Применение электромагнитных явлений в физических измерениях

Терморезистивный эффект – изменение сопротивления с изменением температуры. В проводниках свободные электроны рассеиваются на дефектах решетки. Сопротивление проводника длиной и площадью поперечного сечения равно:, где l – длина проводника; s - площадь поперечного сечения, - удельное сопротивление. Интенсивность колебаний узлов кристаллической решетки увеличивается с ростом температуры. При увеличении температуры геометрические размеры проводника изменяются незначительно, поэтому основной вклад в зависимость сопротивления от температуры вносит удельное сопротивление металла. График ρ(T), для меди представлен на рис.3.20

r Q8d22pnnEzLtDI5pJQgEgSAw6hDgzZrJTmceW8i0MzimlSAwIghkIBwR2HPRIPAmBEKmeSmCQBAI AkEgCAwSgZDpIAFM9SAQBIJAEAgCIdO8A0EgCASBIBAEBolAyHSQAKZ6EAgCQSAIBIGOkmkn8xzm 0QSBIBAEgkAQGC0IdJRM41k4Wh57+hkEgkAQCAKdROBNZJoDQSAIBIEgEASCQBAIAkEgCASBIBAE RgSB/wsqOHJdirF3nwAAAABJRU5ErkJgglBLAQItABQABgAIAAAAIQCxgme2CgEAABMCAAATAAAA AAAAAAAAAAAAAAAAAABbQ29udGVudF9UeXBlc10ueG1sUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhADj9If/WAAAA lAEAAAsAAAAAAAAAAAAAAAAAOwEAAF9yZWxzLy5yZWxzUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhACYbOdYBBAAA 0QkAAA4AAAAAAAAAAAAAAAAAOgIAAGRycy9lMm9Eb2MueG1sUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhAKomDr68 AAAAIQEAABkAAAAAAAAAAAAAAAAAZwYAAGRycy9fcmVscy9lMm9Eb2MueG1sLnJlbHNQSwECLQAU AAYACAAAACEASzIzO9oAAAAFAQAADwAAAAAAAAAAAAAAAABaBwAAZHJzL2Rvd25yZXYueG1sUEsB Ai0ACgAAAAAAAAAhAJ2TkKpCUwAAQlMAABQAAAAAAAAAAAAAAAAAYQgAAGRycy9tZWRpYS9pbWFn ZTEucG5nUEsFBgAAAAAGAAYAfAEAANVbAAAAAA== ">

Рис.3.20.Зависимость удельного сопротивления, металла (меди) от температуры сопротивления проводника от температуры

В металлах концентрация свободных электронов постоянна. Чем выше температура, тем сильнее колеблются составляющие металл атомные «остовы» и тем большую помеху они представляют для электрического тока, тем больше удельное сопротивление. Если, наоборот, приближать температуру к абсолютному нулю, сопротивление образца будет «стремиться» к ρ₀ — остаточному сопротивлению (рис.3.21). Остаточное сопротивление зависит от совершенства и состава образца. В любом веществе встречаются посторонние атомы-примеси, а также всевозможные другие дефекты. Чем меньше в образце дефектов, тем меньше остаточное сопротивление.

В реальной области используемых температур эту зависимость можно считать линейной.; где α – температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Таким образом изменение сопротивления является мерой изменения температуры. Для химически чистых металлов α > 0 и равно 1/273 К^-1. Для сплавов температурные коэффициенты имеют меньшее значение.

Качественное отличие полупроводников от металлов проявляется прежде всего в зависимости удельного сопротивления от температуры. С понижением температуры сопротивление металлов падает, у собственных (чистых) полупроводников, напротив, с понижением температуры сопротивление возрастает и вблизи абсолютного нуля они практически становятся изоляторами (рис.18.1).

Рис.3.21. Зависимость удельного сопротивления ρ чистого полупроводника от абсолютной температуры T.

Такой ход зависимости ρ(T) показывает, что у полупроводников концентрация носителей свободного заряда не остается постоянной, а увеличивается с ростом температуры. Механизм увеличения концентрации носителей преобладает над механизмом рассеивания носителей на колебаниях решетки, поэтому зависимость носит нелинейный характер, а температурный коэффициент является отрицательным. Полупроводники обладают высоким ТКС [(3-4)·10^-2 °С^-1] и соответственно большим начальным электрическим сопротивлением. У легированных полупроводников и сложных полупроводников ТКС в определенном температурном интервале может быть положительным.

Терморезистор - резистивный прибор, обладающий высоким ТКС (температурным коэффициентом сопротивления) в широком диапазоне температур. Различают терморезисторы с отрицательным ТКС, сопротивление которых падает с возрастанием температуры (термисторы), и терморезисторы с положительным ТКС, сопротивление которых увеличивается с возрастанием температуры.

Для измерения температур используются материалы, обладающие высокостабильной ТКС, линейной зависимостью сопротивления от температуры, хорошей воспроизводимостью свойств и инертностью к воздействиям окружающей среды. К таким материалам в первую очередь относится платина. Платиновые термометры работают в диапазоне от -250°С до +900°С с точностью до 0.001°С. Благодаря своей дешевизне широко распространены медные терморезисторы, применяются также вольфрамовые (при температуре выше 600⁰С) и никелевые. Датчики просты, дешевы, обладают линейной характеристикой, малоинерционные и при малых габаритах могут иметь сопротивления до десятков килоОм.

Промышленностью выпускаются полупроводниковые термометры сопротивления как с положительным ТКЭС – позисторы, так и с отрицательным – термисторы. Для позисторов температурные зависимости сопротивления, снятые в широких интервалах температур, имеют сложный характер. При достаточно низких и высоких температурах сопротивление уменьшается при увеличении температуры по закону, близкому к экспоненциальному. В промежуточной области сопротивление R резко возрастает при повышении температуры. Крутизной графика, а, следовательно, и величиной ТКС, можно управлять в широких пределах различными технологическими приемами.

Тензорезистивный эффект В основе работы тензорезисторов лежит тензоэффект, заключающийся в изменении активного сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов при их механической деформации. Сопротивление определяется концетрацией свободных носителей и их подвижностью. И то и другое может изменяться вследствие деформации тела, т.е.изменения межатомных расстояний. Механизм влияния деформаций в проводниках и полупроводниках различен.

Электрическое сопротивление тела изменяется при деформации как за счет изменения его геометрических размеров, так и за счет изменения удельного сопротивления материала. У металлов удельное сопротивление слабо зависит от деформации, поэтому изменение сопротивления при механических воздействиях связано в основном с изменением их геометрических размеров.

У полупроводников зависимость сопротивления от деформации носит более сложный характер. Приращение сопротивления за счет изменения удельного сопротивления зависит от структуры и свойств материала и в некоторых случаях может быть в несколько десятков и сотен раз больше, чем изменение за счет геометрии. В полупроводниках основную роль играет изменение концентрации носителей. При деформации изменяется ширина запрещенной зоны и смещение примесных уровней, это ведет к изменению концентрации носителей. Ширина запрещенной зоны может увеличиваться при сближении атомов или уменьшаться в зависимости от материала полупроводника, таким образом изменения удельного вопротивления у разных полупровдников могут иметь разные знаки.

Характеристикой тензоэффекта материала служит коэффициент тензочувствительности, определяемый как отношение изменения сопротивления к изменению длины проводника:

Коэффициент тензочувствительности для металлов, наиболее часто применяемых для тензорезисторов близок к двум: для константана 2, для нихрома 2,2, для хромеля 2,5. Для полупроводниковых материалов коэффициент тензочувствительности намного больше, чем у металлов (Для полупроводников Кт =20-200).

Наиболее распространены тензорезисторы из металла. Они разделяются на проволочные и фольговые. Проволочные тензорезисторы выполняют из проволоки диаметром 0,002 - 0,05 мм, которую укладывают петлями на тонкую бумагу или лаковую пленку и приклеивают к ней. К концам проволоки припаивают или приваривают выводы (рис.3.22).

Рис. 3.22. Конструктивная схемы тензорезистора: 1 – решетка; 2 – выводы; 3, 4 – основа решетки и покрытие

Чувствительный элемент фольговых датчиков представляет собой решетку из тонкой пленки фольги, напыленной на подложку. Решетка зачеканена в тонкопленочную полимерную основу, изолирующую ее от объекта и передающую деформацию.

