Глава 3

Электромагнетизм

§ 3.1. Преобразование механической энергии в электрическую.

Рис.3-1. Схема простейшего генератора.

1 – проводник; 2 – токоведущие пластины.

Заставим проводник (1) под действие внешней силы (груз G) двигаться в магнитном поле перпендикулярно силовым линиям магнитной индукции (В). Тогда, согласно явлению электромагнитной индукции на концах проводника будет индуктироваться ЭДС

,

где l – активная длина проводника; υ – скорость движения проводника.

Направление индуктированной ЭДС определяем по правилу правой руки. Подключим к проводнику через пластины 2 нагрузку в виде сопротивления R, тогда согласно законам Ома для всей цепи

(3)

где I – величина тока, определяемая значением индуктируемой ЭДС; R и R₀ – сопротивления, в которых расходуется энергия, образовавшаяся в результате преобразования механической энергии в электрическую.

Покажем процесс преобразования механической энергии в электрическую и какое между ними соотношение. Для этого умножим левую и правую часть выражения (3) на силу тока I, тогда

, или , но следовательно

,

где F – электромагнитная сила, действующая на проводник с током, помещенным в магнитном поле.

Причина возникновения силы заключается в следующем: при подключении нагрузки к проводнику, на концах которого индуктируется ЭДС, цепь окажется замкнутой и в цепи появится ток, а значит, на проводник с током будет действовать электромагнитная сила. Причем направление этой силы, найденное по правилу левой руки, противоположно движущей и называется тормозной. Поэтому

,

где Fυ – механическая мощность, которая развивается при движении груза; I²R – электрическая мощность, потребляемая в нагрузке; I²R₀ – мощность потерь в проводнике.

Таким образом, процесс преобразования механической энергии в электрическую связан:

1. с наведение ЭДС;

2. с появлением тормозной силы, действующей на проводник с током, в котором индуктируется ЭДС.

Принцип работы электрического генератора.

При движении провода (рис.3-2) в направлении вектора скорости υ в плоскости, перпендикулярной магнитным линиям, в нем наводится э. д. е. Е, Под действием ее в замкнутой цепи с сопротивлением R проходит ток I. На провод с током в магнитном поле действует электромагнитная сила F=BlI, направление которой, найденное по правилу левой руки, противоположно направлению вектора скорости, следовательно, она является тормозной.

Рис.3-2. Принцип работы электрического генератора.

Очевидно, для движения провода необходима внешняя сила, равная по величине и противоположная по направлению тормозной силе, т. е. необходим первичный двигатель, развивающий механическую мощность, , или

.

Таким образом, полученная проводником механическая энергия при движении его в магнитном поле преобразуется в электрическую, а движущийся под действием механической силы провод в магнитном поле можно рассматривать как простейший электрический генератор.

Э. д. с. генератора

,

следовательно, механическая мощность

равна электрической мощности Р, состоящей из мощности приемника энергии P_n=UI, и мощности потерь в генераторе P₀=I²r₀.