книги из ГПНТБ / Комаров Е.Ф. Учебное пособие радиотелемастера

проводника силовые линии внешнего поля и поля, созданно­ го током, направлены в противоположные стороны, поля вычитаются, и это приводит к уменьшению индукции ре­ зультирующего поля. Справа от проводника силовые ли­ нии обоих полей направлены в одну сторону, поля суммиру­ ются, и результирующее магнитное поле увеличивается. При этом происходит искривление силовых линий справа от проводника. Силовые линии можно уподобить упругим резиновым нитям, которые всегда стремятся пройти по крат­ чайшему пути. Сокращаясь по длине, силовые линии, рас­ положенные справа от проводника, выталкивают проводник влево. На проводник действует сила F.

На электромеханическом действии магнитного поля осно­ вана работа многих электрических приборов и машин. Рас­ смотрим в качестве примеров устройство и принцип действия электроизмерительного прибора магнитоэлектрического типа и динамического громкоговорителя (динамика).

Магнитоэлектрический измерительный прибор является основной частью любого устройства, предназначенного для измерения напряжений, токов и сопротивлений резисторов. Он также входит в состав более сложных измерительных приборов (ламповых вольтметров, генераторов и др.). Маг­ нитоэлектрический прибор состоит из неподвижной маг­ нитной системы, создающей основное магнитное поле про­ водника, намотанного в виде катушки (подвижная система). Неподвижная магнитная система образована постоянным магнитом, полюсными наконечниками (башмаками) и цилин­ дрической формы сердечником внутри катушки. Башмаки и сердечник изготавливаются из ферромагнитного материа­ ла — железа. В собранной магнитной системе между внеш­ ней поверхностью сердечника и внутренней поверхностью башмаков образуется кольцевой воздушный зазор, в котором существует радиально направленное магнитное поле. Под­ вижная система представляет собой катушку из провода, намотанную на прямоугольном алюминиевом каркасе (рам­ ке). Рамка снабжена торцевыми осями и спиральными пружинками, которые создают противодействующий момент и одновременно являются внешними выводами катушки.

При сборке рамка размещается в воздушном зазоре так, что имеет возможность поворачиваться вокруг своей оси на определенный угол. С рамкой жестко связана указатель­ ная стрелка, которая при вращении рамки отклоняется

30

Динамический громкоговоритель (динамик) предназначен для преобразования электрических сигналов в звуковые и является обязательной составной частью любого радиопри­ емника, магнитофона или телевизора. Динамик также име­ ет две основные части — неподвижную систему, создающую магнитное поле, и подвижную, содержащую проводник, по которому пропускается ток. Магнитная система динамика состоит из двух железных фланцев, один из которых снаб­ жен круглым железным стержнем — керном, а другой имеет

Рис. 17. Устройство динамического громкоговорителя: 1 — верх­ ний фланец; 2 — кольцевой постоянный магнит; 3 — нижний фла­ нец; 4 — керн; 5 — звуковая катушка; 6 — диффузор; 7 — центри­ рующая шайба

в центре отверстие с диаметром, несколько большим диа­ метра керна. Между фланцами помещен кольцевой постоян­ ный магнит, с помощью которого создается мощное магнит­ ное поле.

При сборке системы керн нижнего фланца вводится в от» верстие верхнего фланца и закрепляется так, что между внутренней поверхностью отверстия и наружной поверхно* стью керна образуется кольцевой воздушный зазор. Под* вижная система динамика представляет собой легкое бу* мажное кольцо с намотанным на него проводом (звуковая катушка), к которой приклеен бумажный конус — диф­ фузор.

При сборке динамика звуковая катушка вводится в воз­ душный зазор и при помощи специальной центрирующей шайбы устанавливается точно в центре этого зазора. Верх­ няя кромка диффузора укрепляется на металлическом коль­ це — диффузородержателе, и таким образом, вся система

32

получает возможность перемещаться в обоих направлениях вдоль оси керна. Конструкция динамика показана на рис. 17, а.