Интегральный датчик давления. Датчик изготавливается методами интегральной технологии. В кристалле п -кремния формируются путем легирования диффузионные резисторы (области р -типа). На кристалле формируются четыре одинаковых сопротивления, из них два располагаются радиально, и два- тангенциально. С обратной стороны кристалла вытравливается часть кремния и формируется тонкая мембрана, которая и является упругим элементом тензорезистора. При приложении давления происходит деформация упругого элемента и, как следствие, изменение сопротивления тензорезисторов. На рис.3.23 схематично представлена структура кристалла датчика.

Рис.3.23. Схематическое изображение структуры интегрального датчика давления.

n-Si

SiO₂

Al- металлизация

р-резистор

Сопротивления соединены в мостовую схему. Схема измерительного мостика Уинстона представлена на рис.3.24.

Рис.3.24.Схема измерительного моста Уинстона

Четыре сопротивления R1.R2.R3.R4 образуют его плечи, в одну диагональ моста включен источник питания, в другой диагонали моста измеряется напряжение. Используя правила Кирхгофа модно показать, что при соотношении R1/R3=R2/R4 напряжение в измеряемой диагонали равно 0. Таким образом, влияние температуры и других внешних факторов на все резисторы одинаково и не влияют на напряжение в измеряемой диагонали. В датчике формируются одинаковые сопротивления. За счет соответствующего расположения на мембране тензорезисторы R1 и R4 обладают одним знаком тензочувствительности, а R2 и R3 - противоположным. Что позволяет повысить чувствительность.

Применение эффекта Холла. В проводнике с током, помещенном в магнитное поле, перпендикулярное направлению тока, возникает электрическое поле в направлении, перпендикулярном направлениям тока и магнитного поля. Если в магнитное поле с индукцией B поместить проводник или электронный полупроводник, по которому течет электрический ток плотности j, то на электроны, движущиеся со скоростью v в магнитном поле, действует сила Лоренца F, отклоняющая их в определенную сторону. На противоположной стороне скапливаются положительные заряды (рис.3.25).

Рис.3.25. Эффект Холла.

В дырочном полупроводнике знаки зарядов на поверхностях меняются на противоположные. Этот эффект называется эффектом Холла. В поперечном направлении разделенные магнитным полем заряды создают разность потенциалов U_H – напряжение Холла. Возникающее поперечное электрическое поле препятствует отклонению движущихся заряженных частиц магнитным полем, в результате устанавливается равновесие между магнитной и электрической силой. Условие равновесия силы Лоренца и силы, вызванной поперечным электрическим полем eEH = evB = eUH/b.

Ток через образец равен I = nevS, где S — площадь поперечного сечения проводника, S = bd, b — ширина, d — толщина, n – концентрация носителей. Отсюда следует, что образующаяся разность потенциалов: U_H = bvB = IvB/nevd = IB/end. Напряжение можно представить как произведение тока на сопротивление. U_H = IRH. _.

Сопротивлением Холла R_H называется отношение напряжения Холла к току в образце. Оно не является сопротивлением в обычном смысле, поскольку соответствующие токи и электрические поля перпендикулярны друг другу. Важно отметить, что R_H — это отношение возникающей поперечной разности потенциалов к продольному току, RH = Rxy = Vy/Ix. При этом продольное сопротивление, R_x = V_x/I_x, слабо зависит от индукции магнитного поля, оставаясь по величине близким к своему значению при B = 0.

Эффект Холла усиливается с увеличением индукции магнитного поля B и уменьшением концентрации носителей заряда n. Отсюда следует, что сопротивление Холла пропорционально частному от деления индукции магнитного поля на концентрацию носителей заряда, то есть RH ~ B/n. Эффект Холла используется для измерения параметров магнитного поля, для определения концентрации и знака носителей в полупроводниковых образцах.

Термоэлектрические явления. Явление прямого преобразования теплоты в электричество в твердых или жидких проводниках, а также обратное явление прямого нагревания и охлаждения спаев двух проводников проходящим током. Термин «термоэлектричество» охватывает три взаимосвязанных эффекта: термоэлектрический эффект Зеебека и электротермические эффекты Пельтье и Томсона. Все они характеризуются соответствующими коэффициентами, различными для разных материалов. Эти коэффициенты связаны между собой так называемыми соотношениями Кельвина.

Электротермический эффект Томсона. Если металлический проводник нагревать в одной точке и одновременно пропускать по нему электрический ток, то на концах проводника, равноудаленных от точки нагрева температура будет разная.В более нагретой части проводника средняя энергия электронов больше, чем в менее нагретой Поэтому, если направление тока в металле соответствует движению электронов от горячего конца к холодному, то электроны передают свою избыточную энергию кристаллической решетке, в результате чего происходит выделение теплоты Томсона (Qt>0). При обратном направлении электроны, двигаясь от холодного конца к нагретому, будут пополнять свою энергию за счет решетки, что приведет к поглощению соответствующего количества теплоты (Qt<0). Величина коэффициента Томсона для большинства металлов довольно мала и не превышает t» 10-5 В/К.

Рис.3.26. Термоэлектрические эффекты а - эффект Зеебека. б - Эффект Пельте (обратен эффекту Зеебека).

а

б

Термоэлектрический эффект Зеебека состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает эдс (термоэдс), если места контактов поддерживают при разных температурах (рис.3.26а).

В простейшем случае, когда электрическая цепь состоит из двух различных проводников, она называется термоэлементом, или термопарой. Величина термоэдс зависит только от температур горячего T₁ и холодного T2 контактов и от материала проводников. В небольшом интервале температур термоэдс можно считать пропорциональной разности (T1 – T2).

В местах контактов различных материалов заряды переходят от проводника, где они имели более высокую энергию, в проводник с меньшей энергией зарядов. Так как вдоль однородного проводника имеется градиент температур, то возникает диффузия носителей: у охлажденного конца концентрация носителей повышается, что приводит к дополнительному изменению термотока. В металлах концентрация электронов проводимости велика и не зависит от температуры, Энергия электронов также почти не зависит от температуры, поэтому термоэдс металлов очень мала. Сравнительно больших значений достигает термоэдс в полуметаллах и их сплавах, где концентрация носителей значительно меньше и зависит от температуры, а также в некоторых переходных металлах и их сплавах (например, в сплавах Pd с Ag термоэдс достигает 86 мкв/ °С).

Для полупроводников основной причиной, вызывающей усиление термотока в эффекте Зеебека, является диффузия носителей. В дырочных полупроводниках на холодном контакте скапливаются дырки, а на горячем остается некомпенсированный отрицательный заряд. В термоэлементе, состоящем из дырочного и электронного полупроводников, термоЭДС складываются.

ЭффектПельтье - термоэлектрическое явление, обратное эффекту Зеебека: при пропускании электрического тока I через контакт (спай) двух различных веществ (проводников или полупроводников) на контакте, помимо джоулева тепла, происходит выделение дополнительного тепла Пельтье Q_P при одном направлении тока и его поглощение при обратном направлении (рис.3.26б). Величина выделяемого тепла Q_P и его знак зависят от вида контактирующих веществ, силы тока и времени его прохождения:

Таким образом, причина всех термоэлектрических явлений — нарушение теплового равновесия в потоке носителей. Абсолютные значения всех термоэлектрических коэффициентов растут с уменьшением концентрации носителей; поэтому в полупроводниках они в десятки и сотни раз больше, чем в металлах и сплавах.

Эффект Зеебека обычно легче других термоэлектрических эффектов поддается надежным измерениям. Оно широко используется для измерения температур и для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую.

Термопара – преобразователь, состоящий из двух разнородных металлов, соединенных на одном конце. Эта часть ее помещается в месте замера температуры. Два свободных конца подключаются к измерительной схеме (милливольтметру). Схема измерения показана на рис.3.27.

Рис.3.27. Схема измерения температуры термопарой

Наиболее распространены термопары платино-платинородиевые (ПП), хромель-алюминиевые (ХА), хромель-копелевые (ХК), железоконстантовые (ЖК).

Измерение постоянного тока, напряж ения Большинство приборов основано на взаимодействии проводников с током с магнитным полем. В основном используют приборы магнитоэлектрической, электромагнитной и электродинамической систем.

Приборы магнитоэлектрической основываются на принципе взаимодействия рамки с током и магнитного поля постоянного магнита. Приборы электромагнитной системы работают на принципе втягивания металлического якоря в катушку, а приборы электродинамической системы используют взаимодействие катушки и рамки с током. Магнитоэлектрический прибор - измерительный, прибор непосредственной оценки для измерения силы электрического тока, напряжения или количества электричества в цепях постоянного тока. В основе работы прибора – взаимодействие рамки с током и магнитного поля постоянного магнита. Рамка с током является подвижной частью прибора (рис.3.30).

Рис.3.30. Конструкция прибора магнитоэлектрической системы

При пропускании через рамку измеряемого тока I на нее действует вращающий момент M=ISNB, где N- число витков провода в рамке, S - площадь рамки. Под действием момента M рамка поворачивается, закручивая пружину на угол φ. В пределах упругой деформации угол φ=αM: где α - коэффициент, зависящий от упругих свойств материала пружины и ее размеров. Таким образом, угол поворота рамки пропорционален току в рамке: φ=αISNB или φ= βB, где β= αSNB - постоянная прибора, определяемая при его градуировке путем пропускания через прибор тока, сила которого известна. Угол поворота рамки регистрируется поворотом стрелки прибора, жестко связанной с рамкой, шкала такого прибора равномерная. Рамка поворачивается в противоположную сторону, если изменить направление тока в рамке. Поэтому приборы такого типа пригодны только для измерения постоянных токов. Приборы магнитоэлектрической системы имеют большой вращающий момент при малых токах, обладают высокой точностью и малым потреблением.

В электромагнитных приборах магнитное поле создается в катушке, через которую пропускается измеряемый ток. В зависимости от силы тока измеряется сила, втягивающая внутрь катушки сердечник из ферромагнитного материала, соединенный с индикаторной стрелой (рис.).

Рис. 3.31. Конструкция прибора электромагнитной системы.

Электромагнитные приборы действуют по принципу перемещения подвижного под влиянием магнитного поля неподвижной катушки. Сердечник укреплен на одной оси со стрелкой указателя (см. рис.3.31). Вращающий момент в электромагнитных приборах может быть определен исходя из измерения энергии магнитного поля катушки прибора при изменении в ней тока I и ее индуктивности L при перемещении сердечника. Как известно, энергия магнитного поля,а потенциальная энергия упругодеформированной пружины, обусловленная поворотом сердечника на угол. При вращении сердечника, а, следовательно, и оси
. Знак угла отклонения стрелки прибора не зависит направления тока в катушке. Следовательно, приборы пригодны для измерения в цепях постоянного и переменного токов. В цепи переменного тока они измеряют действующее значение тока или напряжения.

Электромагнитные приборы уступают магнитоэлектрическим в чувствительности, но оказываются предпочтительнее последних в измерении больших токов или в тех случаях, когда необходимо работать с прибором, имеющим большое входное сопротивление. Их шкалы неравномерны.

В электродинамических приборах используется взаимодействие двух катушек с током (рис.3.32).

Рис. 3.32. Принцип действия прибора электродинамической системы.

Одна из них подвижная, а другая укреплена неподвижно. Токи, протекающие по этим катушкам, и магнитные потоки ими образуемые при своем взаимодействии создают вращающий момент. В отсутствие тока плоскость подвижной катушки параллельна оси неподвижной. Обе катушки включаются последовательно, так что по ним проходит один и тот же ток I. Вращающий момент Mвр. действующий на рамку, можно определить по формуле, где - число витков провода в рамке; -- площадь витка; -- угол между осью соленоида и нормалью к плоскости рамки; -- угол поворота рамки из положения равновесия;
-- магнитная индукция поля соленоида, содержащего витков на единицу длины. Так как, то угол поворота подвижной системы равен. Так как обычно угол небольшой, то cosφ≈1 и φ≈γI2, где γ= -- постоянная прибора. Электродинамический гальванометр неудобен тем, что вследствие квадратичной зависимости угла поворота стрелки от силы тока в рамке его шкалу нельзя сделать равномерной. Зато гальванометр такого типа пригоден для измерения как постоянных, так и переменных токов.

Электродинамический гальванометр можно использовать для измерения мощности, развиваемой электрическим током на пассивном участке цепи. Для этого через одну обмотку пропускают ток измеряемой цепи, а на вторую подают напряжение цепи. Приборы электродинамической системы имеют малую чувствительность и большое потребление. Применяются в основном при токах 0.1…10А и напряжениях 300 В.

Метод измерения магнитной индукции, основанный на законе Фарадея. Гальванометр – прибор магнитоэлектрической системы с высокой чувствительностью. Подвижной частью прибора является прямоугольная рамка с намотанной на неё тонкой изолированной проволокой, подвешенная на упругой нити между полюсами магнита, где она может совершать вращательные колебания. Конструкция гальванометра показана на рис.3.33а.

