9 Какие физические явления используются для преобразования механической энергии в электрическую. Поясните принцип работы простейшего генератора тока.

Сила, действующая на проводник с током, помещенный в магнитное поле, называется электромагнитной силой. Направление этой силы можно определить по "правилу левой руки": если левую руку расположить в магнитном поле так, чтобы магнитные линии, выходящие. из северного полюса, как бы сходили в ладонь, а четыре вытянутых пальца совпадали с направлением тока в проводнике, то большой отогнутый палец руки покажет направление действия силы

Сила F, действующая на проводник с током, помещенный в магнитное поле , зависит от величины магнитной индукции В, величины тока I в проводнике, активной длины проводника l и синуса угла α между вектором индукции и направлением тока в проводнике:

F = BIl ⋅ sinα.

Для прямолинейного проводника с током, помещенного перпендикулярно к направлению магнитного поля, сила, действующая на проводник будет максимальна, равна F = BIl,, так как в этом случае α = 90° и sin α = 1. .

Электромеханические воздействия магнитного поля на проводники с током используются также в магнитоэлектрических измерительных приборах, применяемых в цепях постоянного тока.

В магнитном поле между полюсами N и S помещен прямолинейный проводник. Если при помощи внешней механической силы F передвигать этот проводник перпендикулярно магнитным линиям поля, то в нем будет индуктироваться э.д.с. (наведется) Е = Blυ.

Преобразование механической энергии в электрическую

Если концы проводника замкнуты на внешнее сопротивление, то по цепи потечет ток I, совпадающий по направлению с э.д.с. Е.

На законах электромагнитной индукции и электромагнитных сил основано действие электрических машин - генераторов, преобразующих механическую энергию в электрическую, и двигателей, преобразующих электрическую энергию в механическую.

Устройство, показанное на рис., позволяет снимать и отводить во внешнюю цепь переменную э.д.с. Согнутый в виде рамки проводник вращается в магнитном поле с постоянной скоростью со под действием посторонней силы. Концы рамки присоединены к двум медным кольцам 3 и 4, на которых наложены две угольные щетки 5 и 6. Во внешней цепи будет протекать изменяющийся по величине и направлению ток. Такой ток называется переменным в отличие от постоянного, который дают гальванические элементы и аккумуляторы. Переменный ток на электрических схемах принято обозначать условным знаком ∼.

Устройство для отвода переменного тока от ротора генератора

В создании индуктированной э.д.с. будут участвовать не все стороны рамки, а лишь те, которые пересекают магнитные линии. Эти стороны называются активными сторонами (они обозначены цифрами 1 и 2).

Недостатком рассмотренного выше устройства является трудность создания однородного магнитного поля и большое магнитное сопротивление магнитному потоку, который значительный путь проходит по воздуху.

10 Опишите устройство и принцип действия электромагнитов. Охарактеризуйте их области использования на примере конструкций электромагнитных реле.

Интенсивность магнитного поля или магнитную индукцию поля можно значительно увеличить, если проводнику, по которому пропускают электрический ток, придать форму спирали с большим числом витков.

Для определения полюсов пользуются "правилом буравчика", применяя его следующим образом: если расположить буравчик вдоль оси катушки и вращать его по направлению тока в витках , то поступательное движение буравчика покажет направление магнитного поля .

В том месте, где магнитные линии имеют направления внутрь катушки, образуется южный полюс, где они направлены из катушки - северный.

Рис. Определение полюсов

Катушка, внутри которой находится стальной (железный) сердечник, называется электромагнитом . Магнитное поле у электромагнита значительно сильнее, так как кусок стали, намагничивается и результирующее магнитное поле усиливается. Полюсы у электромагнита можно определить, так же по "правилу буравчика".

Рис. Электромагнит

Магнитный поток электромагнита усиливается с увеличением числа его витков и тока, протекающего по виткам.

Обмотка электромагнита возбуждает (создает) необходимый магнитный поток и поэтому во многих случаях ее называют обмоткой возбуждения.

Электромагниты широко применяются в технике. Они служат для создания магнитного поля в электрических генераторах и двигателях, в электроизмерительных приборах, электрических аппаратах и других устройствах.

К этим устройствам относятся и электромагнитные реле, т. е. приборы или автоматы, реагирующие на изменения тока, напряжения, мощности и т. д.

На рис. представлены некоторые конструкции электромагнитных реле. Работа этих реле основана на взаимодействии магнитного поля, создаваемого неподвижной катушкой, по которой проходит ток, и стального подвижного якоря. При изменении тока в цепи катушки 1 магнитный поток в сердечнике 2 усиливается, и его величина оказывается достаточной для того, чтобы повернуть или втянуть якорь 3. При этом замыкаются контакты К в цепи управления (например, в цепи, отключающей катушки выключателя и т. д.).

