14.5.2. Электродинамическая система

Принцип действия этих приборов основан на взаимодействии магнитных полей катушек, по обмоткам которых протекает измеряемый ток. Одна из этих катушек К₁ (соленоид) неподвижно закреплена. Внутри нее может вращаться катушка К₂ (рамка), с которой жестко связана стрелка, перемещающаяся при повороте рамки над шкалой (рис. 14.13). Ось вращения подвижной катушки перпендикулярна оси неподвижной катушки.

Рис. 14.13

В отсутствие тока плоскости витков катушек взаимно перпендикулярны. При пропускании измеряемого тока создается вращающий момент М₁, под влиянием которого катушка К₂ будет стремиться повернуться так, чтобы плоскость ее витков стала параллельна плоскости витков катушки К₁. Этому противодействуют спиральные пружинки, закручивающиеся при вращении. Они создают противодействующий момент М₂. При равенстве моментов М₁ и М₂ подвижная катушка остановится.

Поскольку М₁=k₁I₁I_2,, а М₂ =k₂, то из условия равенства моментов получаем

, (14.19)

где k = k₁/k₂ ,

I₁ и I₂ - токи в катушках,

 - угол поворота рамки,

k₁ - коэффициент, зависящий от конструкции прибора,

k₂ -коэффициент упругости пружины,

Если катушки прибора соединить параллельно, то его можно использовать как амперметр (в этом случае I₁  I₂). Если катушки соединить последовательно и присоединить к ним добавочное сопротивление, то прибор может быть использован как вольтметр. В этом случае I₁=I₂ и

. (14.20)

Выражения (14.19) и (14.20) показывают, что шкала электродинамического прибора неравномерная, однако подбором конструкции катушек можно приблизить ее к равномерной.

При изменении направления тока в обеих катушках направление вращающего момента не меняется, поэтому приборы данной системы пригодны для измерений как постоянного, так и переменного тока. Кроме того, эти приборы можно использовать для измерения мощности (то есть в качестве ваттметров), если одну из катушек включить последовательно с участком цепи, а другую – параллельно (рис. 14.14). В этом случае вращающий момент будет равен М₁ = k₁IU , то есть, угол отклонения будет пропорционален мощности.

Рис. 14.14

Достоинствами приборов электродинамической системы являются: возможность измерения как на постоянном, так и на переменном токе; достаточная точность.

Недостатки: неравномерность шкал у амперметров и вольтметров, чувствительность к внешним магнитным полям и перегрузкам.

§15. Электромагнитная индукция

1. Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея. Правило Ленца

С момента открытия магнитного действия тока (Эрстед, Ампер, 1820г.) предпринимались многочисленные попытки возбудить ток в контуре с помощью магнитного поля. Задача была решена М. Фарадеем, экспериментально открывшим в 1831г. явление электромагнитной индукции. Электромагнитной индукцией называется возникновение электродвижущих сил под действием магнитных полей.

Рассмотрим суть опытов Фарадея, иллюстрирующих это явление.

Возьмем две катушки (рис. 15.1, а), одна из которых (К₁) замыкается на батарею Б, а вторая (К₂) - на гальванометр. В цепи первой катушки течет постоянный ток I₁, в цепи второй - ток отсутствует. Если катушку К₁ приближать к К₂, в последней возникнет ток I₂ , который Фарадей назвал индукционным током. При удалении катушки К₁ от К₂ ток I₂ тоже появляется, но имеет противоположное направление.

Рис. 15.1

Аналогичная картина наблюдается при удалении или приближении катушки К₂ к неподвижной катушке К₁. Если же взаимное распо-

ложение катушек не изменяется, ток I₂ отсутствует.

Катушку К₁ можно заменить длинным полосовым магнитом (рис. 15.1, б). При перемещении магнита вдоль оси катушки К₂ тоже обнаруживается возникновение в ней индукционного тока, направление которого зависит от того, каким полюсом обращен магнит к катушке, и от направления его движения. Описанные выше опыты Фарадея показывают, что причиной возникновения в катушке индукционного тока является изменение магнитного потока, пронизывающего ее витки. Индукционный ток проводимости в замкнутой цепи (контуре) может возникнуть лишь под действием сторонних сил. Соответствующая эдс называется электродвижущей силой индукции.

Последующие исследования индукционного тока в проводящих контурах различной формы и размеров показали, что э.д.с. индукции в контуре пропорциональна скорости изменения магнитного потока Ф_В, сквозь площадь, ограниченную контуром. Это утверждение называется законом Фарадея:

(15.1)

где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единиц.

Общее правило для направления индукционных токов было установлено в 1833г. профессором Петербургского университета Э.Х.Ленцем. Правило Ленца гласит: индукционный ток всегда направлен так, что его магнитное поле противодействует причине, вызвавшей его появление (т.е. противодействует изменению магнитного потока).

Если величины, входящие в формулу (15.1.), выражать в единицах СИ, то k = -1 и

(15.2)

Эта формула, объединяющая закон Фарадея и правило Ленца, выражает основной закон электромагнитной индукции (знак «минус» соответствует правилу Ленца).

Так, если магнитный поток через контур возрастает (контур приближается, например, к северному полюсу магнита), т.е. 0, то в контуре появляется индукционный ток I_u такого направления (рис. 15.2), что его магнитное поле будет уменьшать внешний поток, поэтомуI_u  0 и  0. Нормаль к контуру на рис. 15.2 соответствует направлению внешнего магнитного потока.

Рис. 15.2

Э.д.с. электромагнитной индукции не зависит от способа изменения магнитного потока (деформация контура, его перемещение в магнитном поле или изменение самого магнитного поля).

Если контур имеет N витков, то поскольку витки соединены последовательно, можно записать

где - потокосцепление, или полный магнитный поток.