Демпфирование подвижных частей электроприборов.

Рис. 6.12

Демпфирование подвижных частей электроприборов. Индукционные токи можно использовать для демпфирования (успокоения) подвижных частей электроприборов. При пропускании по рамке тока I она поворачивается в магнитном поле на определённый угол, и стрелка прибора перемещается по шкале прибора (рис. 6.12). Для того чтобы она не совершала длительное время колебаний около какого-либо деления шкалы на ось, к которой прикреплена стрелка, прикрепляют металлическую пластинку, которая при своём движении может пересекать линии другого магнитного поля . При этом меняется магнитный поток через плоскость пластинки, возникает индукционный ток , который, согласно правилу Ленца, тормозит движение пластинки, и колебания стрелки прибора быстро затухают.

Скин-эффект.

Скин-эффект. Возникновение индукционного тока при пропускании по проводнику переменного тока приводит к перераспределению суммарного тока по сечению проводника в тонких линейных цилиндрических проводниках, а именно, он выталкивается на поверхность проводника. Это явление получило название скин-эффекта (от англ. skin – кожа, оболочка). Чем выше частота переменного тока, тем тоньше поверхностный слой, по которому проходит ток. Внутри проводника тока фактически нет. Таким образом, под скин-эффектом понимают явление неравномерного распределения переменного тока по поперечному сечению проводника: повышение его плотности в поверхностном слое и уменьшение вблизи оси проводника.

Рис. 6.13

Для качественного объяснения ?вытеснения ?переменного тока к поверхности проводника при скин-эффекте выделим участок цилиндрического проводника (рис. 6.13). Рассмотрим момент времени, когда сила тока I возрастает. При этом возрастает и индукция создаваемого током магнитного поля. Следовательно, в соответствии с правилом Ленца, пеpпендикуляpно к силовым линиям этого поля, то есть вдоль пpовода, наводится вихревое электpическое поле, которое у поверхности проводника направлено так же, как и ток I, а на оси проводника – противоположно току. Это поле будет усиливать ток I вблизи поверхности и ослаблять его на оси проводника. Согласно закону Ома , при этом плотность тока в центральной части проводника уменьшается, а около поверхности проводника – возрастает.

Если же ток уменьшается, то ослабевающее вместе с ним магнитное поле создаст вихревое электрическое поле, напряженность которого будет направлена противоположно по сравнению с первым рассмотренным случаем, то есть у поверхности проводника будет противоположна току, а на оси – совпадать с током. Таким образом, как бы ни изменялась сила тока в проводнике, индуцируемое им вихревое электрическое поле на оси проводника препятствует, а у поверхности проводника способствует изменениям тока. Следовательно, на оси проводника ток слабее, а у поверхности – сильнее.

Чем выше частота переменного тока, тем тоньше поверхностный слой, по которому проходит ток. Наличие скин-эффекта позволяет вместо сплошных проводников использовать трубчатые, если они предназначены для цепей переменного тока высокой частоты. Однако уменьшение сечения проводника приводит к возрастанию его сопротивления. В этих случаях для снижения общего сопротивления полых проводников принимают специальные меры, в частности, покрывают поверхность тонким слоем серебра.

Бетатрон.

Рис. 6.14

Бетатрон. Бетатрон – ускоритель электронов. Между полюсами электромагнита, по которому пропускают переменный электрический ток частоты , расположено полое кольцо, изготовленное из неферромагнитного материала (например, из алюминия). Внутри кольца в вакууме движется ускоряемый пучок электронов. Переменное магнитное поле создает электрическое поле, силовые линии которого являются окружностями (рис. 6.14). Это поле ускоряет электроны. С другой стороны, это поле удерживает электроны при их ускорении на круговой орбите внутри кольца. За время одного оборота радиус орбиты (V – скорость электрона) должен оставаться постоянным, поэтому увеличение скорости электрона должно сопровождаться увеличением модуля вектора индукции магнитного поля. Следовательно, бетатрон работает в импульсном режиме: ускорение происходит в те промежутки времени, когда сила тока и, соответственно, модуль вектора индукции магнитного поля возрастают.

Жесткий диск компьютера.

Жесткий диск компьютера. Жесткий диск компьютера относится к постоянным запоминающим устройствам. Кроме жесткого диска, существуют и другие виды постоянных запоминающих устройств, например, диски CD- и DVD-ROM, флэш-карты и другие. Однако именно жесткий диск обеспечивает наибольшую вместительность и высокую скорость доступа к данным. Иными словами, компьютер может очень быстро записать на жесткий диск или считать с него огромное количество информации.

Все современные жесткие диски поставляются в запечатанном корпусе, внутри которого находится двигатель, вращающий насаженные на его вал пластинки с данными. Пластинки выполнены из стекла или алюминия, покрыты с двух сторон тонким слоем материала, имеющего свойства магнита, и отполированы. Двигатель раскручивает пластинки до огромных скоростей. Кроме двигателя и пластинок, в корпусе жесткого диска находятся головки чтения-записи, установленные на рычагах и охватывающие с обеих сторон каждую из пластинок. Рычаги приводятся в движение по команде компьютера.

