§4 Практическое использование явления электромагнитной индукции

1. Генераторы переменного тока – устройство, предназначенное для преобразования механической энергии в энергию переменного тока. Основными частями генераторов являются: электромагнит или постоянный магнит, создающий магнитное поле, и обмотка, состоящая из последовательно соединенных витков, в которых индуцируется переменная электродвижущая сила (рис. 9).

При вращении обмотки число силовых линий, пронизывающих каждый виток, непрерывно меняется от максимального значения, когда он расположен поперек поля, до нуля, когда силовые линии скользят вдоль витка. В результате при вращении витка между полюсами магнита через каждые пол-оборота направление тока меняется на противоположное, и в витке появляется переменный ток. Во внешнюю цепь ток отводится при помощи скользящих контактов.

Пусть рамка площадью S, вращается в однородном магнитном поле равномерно с угловой скоростью . Магнитный поток пронизывающий рамку меняется по гармоническому закону:

,

(4.1)

где – угол поворота рамки в момент времени t.

Согласно закону Фарадея-Максвелла в обмотке наводится электродвижущая сила индукции, которая определяется следующим обpазом:

,

(4.2)

где   - максимальное значение ЭДС индукции,

N – число витков в обмотке.

(4.3)

2. Токи Фуко(вихревые токи) – индукционные токи, возникающие в сплошных массивных проводниках при изменении пронизывающего их магнитного потока. Эти токи оказываются замкнутыми в толще самого проводника.

Токи Фуко бывают как полезны, так и нежелательны:

• в соответствии с Джоуля - Ленца законом вихревые токи нагревают проводники, в которых они возникли. Тепловое действие токов Фуко используется в индукционных печах;

• согласно правилу Ленца токи Фуко внутри проводника всегда имеют такое направление, что своим действием противодействуют причине, которая их вызвала. Поэтому проводники, движущиеся в сильных магнитных полях, испытывают сильное торможение. Это используется для успокоения (демпфирования) подвижных частей приборов (гальванометров, сейсмографов);

• при нагревании токами Фуко сердечников трансформаторов происходит большая потеря энергии. Для предотвращения этого – сердечники набирают из тонких пластин, разделенных изолирующими прослойками и расположенных так, чтобы возможные направления токов Фуко были к ним перпендикулярны;

• токи Фуко, возникающие в проводах цепей переменного тока, ослабляют ток внутри провода и усиливают его вблизи поверхности. Поэтому быстропеременный ток втесняется на поверхность проводника. Это явление называется магнитным скин-эффектом (поверхностным эффектом). Степень «вытеснения» тока на поверхность проводника зависит от его частоты. Поэтому для высокочастотных токов практически вся внутренняя часть проводников оказывается без тока, поэтому целесообразно использовать полые проводники.

3. Бетатрон – индукционный ускоритель электронов. Этот ускоритель состоит из тороидальной откаченной камеры, изготовленный из неферромагнитного материала и расположенной между полюсами электромагнита (рис. 10). Внутри камеры в вакууме движется ускоряемый пучок электронов. Изменение тока в обмотке электромагнита создает переменное магнитное поле, которое вызывает вихревое электрическое поле, ускоряющее электроны, и одновременно удерживает электроны на равновесной круговой орбите определенного радиуса. За время одного оборота радиус орбиты остается постоянным, поэтому увеличение скорости (энергии), вызванное действием силы со стороны вихревого электрического поля должно сопровождаться увеличением модуля вектора магнитной индукции. Таким образом, бетатрон работает в импульсном режиме: ускорение происходит в те промежутки времени, когда сила тока и, соответственно, модуль вектора индукции магнитного поля возрастают.