2.15. Индуктивная Среда.

Вторая Среда - индуктивная Среда.Это Среда, в которой возникает ЭДС за счет изменения магнитного потока и она пропорциональна скорости этого изменения с обратным знаком. Это свойство открыл Максвелл. Поэтому в его честь закон носит его имя.

Закона Максвелла гласит, влюбомконтуре при изменении магнитного потока возникает ЭДС, это и есть ЭДС индуктивной среды.

Рис. 19.

Рассмотрим рисунок более подробно. Видим контур, выделенный жирной линией. Его пронизывает магнитный поток сверху вниз. Ориентируем контур относительно магнитного потока. Магнитный поток в данном случае вектор направленный сверху вниз. Принято направление ориентации считать так. Положительным направление контура считается таким, чтобы со стороны заостренного конца стрелки вектора обход контура был бы виден против часовой стрелки. Это направление показано около слова «контур». Тогда ЭДС будет направлена против направления контура, а напряжение по обходу контура.

Итак, сделаем обобщения. В электрических машинах ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока со знаком минус. Это соотношение можно представить по-разному. Имеется некоторый магнитный поток, в котором движется проводник с некоторой скоростью. Или имеется некоторый проводник, относительно которого движется магнитный поток. Или имеется некоторый контур, в котором магнитный поток изменяется с некоторой скоростью. Наконец, в переменном токе имеется некоторый синусоидально изменяющийся поток, который изменяется с некоторой частотой. Дело в том, что в электричестве мы имеем дело с контурами. Поэтому остановимся на рис. 20, позволяющем наглядно видеть эти обобщения.

dt

На рис. 20 «А» видим слева некий идеализированный приемник, способный вырабатывать ЭДС равную приложенному напряжению. Например, ротор идеализированной машины постоянного тока без момента на валу машины. Справа видим заторможенный стержень, находящийся в движущемся магнитном потоке. Приемник вместе с стержнем и шинами составляют контур. Сейчас все разгружено, поэтому никакого тока нет (поэтому мы не называем его контуром тока), но ЭДС в стержне есть, поскольку он движется в магнитном поле вправо. Направление ЭДС определяется по правилу правой руки. Руку надо поставить так, чтобы магнитные силовые линии входили в ладонь. Большой палец должен показывать направление движение проводника, в данном случае стержня, относительно магнитного поля. Стержень закреплен, а поле движется. Поэтому движение стержня относительно поля видим вправо. Туда же направлен и большой палец. Остальные пальцы ладони покажут направление ЭДС.

ЭДС без напряжения не бывает согласно с законом равновесия ЭДС. Поэтому тут же изображен вектор напряжения, но он уже ориентирован относительно шин, то есть относительно внешней части контура. Хотя это же напряжение действует и на сам стержень против ЭДС, что показано пунктиром. Необходимо на этом примере освоить практически диалектику природы электричества, выражающейся в данном случае в единстве противоположностей ЭДС и напряжения. Заметим, что через время dtконтур наполнится еще одной силовой линией. Поэтому ту же картину можно трактовать и так: ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока внутри контура. Эти две трактовки (Фарадея и Максвелла), как видим, абсолютно идентичны. Более того они справедливы и в том случае, если убрать все эти стержни, шины и другие физические элементы контуров. Трактовка та же даже в абсолютном вакууме или вдали от Земли в космическом пространстве. Иначе мы бы не могли связываться со спутниками и получать сигналы от других Миров. Однако это представление относится к другой области электромагнитных явлений - радиотехники, которая освоена человечеством в 19 – 20 веке и продолжается освоение сейчас (хотя бы на примере мобильной телефонной связи). Эта область знаний не предполагает изучение появления механических сил в производстве некоторой механической работы (скалярное произведение силы на перемещение). Она относится к обеспечению информатики.

Продолжим рассмотрение рис. 20 А. Что же происходит в это время с приемником (слева). К нему приложено напряжение шин. Значит, в нем непременно должна образоваться равная и противоположная ЭДС. Если это ротор идеальной машины постоянного тока, то он начнет вращаться, чтобы выработать указанную ЭДС или, как удобно называть противоэдс равную напряжению. Поскольку было условлено, что машина идеальна и не нагружена тормозным моментом, то тока не будет. И во всех наших рассуждениях ток вообще не присутствовал. Что же будет, если потребитель (в нашем случае машина) не может выработать противоэдс (ротор заторможен), то такую противоэдс выработает сам контур. В контуре появится ток, который вызовет полную компенсацию внешнего магнитного потока с тем, чтобы изменения магнитного потока внутри контура не было. Говорят в этом случае, что магнитный поток будет вытеснен из контура в окружающее пространство. Поскольку ток «выполнит свою задачу» в воздухе или в пустоте, то возможно он будет достаточно большой, так называемый ток короткого замыкания.

Из всех этих рассуждений сделаем следующие выводы.

1. Чтобы понять процесс в электрической цепи надо понять «механизм» образования равновесия напряжения и ЭДС.

2. Ток является тем фактором, который наряду с другими физическими явлениями обеспечивает непременное равенство напряжения и противоэдс. «Ищите равенство напряжения и противоэдс, а ток его обеспечит».

Продолжим наши рассуждения, вытекающие из третьего закона Ньютона, с помощью рис. 20 Б.

DФ=BLdx

V

I

L

B(I)

Предположим, что «потребитель» превратился в источник ЭДС (слово «источник» было определено в разделе «Механика»), а стержень освободили от опоры. Но ЭДС без напряжения не бывает. Поэтому на шинах в силу закона равновесия ЭДС образуется напряжение, которое будет приложено к стержню, находящемуся на шинах. Ст

Рис. 20 Б

U

E

U

E

1

2

3

Б

dt

ержень «должен» ответить противоэдс (-E). Но это может иметь место, если он начнет двигаться и через некоторое времяdtзаймет место 2, а затем и 3.

При этом магнитный поток в контуре будет изменяться в сторону увеличения. Скорость движения будет определяться напряжением так, чтобы напряжение стало бы равным противоэдс. То есть U=-E=-(-dФ/dt)=dФ/dt=BL*dx/dt=BLV. Причем движение идеального стержня будет происходить без всякого тока до тех пор, пока, как показано на рисунке, он не войдет в вязкую среду (положение 3). В этой среде скорость не изменится. Закон равновесия ЭДС и закон единства противоположностей для сил не может быть нарушен. Сразу же появится ток, который во взаимодействии с магнитным потоком скомпенсирует силу вязкой среды.

Цель этих рассуждений - дать основу для обобщения анализа работы судовых электрических механизмов, состоящую в том, что напряжение обязательно равно противоэдс, которая в свою очередь связана со скоростью изменения магнитного потока. Кроме того обязательно необходимо выполнить равновесие механических сил и противосил. Необходимо выполнение диалектического единства противоположности, как в электромагнетизме, так и в механике.

В относительных единицах (для абсолютных значений) можно в добавление к ранее полученному соотношению для механических сил написать обобщающее выражение для напряжения:

,.ϕ=Ф/Ф_N– относительный магнитный поток,- относительная обобщенная скорость то есть часть, зависящая от времени. В расшифровку понятия относительной обобщенной скорости в скобках входят относительные выражения для относительной частоты вращения ротора –n, относительной скорости линейного перемещения поступательного движения –v, относительной частоты переменного синусоидального напряжения –φ.В этих выражениях:N– частота вращения ротора электрической машины,V– скорость движения проводника в магнитном поле или скорость движения поля относительно проводника,f– частота напряжения в сети, , в нижнем индексеN– означает, что это номинальное значение соответствующей величины.