а  

б

Рис. 3.33. Конструкция баллистического гальванометра (а) и измерение магнитного потока с помощью баллистического гальванометра (б).

Баллистический гальванометр отличается от обычного тем, что момент инерции его подвижной части специально увеличен. Достигается это тем, что к раме гальванометра прикрепляют полый цилиндр из мягкого железа (баллистическая масса). Увеличивая момент инерции рамки, этот цилиндр значительно увеличивает период собственных крутильных колебаний рамки, вследствие чего возникает баллистический бросок - первый и наибольший отброс указателя баллистического гальванометра пропорционален количеству электричества, прошедшего через рамку гальванометра. Баллистический гальванометр может использоваться в качестве веберметра (т.е. измерять магнитный поток через замкнутый проводник, например катушку). На рис. 3.33б приведена схема, поясняющая общий принцип измерения постоянного магнитного потока с помощью баллистического гальванометра. Для измерения магнитного потока к гальванометру необходимо присоединить измерительную катушку с некоторым числом витков w. Измерительную катушку, подключенную к гальванометру, вносят в измеряемое магнитное поле. При этом магнитный поток через катушку изменяется от 0 до величины Ф=BS. Согласно закону Фарадея в катушке возникает ЭДС и в цепи появляется ток. ,, dФ=dq·R. Т.к. изменение магнитного потока пропорционально прошедшему заряду, проградуировав соответствующим образом гальванометр, можно определять изменение потока в веберах. Так как магнитный поток линейно связан с величиной магнитной индукции, после градуировки веберметра с учётом индуктивности катушки, можно измерить магнитное поле образца (например, постоянного магнита).

Индуктивные методы измерения геометрических и механических величин. Вокруг проводника с током возникает магнитное поле. Величина магнитного потока, пронизывающего контур пропорциональна величине тока Ф=LI. В случае катушки состоящей из N витков сумма магнитных потоков через все витки Ψ называют потокосцеплением или полным магнитным потоком:. Если поток, пронизывающий каждый из витков одинаков, то Ψ = NΦ= NL I.

Коэффициент пропорциональности L между током в контуре и создаваемым им магнитным потоком называется коэффициентом самоиндукции контура или индуктивностью.

В системе единиц СИ индуктивность измеряется в генри, сокращенно Гн, в системе СГС — в сантиметрах (1 Гн = 109 см).1 генри равен индуктивности электрического контура, возбуждающего магнитный поток в 1 вебер при силе постоянного тока в нём 1ампер. Индуктивность зависит только от геометрических свойств контура.

Плотность магнитного потока B в пределах катушки без сердечника является фактически постоянной и равна. где μ₀ − проницаемость вакуума, N − число витков, I − ток и l − длина катушки. Пренебрегая краевыми эффектами на концах соленоида, получим, что потокосцепление через катушку равно плотности потока B, умноженному на площадь поперечного сечения S и число витков N: Ψ=. Отсюда следует формула для индуктивности соленоида.

Самоиндукция. Каждый проводник, по которому протекает электрический ток, находится в собственном магнитном поле. При изменении силы тока в проводнике меняется магнитное поле, т.е. изменяется магнитный поток, создаваемый этим током. Изменение магнитного потока ведет согласно закону Фарадея к возникновению вихревого электрического поля и в цепи появляется ЭДС индукции.
Это явление называется самоиндукцией, а возникающая ЭДС - ЭДС самоиндукции. При размыкании и замыкании электрической цепи в ней возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая изменению (нарастанию или спаду) тока в цепи. ЭДС самоиндукции зависит от скорости изменения силы тока в цепи, от свойств проводника (размеров и формы) и от относительной магнитной проницаемости среды, в которой находится проводник..ЭДС самоиндукции, возникающая при изменении в нём тока выражается через индуктивность:. Генри (единица индуктивности) может быть также определён как индуктивность электрические цепи, в которой возникает эдс самоиндукции в 1 вольт при равномерном изменении тока в этой цепи со скоростью 1 ампер в 1 сек.

