§ 3.2. Преобразование электрической энергии в механическую.

К проводнику длиной l, помещенному в магнитное поле, приложено напряжение источника U и в цепи существует ток I. На проводник действует электромагнитная сила , напряжение которой определяется по правилу левой руки. Под действием этой силы, если она больше силы сопротивления груза G, начнется движение проводника длиной l и груз станет подниматься. Следовательно, электрическая энергия источника в данном случае преобразуется в механическую энергию груза. Найдем количественное соотношение, характеризующее это преобразование. При движении проводника в магнитном поле в нем будет индуктироваться ЭДС .

Рис.3-3.

Направление индуктируемой ЭДС найдем по правилу правой руки противоположно току, протекающему в проводнике, т.е. противоположно напряжению, приложенному к проводнику. Тогда, по второму закону Кирхгофа для этой цепи следует:

,

где R₀ – сопротивление проводника.

Отсюда, ток в цепи

.

Умножим уравнение на ток I, имея в виду, что , получим

,

т.е.

,

где - электрическая мощность; - механическая мощность; - тепловая мощность.

Таким образом, преобразование электрической энергии в механическую связано:

1. с появлением механической энергии (в данном случае проводник поднимает груз);

2. с возникновением противо ЭДС.

Т.к. ЭДС направлена навстречу действия источника питания, она называется противо ЭДС.

Принцип работы электродвигателя.

Если по проводу длиной 1, расположенному в однородном поле перпендикулярно магнитным линиям, проходит ток I от источника С напряжением U, то на него действует электромагнитная сила

F=BlI,

направление, которой определяется по правилу левой руки.

Под действием этой силы провод будет двигаться со скоростью υ, совершая механическую работу, и в нем будет индуктироваться э. д. с., направление которой, найденное по правилу правой руки, противоположно току. Величина встречной э. д. с.

.

Если сопротивление провода r₀, то по второму закону Кирхгофа можно написать:

или

,

откуда ток в цени

.

Умножив уравнение на ток, найдем электрическую мощность

.

Произведение I²r— это мощность тепловых потерь в проводе, а Fυ — механическая мощность.

Рис.3-4. Принцип работы электродвигателя.

Таким образом, полученная проводом электрическая энергия при движении его в магнитном поле преобразуется в механическую, а процесс преобразования энергии связан с наведением противо-э. д. с. Проводник, движущийся магнитном поле, можно рассматривать как простейший электродвигатель

§ 3.3. Характеристики магнитного поля.

Магнитное поле – одна из двух сторон электромагнитного поля, характеризующаяся воздействием на электрически заряженную частицу с силой, пропорциональной заряду частицы и ее скорости.

Магнитное поле изображается силовыми линиями, касательные к которым совпадают с ориентацией магнитных стрелок, внесенных в поле. Таким образом, магнитные стрелки как бы являются пробными элементами для магнитного поля.

За положительное направление магнитного поля условно принимают направление северного полюса магнитной стрелки.

Вокруг проводника, в котором существует ток, всегда имеется магнитное поле, и, наоборот, в замкнутом проводнике, движущемся в магнитном поле, возникает ток.

Магнитная индукция В – векторная величина, характеризующая магнитное поле и определяющая силу, действующую на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля. Эта характеристика является основной характеристикой магнитного поля, т.к. определяет электромагнитную силу, а также ЭДС индукции в проводнике, перемещающемся в магнитном поле.

Единицей магнитной индукции является вебер, деленный на квадратный метр, или тесла (Тл):

[В]=1Вб/1м²=1Тл.

Абсолютная магнитная проницаемость среды μ_а – величина, являющаяся коэффициентом, отражающим магнитные свойства среды:

,

где μ₀=4π*10⁷ (Ом*с)/м – магнитная постоянная, характеризующая магнитные свойства вакуума.

Единицу Ом-секунда (Ом*с) называют генри (Гн).

Таким образом,

[μ]=Гн/м.

Величину μ_r называют относительной магнитной проницаемость. среды. Она показывает во сколько раз индукция поля, созданного током в данной среде, больше или меньше, чем в вакууме, и является безразмерной величиной.

Напряженность магнитного поля Н – векторная величина, которая не зависит от свойств среды и определяется только токами в проводниках, создающими магнитное поле.

Направление вектора Н (рис.3-5) для изотропных сред совпадает с вектором В и определяется касательной, проведенной в данной точке поля (точка А) и соловой линии. Напряженность связана с магнитной индукцией соотношением

.

Единица напряженности магнитного поля – ампер на метр

[H]=1А/1м.

Рис.3-5.

Магнитный поток Ф – поток магнитной индукции. На рис.3-6 показано однородное магнитное поле, пересекающее площадку S. Магнитный поток Ф через площадку S в однородном магнитном поле равен произведению нормальной составляющей вектора индукции В_n на площадь S площадки:

.

Рис.3-6.