Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Физика (3 семестр) mobile

.pdf
Скачиваний:
73
Добавлен:
28.03.2015
Размер:
1.96 Mб
Скачать

Токи Фуко, как и индукционные токи в линейных проводниках, подчиняются правилу Ленца: магнитное поле этих токов направлено так, чтобы препятствовать внешнему магнитному полю, вызвавшему это поле.

Маятник в виде массивного металлического диска совершает колебания около электромагнита.

Когда электромагнит выключен, маятник совершает колебания с очень мелкими затуханиями. Когда электромагнит включен, то переменное (из-за колебаний маятника) магнитное поле создаёт в маятнике вихревые токи, направление которых таково, что магнитное поле вихревых токов препятствует изменению внешнего магнитного поля, что приводит к остановке маятника.

Вихревые токи вызывают нагревание проводника,

поэтому для уменьшения потерь на нагрев якоря генераторов и электродвигателей делают не сплошными, а набирают из отдельных пластин, отделённых изолирующими слоями, при этом пластины устанавливаются так, чтобы вихревые токи были перпендикулярно им.

Полезную роль токи Фуко играют в индукционной печи. Она представляет собой большую катушку индуктивности, внутрь которой помещают металл для расплавки и тигель (форму).

Явление самоиндукции.

Возьмём замкнутый контур и будем создавать в нём ток.

При изменении тока изменится поток магнитного поля, пронизывающего площадку контура, вследствие чего в контуре индуцируется ЭДС самоиндукция.

Поскольку в соответствии с законом Био-Савара вектор индуктивности пропорционален силе тока, то и поток магнитного поля пропорционален силе тока:

, где – коэффициент пропорциональности (индуктивность контура).

Линейная зависимость наблюдается только в том случае, когда магнитная проницаемость среды не зависит от направления магнитного потока, то есть, в отсутствие ферромагнетиков.

При постоянной силе тока поток может меняться за счёт изменения формы и размеров контура. Из сказанного следует, что индуктивность контура зависит от геометрии контура, а также от магнитных свойств окружающей контур среды.

Вычислим индуктивность соленоида длиной , содержащего витков, площадью каждый.

Пусть внешнее поле – однородное, тогда:

Если вблизи контура нет ферромагнетиков, то ЭДС самоиндукции равна:

Знак минус обусловлен правилом Ленца, согласно которому индукционный ток направлен так, чтобы препятствовать причине, его вызывающей.

Когда (при возрастании тока) - ,

индукционный ток направлен навстречу току в контуре;

когда (при убывании тока) - , индукционный

ток сонаправлен с током в контуре.

За единицу индукции в СИ принята индуктивность такого проводника, у которого при силе тока в один ампер возникает сцепление с ним полного потока магнитного поля, величиной один вебер:

[ ]

В присутствие ферромагнетиков индуктивность будет функцией от силы тока через напряжённость магнитного поля, и при этом ЭДС самоиндукции равна:

(

 

 

 

) [

 

 

 

 

 

]

 

 

 

 

 

( )

Взаимная индукция.

Возьмём два проводящих контура, расположенных близко друг к другу.

В каждом контуре протекает ток, каждый контур создаёт свой магнитный поток.

Частично магнитный поток верхнего контура пронизывает площадку нижнего и наоборот.

Предположим, что есть только . Изменим его – во втором контуре возникнет ЭДС самоиндукции – ЭДС взаимной индукции:

, где – та часть магнитного потока, создаваемого первым контуром, которая пронизывает второй контур.

Если есть только , то:

, где – та часть магнитного потока, создаваемого вторым контуром, которая пронизывает первый контур.

Есть коэффициент взаимной индукции. Они зависят от геометрии формы, размеров и взаимного расположения контуров. Контуры 1 и 2 называются связанными.

Если изменить направление сил токов, то изменится и направление ЭДС, которое определяется правилом Ленца.

Вычислим взаимную индуктивность двух катушек, намотанных на общий тороидальный сердечник:

,где – длина средней линии тороида.

,где – поток магнитного поля через вторую обмотку.

Поскольку магнитный поток создаётся первым током, то можно записать, что:

Трансформаторы.

Сердечник делают из металла, потому что магнитное поле как бы втягивается внутрь сердечника и не рассеивается вокруг.

Затем для первичной обмотки уравнение по правилу Кирхгофа:

,где – поток, пронизывающий один виток.

,следовательно:

,следовательно:

,где знак минус говорит о том, ЭДС обмоток изменяются в противофазе.

, где

 

коэффициент трансформации, если

, то

 

трансформатор понижающий, если

повышающий.

Энергия магнитного поля тока.

Проводник, по которому протекает электрический ток, всегда окружён магнитным полем. Энергия магнитного поля

равна работе, выполняемой током по созданию этого магнитного поля.

Рассмотрим контур, находящийся в однородном магнитном поле:

Подвижная перемычка перемещается на расстояние за время под действием силы Ампера:

C другой стороны:

Энергия магнитного поля, связанного с контуром:

Магнитное поле локализовано в пространстве. Энергию магнитного поля можно выразить через величины, характеризующие само поле:

̃

̃

, где – объёмная плотность энергии магнитного поля.

Процессы при замыкании и размыкании LR-цепи.

При всяком изменении тока в проводящем контуре, в нём возникает ЭДС самоиндукции, в результате чего в контуре

появляются экстратоки самоиндукции.

Согласно правилу Ленца они всегда направлены так, чтобы препятствовать току в цепи (препятствовать возникновению тока при замыкании цепи и исчезанию тока при размыкании цепи).

Поставим переключатель в положение 1 и запишем для цепи второе правило Кирхгофа:

Обозначим

, тогда:

Из формулы (2) выразим силу тока:

Подставим (4) в (3):

Разделим переменные:

Возьмём неопределённый интеграл:

Постоянная интегрирования находится из начальных условий.

При = 0 сила тока в цепи равна нулю, из формулы (2) имеем:

Подставляем, находим постоянную интегрирования:

 

 

[

]

 

 

 

 

 

Заменим постоянную интегрирования и вернёмся к

формуле (2), заменив

:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( )

Формула (6) – закон нарастания тока в цепи с индуктивностью.

время релаксации время, в

течение которого сила тока уменьшится

в е раз.

Поставим переключатель в положение 2, отключив внешний источник ЭДС, оставляя только ЭДС самоиндукции.

Составим уравнение по второму правилу Кирхгофа:

Разделим переменные: