Основные физические законы функционирования электрических машин

Как и другие устройства, электрические машины созданы и функционируют на базе природных явлений, зафиксированных человеком и описанных в форме физических законов. Как уже указывалось выше, под электрической машиной подразумевают устройство, преобразующее электрическую и механическую энергию. При этом речь идет не только о преобразовании электрической энергии в механическую или о преобразовании механической в электрическую, но и о преобразовании электрической энергии в электрическую и механической в механическую. Почти все виды электромеханических генераторов электрической энергии являются преобразователями механической энергии в электрическую энергию.

Электрические двигатели представляют собой преобразователи электрической энергии в механическую энергию. Трансформаторы преобразуют электрическую энергию в электрическую энергию. Существуют устройства, преобразующие механическую энергию в механическую энергию с помощью электромеханических устройств.

Теория взаимодействия электрических зарядов и магнитных полей изучена достаточно глубоко и изложена в теории электромагнитного поля. Ниже приводятся лишь некоторые примеры внешнего проявления этого взаимодействия.

1. Из курса физики известно, что в каждом проводнике, перемещающемся в магнитном поле, наводится электродвижущая сила, величина которой пропорциональна длине проводника, скорости движения, интенсивности магнитного поля. Направление электродвижущей силы зависит от направления перемещения проводника относительно магнитного поля.

Рис. 1.1

Если равномерное магнитное поле представить магнитными силовыми линиями (рис. 1.1), его интенсивность вектором индукции B и предположить, что проводник длиной , расположенный перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, перемещается со скоростью  под углом к магнитным силовым линиям, то величину электродвижущей силы можно определить с помощью формулы

.

Если вектор скорости перпендикулярен проводнику (при ), то

,

где  ЭДС проводника в вольтах;

 индукция поля в Теслах;

l  длина проводника в метрах;

v  скорость перемещения проводника в метрах в секунду;

  угол между направлением вектора скорости и направлением магнитных силовых линий или вектором индукции магнитного поля.

Рис. 1.2

Полярность электродвижущей силы принято определять по правилу правой руки (рис. 1.2): правую руку располагают так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, отогнутый большой палец должен указывать направление перемещения проводника, тогда четыре пальца укажут направление ЭДС или на зажим проводника положительной полярности.

2. Теория электромагнитного поля указывает и на силовое взаимодействие проводника с током и магнитным полем.

Рис. 1.3

Если проводник с током находится в магнитном поле, то на него действует механическая сила, перпендикулярная силовым линиям и проводнику (рис. 1.3). Величина этой силы пропорциональна интенсивности магнитного поля , длине проводника и току , протекающему по проводнику.

Следовательно, на проводник с током длиной , по­ме­щенный в равномерное магнитное поле с индукцией , действует механическая сила , величина которой определяется уравнением в том случае, если вектор индукции и проводник перпендикулярны.

Вектор силы перпендикулярен проводнику и вектору индукции. Направление механической силы, действующей на проводник, принято определять по правилу левой руки (рис. 1.4): левую руку располагают так, чтобы силовые линии магнитного поля входили в ладонь, четыре пальца должны указывать направление тока в проводнике, тогда отогнутый большой палец укажет направление силы, действующей на проводник.

Рис. 1.4

Рис. 1.5

3. Чаще всего описанные выше взаимодействия проявляются одновременно. Рассмотрим случай перемещения проводника в магнитном поле под воздействием внешних сил со скоростью (рис. 1.5).

В соответствии с описанным выше первым примером взаимодействия магнитного поля и проводника с током в проводнике, движущемся в магнитном поле со скоростью под углом к направлению вектора индукции , возникнет ЭДС, величина которой определяется из уравнения

.

При .

Если внешними проводниками подключить к активному проводнику ab резистор сопротивлением R, то в проводнике ab потечет ток i = e/R. Тогда этот проводник может рассматриваться как проводник с током, находящийся в магнитном поле. На него будет действовать механическая сила F, противоположная направлению перемещения проводника и являющаяся силой сопротивления внешнему воздействию, которое перемещает проводник со скоростью v. Сила F таким образом является силой механического сопротивления. Именно этот случай имеет место во всех электрических машинах, преобразующих электрическую энергию в меха­ни­ческую и механическую энергию в электрическую.

4. Следует напомнить о следующем свойстве упорядоченного движения электрических зарядов. Вокруг любого проводника с током существует магнитное поле, на­пря­женность которого пропорциональна току (рис. 1.6).

Рис. 1.6

Ф

Рис. 1.7

Для определения направления напряженности магнитного поля используют правило правоходового винта. Если винт вращать за головку так, чтобы направление перемещения винта совпадало с направлением тока, то направление вращения головки винта покажет направление силовых линий магнитного поля (см. рис. 1.6). Если проводник имеет форму витка (рис. 1.7), то ток, протекающий по проводнику, создает магнитное поле, магнитный поток которого пропорционален току витка. Если магнитный поток индукции магнитного поля сквозь поверхность, ограниченную линией витка, изобразить вектором, то направление этого вектора будет таким, как показано на рис. 1.7.

Для определения направления этого вектора обычно используют то же правило правоходового винта.

Взаимодействием магнитного поля и свободных электрических зарядов объясняется и следующее явление, позволяющее понять принцип действия электрических машин. Речь идет о взаимодействии внешнего магнитного поля со свободными зарядами проводника в форме прямоугольной рамки или витка.

Е сли виток из проводника сцепляется с магнитным полем, магнитный поток которого через площадь витка изменяется во времени, то в витке наводится ЭДС, величина которой пропорциональна скорости изменения магнитного потока . При этом ЭДС имеет такое направление, что при замыкании контура в нем будет протекать ток, собственное магнитное поле которого будет препятствовать изменению магнитного потока. В соответствии с выбранным направлением магнитного потока при его увеличении потенциал клеммы a витка будет выше потенциала клеммы b. При уменьшении потока полярность ЭДС изменится на противоположную.

Г л а в а 2