Рассмотрим принцип действия динамика, для чего пред­ положим, что в воздушном зазоре силовые линии магнит­ ного поля направлены от керна к краям отверстия, а в про­ воднике звуковой катушки ток протекает так, как это пока­ зано на рис. 17,6. Магнитное поле, созданное в зазоре пос­ тоянным магнитом, будет взаимодействовать с магнитным полем, создаваемым током, протекающим в проводнике катушки, и на проводник, а стало быть, и на всю катушку будет действовать механическая сила, толкающая катушку в определенном направлении. Применяя правило левой руки для правых и левых половин витков катушки, можно убе­ диться в том, что катушка переместится вверх. Если изменить направление тока в катушке на обратное, то при том же направлении магнитного поля в зазоре направление силы, действующей на катушку, также изменится на противопо­ ложное, и катушка будет перемещаться вниз. Если же в про­ водник звуковой катушки пропускать ток в различных направлениях, то направление силы, действующей на ка­ тушку, будет также изменяться, катушка, а вместе с ней диф­ фузор, придут в колебательное движение. Диффузор приве­ дет в движение окружающий воздух, и будет слышен звук определенной силы и определенного тона.

ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

Если в магнитное поле поместить проводник и с помо­ щью какой-либо внешней силы перемещать этот проводник так, чтобы он при своем движении пересекал силовые линии магнитного поля, то на концах проводника появится раз­ ность потенциалов. Это явление было открыто в 1831 г. английским физиком М. Фарадеем и получило название э л е к т р о м а г н и т н о й и н д у к ц и и .

Рассмотрим возникновение э.д.с. электромагнитной ин­ дукции в прямолинейном проводе, который перемещается с постоянной скоростью в однородном магнитном поле пер­ пендикулярно силовым линиям поля. Так как движение провода происходит в магнитном поле, то на каждую заря­ женную элементарную частицу внутри провода (свободный электрон) действует электромагнитная сила, направление

которая получила название и н д у к т и р о в а н н о й э.д.с.

(рис. 18), которое читается сле­ дующим образом: если располо­ жить правую руку так, чтобы магнитные линии поля входили в ладонь, а отогнутый большой палец указывал направление дви­ жения проводника, то четыре вытянутых пальца покажут на­ правление индуктированного то­ ка или направление действия ин­ дуктированной э.д.с.

Если концы провода, перемещающегося в магнитном поле, соединить другим проводом, расположенным вне маг­ нитного поля, то в этой цепи под действием э.д.с. электро­ магнитной индукции возникнет непрерывное перемещение электронов, т. е. электрический ток, величина которого определяется по закону Ома.

Индуктированный ток будет протекать по проводнику до тех пор, пока этот проводник движется в магнитном поле. Как только прекратится движение проводника, так сразу исчезнет индуктированная э.д.с. и прекратится движение зарядов по цепи.

Рассмотрим факторы, которые определяют величину ин­ дуктированной э.д.с., для чего предположим, что проводник длиною I помещен в магнитное поле с индукцией В и пере­ мещается в нем со скоростью ѵ (рис. 19). Очевидно, что чем интенсивнее магнитное поле, т. е. чем больше значение В, тем сильнее это поле действует на свободные электроны,

34

находящиеся в толще проводника, тем большее коли­ чество их будет скапливаться на одном конце провод­

ше будет величина индуктированной э. д. с. Наконец, чем быстрее будет перемещаться проводник в данном магнитном поле, т. е. чем больше будет скорость его движения ѵ, тем большее количество

Ab

V = At •

Подставим это выражение в общую формулу:

R1 д&

е= В - 1 - й .

В этой формуле произведение I ■j~t пРеДставляет собой

площадь, которую покрывает проводник при своем дви­ жении за малый отрезок времени At, т. е.

I ■Ab = AS.

Произведем замену в основной формуле

е

Но произведение площадки AS и индукции магнитного поля В есть не что иное, как магнитный поток, пере­ секаемый проводником за время At, т. е.

ВAS = АФ.

Полученное выражение подставим в первоначальную формулу:

дФ

е~КГ •

Из последней формулы видно, что величина индук­ тированной э. д. с. зависит от скорости, с которой из­ меняется магнитный поток, пересекаемый проводником при движении. Это понятие скорости относится к ма­ лому изменению магнитного потока, происшедшему за малый интервал времени, и поэтому по данной формуле можно определить некоторую с р е д н ю ю э. д. с., дейст­ вующую в проводнике в течение данного интервала вре­ мени. Для того чтобы найти величину э. д. с. индук­

Тогда последняя формула может быть переписана в сле­ дующем виде:

СІФ

В математике так обозначается выражение, которому присвоено специальное название п р о и з в о д н а я . Оно имеет вполне определенный физический смысл, а именно с к о р о с т ь и з м е н е н и я о д н о й в е л и ч и н ы пр и

36

поле проводника всегда будет направлено так, что б у ­

ласть, где линии расположены более густо, магнитное поле проводника вычитается из основного поля и, таким образом, противодействует увеличению поля. При об­ ратном движении проводника его поле суммируется с ос­ новным полем и противодействует уменьшению основного поля. Учитывая это, в последней формуле перед знаком производной всегда ставится знак м и н у с .

скорость изменения магнитного потока, пересекаемого

2. При движении проводника с постоянной скоростью, но в неоднородном магнитном поле скорость изменения магнитного потока будет также изменяться и на концах проводника будет действовать изменяющаяся по вели­ чине э. д. с. При перемещении проводника в область более слабого поля величина э. д. с. уменьшается, а при движении в область более сильного поля увеличивается.

3. При движении проводника в однородном магнит­ ном поле, но с переменной скоростью, магнитный поток, пересекаемый проводником, также будет изменяться, что приведет к изменению э. д. с. индукции на концах про­ водника.

4.Для получения индуктированной э. д. с. и ин­

неподвижным и изменять во времени величину магнит­ ного поля. Важно, чтобы при этом происходило п е р е ­

37

с е ч е н и е п р о в о д н и к о м с и л о в ы х л и н и й м а г ­ н и т н о г о п о л я .

В технике существует два типа электрических машин, в которых реализуются оба способа получения индуктирован­ ной э. д. с. При использовании первого способа машина содержит неподвижную систему обмоток (статор), создаю­ щих неподвижное магнитное поле, и подвижную обмотку, которая перемещается в этом поле (ротор). Такие машины получили название э л е к т р и ч е с к и х г е н е р а т о ­ р о в . При втором способе машина имеет ряд неподвижных обмоток, по одной из которых (первичная обмотка) пропус­ кается ток, изменяющийся по величине. Вокруг обмоток создается изменяющееся во времени магнитное поле, в ре­ зультате чего на всех вторичных обмотках индуктируется э.д.с. Устройства, работающие по такому принципу, полу­ чили название т р а н с ф о р м а т о р о в .

ИНДУКТИВНОСТЬ. ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА САМОИНДУКЦИИ

Свернем прямолинейный проводник в кольцевой контур и пропустим через него электрический ток. Вокруг провод­ ника возникнет магнитное поле, и внутри контура будет про­ ходить магнитный поток (рис. 20). Если ток, протекающий

получило название с а м о и н д у к ц и и .

Каждому значению тока в проводнике соответствует впол­ не определенное значение магнитного потока. Следователь­ но, магнитный поток прямо пропорционален току:

7Ф пропорционален и

38

Однако величину магнитного потока определяют также форма и размеры проводника. Прямолинейный проводник большей длины создает больший величины магнитный поток, чем такой же, но более короткий проводник. Проводник, свернутый в кольцевой контур, создает больший магнитный поток, чем прямолинейный проводник той же длины. Нако­ нец, проводник, имеющий форму катушки, способен соз­ дать еще ббльший магнитный поток. Для точного опреде­ ления величины магнитного потока в последнюю формулу вводится коэффициент пропорциональности L:

Ф = L • і.

Здесь Ф — магнитный поток; і — ток в проводнике;

L — коэффициент пропорциональности, величина которого зависит от формы и геометрических

Чем больше индуктивность проводника, тем больше при том же значении тока величина магнитного поля, созданно­ го этим проводником. Исходя из этого можно представить себе индуктивность как некоторую величину, характери­ зующую способность проводника создавать магнитное поле (сравнить со свойством системы проводников, образующих емкость, где создается электрическое поле).

Из сказанного ясно, что наибольшей индуктивностью обладает проводник, свернутый в спираль (соленоид), при­ чем чем больше витков имеет такая спираль, тем больше ее индуктивность. На величину индуктивности проводника большое влияние оказывает среда, в которой располагает­ ся данный проводник. Если внутрь соленоида (катушки) ввести стержень (сердечник), изготовленный из ферромаг­ нитного материала, то величина магнитного поля, а стало быть, и индуктивности катушки резко увеличится. Этим часто пользуются на практике, создавая катушки большой индуктивности с относительно небольшим числом витков.

Для измерения индуктивности введена единица, которая называется г е н р и . Один генри есть индуктивность про­ водника, в котором возникает э.д.с. самоиндукции, равная 1в, при равномерном изменении тока на Іа в 1 сек. Сущест­ вуют более мелкие единицы — м и л л и г е н р и (тысяч­

39