Запись на магнитный диск и считывание с него происходит на основе явления электромагнитной индукции. Как только головка чтения-записи окажется в нужном положении над поверхностью пластинки, на электромагнит головки начинают поступать электрические импульсы. Так происходит запись компьютерных данных в сектор. Благодаря изменениям направления тока в обмотке электромагнита меняется направление магнитного поля. От электромагнита головки направление поля передается магнитным доменам (крошечным намагниченным участкам, которые складываются в сектора и треки). Считывание информации происходит с помощью обратного процесса. В ходе вращения пластинки магнитные домены «пролетают» под головкой чтения-записи, и в обмотке ее электромагнита наводятся разнонаправленные электрические сигналы, соответствующие цифрам «0» и «1». Далее они поступают в компьютер для обработки.

ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК

ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК

Большинство потребителей электрической энергии работает на переменном токе. В настоящее время почти вся электрическая энергия вырабатывается в виде энергии переменного тока. Это объясняется преимуществом производства и распределения этой энергии. Переменный ток получают на электростанциях, преобразуя с помощью генераторов механическую энергию в электрическую. Основное преимущество переменного тока по сравнению с постоянным заключается в возможности с помощью трансформаторов повышать или понижать напряжение, с минимальными потерями передавать электрическую энергию на большие расстояния. Кроме того, генераторы и двигатели переменного тока более просты по устройству, надежней в работе и проще в эксплуатации по сравнению с машинами постоянного тока.

Переменным током называется электрический ток, сила которого каким-либо образом меняется со временем. Обычный способ получения переменного тока заключается в том, что при вращении рамки в однородном магнитном поле в ней возникает электродвижущая сила, которая по закону Фарадея равна

.

Если рамка вращается в магнитном поле с частотой , то поток вектора магнитной индукции через поверхность, ограниченную контуром рамки, меняется со временем по закону:

,

где – максимальное значение потока вектора индукции через плоскость контура. Возникающая при этом электродвижущая сила равна

.

Величина называется амплитудой электродвижущей силы и представляет ее наибольшее значение.

Электродвижущая сила максимальна, когда угол . В этом положении поток равен нулю, а скорость изменения магнитного потока максимальна. Когда , поток максимален, а электродвижущая сила равна нулю. За один период электродвижущая сила дважды меняет знак. Периодически действующая электродвижущая сила вызывает в замкнутом проводнике переменный ток, также изменяющийся по периодическому закону.

Гармонически изменяющаяся электродвижущая сила – это идеализация. Такой закон изменения электродвижущей силы получается в том случае, когда магнитное поле однородно, а рамка вращается равномерно. Если хотя бы одно из этих условий нарушается, в контуре возникает электродвижущая сила, изменяющаяся по более сложному закону. Однако при равномерном вращении изменение электродвижущей силы происходит всегда по периодическому закону. Теория синусоидальных токов наиболее проста и хорошо разработана. Преимущество этого подхода подтверждается и тем, что все технические генераторы переменного тока имеют электродвижущую силу, изменяющуюся по синусоидальному закону. На этом основании при изучении переменных токов предпочтение отдается теории синусоидальных токов.

Квазистационарные токи

Особенностью постоянных токов является то, что они всегда замкнуты, и сила тока одинакова во всех сечениях. Постоянные токи подчиняются закону Ома, создают стационарные магнитные поля, индукция которых вычисляется по закону Био–Савара, сила взаимодействия между постоянными токами определяется по закону Ампера. Переменные токи обладают теми же свойствами и подчиняются тем же законам, если они замкнуты и значения силы тока во всех сечениях можно считать постоянными. Такие токи называются квазистационарными. Квазистационарные процессы можно исследовать с помощью законов постоянного тока, если применять эти законы к мгновенным значениям сил токов и напряжений на участках цепи.

Переменные токи могут быть квазистационарными при выполнении определенных условий. Поскольку электромагнитное возбуждение, возникающее в источнике электродвижущей силы, распространяется с конечной скоростью, сила переменного тока в различных сечениях неразветвленного проводника будет различной. Однако если время , необходимое для передачи возмущения на расстояние , много меньше периода изменения тока во времени, то мгновенные значения тока во всех сечениях цепи будут практически одинаковы, то есть ток будет квазистационарным.

Таким образом, условие квазистационарности периодически изменяющихся токов может быть записано в виде:

.

Из-за огромного значения скорости света время установления электрического равновесия в цепи оказывается весьма малым, поэтому к квазистационарным можно отнести многие достаточно быстрые в обычном смысле процессы. Например, быстрые колебания в радиотехнических цепях с частотами порядка миллиона колебаний в секунду и даже выше очень часто еще можно рассматривать как квазистационарные.

Так как длина электромагнитной волны , то это условие можно записать иначе: . Для технического тока частотой 50 Гц длина волны м. Следовательно, в линиях длиной в десятки и сотни километров такой ток можно рассматривать как квазистационарный.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: