile electrice, în mișcare, provoacă apariția unui câmp magnetic, dar nu funcționează și invers?
Adică, un câmp magnetic poate face ca un curent electric să circule într-un conductor? În 1831, Michael Faraday a stabilit că un curent electric este generat într-un circuit electric conductor închis atunci când un câmp magnetic se modifică. Un astfel de curent a fost numit curent de inducție, iar fenomenul de apariție a unui curent într-un circuit conductor închis cu o modificare a câmpului magnetic care pătrunde în acest circuit se numește inducție electromagnetică.
Fenomenul inducției electromagnetice
Numele „electromagnetic” în sine constă din două părți: „electro” și „magnetic”. Fenomenele electrice și magnetice sunt indisolubil legate între ele. Iar dacă sarcinile electrice, în mișcare, modifică câmpul magnetic din jurul lor, atunci câmpul magnetic, schimbându-se, vrând-nevrând, face să se miște sarcinile electrice, formând un curent electric.
În acest caz, câmpul magnetic în schimbare este cel care provoacă apariția unui curent electric. Un câmp magnetic constant nu va provoca mișcarea sarcinilor electrice și, în consecință, nu se va forma un curent de inducție. O analiză mai detaliată a fenomenului inducției electromagnetice, a derivației formulelor și a legii inducției electromagnetice se referă la cursul clasei a IX-a.
Aplicarea inducției electromagnetice
În acest articol, vom vorbi despre utilizarea inducției electromagnetice. Funcționarea multor motoare și generatoare de curent se bazează pe utilizarea legilor inducției electromagnetice. Principiul muncii lor este destul de simplu de înțeles.
O modificare a câmpului magnetic poate fi cauzată, de exemplu, de mișcarea unui magnet. Prin urmare, dacă un magnet este mutat în interiorul unui circuit închis de o influență terță parte, atunci va apărea un curent în acest circuit. Deci puteți crea un generator de curent.
Dacă, dimpotrivă, lăsăm curent de la o sursă terță parte să treacă prin circuit, atunci magnetul din interiorul circuitului va începe să se miște sub influența unui câmp magnetic format de soc electric. În acest fel, se poate asambla un motor electric.
Generatoarele de curent descrise mai sus transformă energia mecanică în energie electrică la centralele electrice. Energia mecanică este energia cărbunelui, a motorinei, a vântului, a apei și așa mai departe. Electricitatea este furnizată consumatorilor prin fire și acolo este transformată înapoi în energie mecanică în motoarele electrice.
Motoarele electrice ale aspiratoarelor, uscătoarelor de păr, mixerelor, răcitoarelor, mașinilor electrice de tocat carne și numeroaselor alte dispozitive pe care le folosim zilnic se bazează pe utilizarea inducției electromagnetice și a forțelor magnetice. Nu este nevoie să vorbim despre utilizarea acestor fenomene în industrie, este clar că este omniprezent.