Рис. Электромагнитные реле

11 Дайте понятие индуктивность. Охарактеризуйте элемент катушка индуктивности, дроссель : что собой представляет коструктивно, от чего зависит индуктивность катушки, как обозначается на электрических схемах, как рассчитывается общая индуктивность для различных соединений катушек.

Магнитный поток, создаваемый током какого-либо витка при отсутствии намагничивающих сред (например, в воздухе), пропорционален величине тока:

Φ = LI,

где L - коэффициент пропорциональности, называемый индуктивностью.

Единица измерения индуктивности - генри (гн): 1 гн = 10³ миллигенри (мгн) = 10⁶ микрогенри (мкгн).

Индуктивность катушек зависит от числа витков, размера и формы катушек.

Цепями с большой индуктивностью являются обмотки генераторов, электродвигателей, трансформаторов, индукционных катушек и т. п. Значительно меньшей индуктивностью обладают прямолинейные проводники.

Короткие прямолинейные проводники, нити ламп накаливания, спирали электронагревательных приборов практически не обладают индуктивностью. На практике часто встречаются случаи, когда нужно изготовить катушку, не обладающую индуктивностью (добавочные сопротивления к электроизмерительным приборам, сопротивление штепсельных реостатов и т. п.). В этом случае применяют бифилярную намотку катушки (рис. ). Для этого проволоку перед намоткой сгибают вдвое и в таком виде навивают ее. Магнитный поток и индуктивность катушки с бифилярной намоткой равны нулю.

12 Дайте понятие электрической емкости. Охарактеризуйте элемент конденсатор: что собой представляет, от чего зависит емкость конденсатора, как обозначается на электрических схемах, как рассчитывается общая емкость для различных соединений конденсаторов.

Конденсатор - система, состоящая из двух проводников, разделенных диэлектриком. Если проводникам сообщить одинаковые по величине, но противоположные по знаку заряды (+q и -q), то между проводниками будет определенная разность потенциалов или напряжение U.

Между зарядом q и напряжением U существует линейная зависимость: чем больше заряд q, тем больше величина U, и наоборот.

Отношение заряда проводников к напряжению между ними есть величина постоянная, называемая электрической емкостью:

C = ^q/_U.

Единица емкости - фарада. Это емкость такого устройства, которое заряжается 1 кулоном электричества при разности потенциалов в 1 вольт.

Обычно пользуются более мелкими единицами - микрофарадой (мкф) составляющей миллионную часть фарады:

1 мкф = 10^-6 ф,

и пикофарадой (пф), составляющей миллионную часть микрофарады:

1 пф = 10^-6 мкф = 10^-12 ф.

Емкостью принято также называть свойство проводящих тел накапливать и удерживать электрические заряды. Емкость в той или иной мере присуща различным электрическим устройствам. Во многих случаях емкость настолько значительна, что ее приходится принимать во внимание; например, емкость между проводами электрической линии, емкость проводов относительно земли и т. д.

В различных электроустановках для определенных целей, применяют специальные элементы, обладающие значительной емкостью при относительно малых габаритах- конденсаторами.

Простейшим по устройству является плоский конденсатор, состоящий из двух металлических пластин, разделенных слоем диэлектрика (рис. ).

Рис Схема плоского конденсатора: 1 - диэлектрик, 2 - пластины

Как показывают измерения, емкость конденсатора увеличится, если увеличить поверхность обкладок или приблизить их одну к другой. На емкость конденсатора оказывает влияние также материал диэлектрика. Чем больше электрическая проницаемость диэлектрика, тем больше емкость конденсатора по сравнению с емкостью такого же конденсатора, диэлектриком в котором служит пустота (воздух).

Емкость плоского конденсатора определяют по формуле

C = ^εε₀/_d S,

где S - площадь пластин, м²;

d - толщина диэлектрика, м;

ε - относительная электрическая проницаемость диэлектрика.

Таким образом, для увеличения емкости плоского конденсатора нужно увеличить площадь его пластин S, уменьшить расстояние между ними d и в качестве диэлектрика применить материал с большой относительной электрической проницаемостью (ε).

Конденсаторы, емкость которых изменять нельзя, называются конденсаторами постоянной емкости.

Наиболее распространенные в настоящее время конденсаторы постоянной емкости состоят из очень тонких металлических листов (алюминиевая фольга) с парафинированной бумажной или слюдяной прослойкой между ними.