Энергия магнитного поля. Источник тока, включенный в электрическую цепь, обладает запасом энергии. В момент замыкания цепи источник тока расходует часть своей энергии на преодоление действия возникающей ЭДС самоиндукции. Эта часть энергии, называемая собственной энергией тока, и идет на образование магнитного поля. Таким образом, магнитное поле, обладает энергией. Энергия магнитного поля равна собственной энергии тока. Собственная энергия тока численно равна работе, которую должен совершить источник тока для преодоления ЭДС самоиндукции, чтобы создать ток в цепи., после прекращения тока энергия выделяется (при размыкании цепи с достаточно большой силой тока возможно возникновение искры или дуги)

Взаимоиндукция (взаимная индукция) — возникновение электродвижущей силы (ЭДС) в одном проводнике в следствие изменения силы тока в другом проводнике или вследствие изменения взаимного расположения проводников. Взаимоиндукция — частный случай более общего явления —электромагнитной индукции. При изменении тока в одном из проводников или при изменении взаимного расположения проводников происходит изменение магнитного потока, созданного током первого проводника и проходящего через контур второго, что по закону электромагнитной индукции вызывает возникновение эдс во втором проводнике. Если второй проводник замкнут, то под действием эдс взаимоиндукции в нем образуется индуктированный ток. И наоборот, изменение тока во второй цепи вызовет появление эдс в первой. Направление тока, возникшего при взаимоиндукции, определяется по правилу Ленца. Правило указывает на то, что изменение тока в одной цепи (катушке) встречает противодействие со стороны другой цепи (катушки). Чем большая часть магнитного поля первой цепи пронизывает вторую цепь, тем сильнее взаимоиндукция между цепями. С количественной стороны явление взаимоиндукции характеризуется взаимной индуктивностью. Для изменения величины индуктивной связи между цепями, катушки делают подвижными. Приборы, служащие для изменения взаимоиндукции между цепями, называются вариометрами связи.

Уравнение, определяющее индуктивность обмотки, имеет следующий вид:, т.е. индуктивность обратно пропорциональна магнитному сопротивлению цепи. Из этого уравнения следует, что изменения индуктивности L можно достичь изменением длины l (воздушного зазора), поперечного сечения S или магнитной проницаемости μ.

Магнитной цепью называется путь, по которому замы­кается магнитный поток. В соленоиде магнитная цепь здесь проходит через воздух. Магнитное сопротивление воздуха очень велико, поэтому даже при большом токе магнитный поток мал. Для увеличения магнитного потока в состав магнитной цепи вводят ферромагнитные материалы (обычно литая или электротехническая сталь), имеющие меньшее магнитное сопротивление. Устройство, выполненное из ферромагнитных материалов, в котором замыкается магнитный поток, называется магнитопроводом, или сердечником. Таким образом, магнитная цепь, может включать в себя как ферромагнетики, так и диамагнитные среды (например, воздушные зазоры).

Рис. 3.34. Магнитная цепь с воздушным зазором.

Представленная на рис.3.34 цепь состоит из магнитопровода с поперечным сечением S, l_ср - длина средней силовой линии магнитного поля в магнитопроводе; δ - толщина воздушного зазора. На магнитопроводе размещена обмотка с числом витков W, по которой протекает ток I. Напряженность магнитного поля H_ср = В_ср. =IW / l (см. формулу соленоида).. Магнитный поток Ф зависит от произведения IW=F, которое получило название магнитодвижущей силы (МДС).

Величину Rм=l/() – принято назвать магнитным сопротивлением магнитопровода (по аналогии с электрическим сопротивлением R=l/γS).. Магнитное сопротивление воздуха (зазоров) линейное, т.к. =1; =const. Магнитное сопротивление сердечника нелинейно – зависит от В. Если намагничивающую силу F, уподобить действию ЭДС, будет получено соотношение, похожее на выражение закона Ома для цепи постоянного тока. В связи с этим формулу принято назвать законом Ома для магнитной цепи. Следует оговориться, что эта аналогия – формальная, а физическая сущность процессов в электрических и магнитных цепях различна.

Индуктивный датчик. Индуктивный датчик это измерительный преобразователь геометрической или механической величины в изменение индуктивности. Датчик представляет собой катушку индуктивности с магнитопроводом, подвижный элемент которого (якорь) перемещается под воздействием измеряемой величины (рис.3.35). Вследствие изменения воздушного зазора в магнитопроводе меняется его магнитное сопротивление и, следовательно, индуктивность катушки. Для измерений катушку датчика включают в дифференциальную или мостовую измерительную схему переменного тока, у которой указывающий элемент проградуирован в единицах измеряемой величины. Наиболее часто применяют датчики с переменным зазором (а) и переменной площадью зазора (б). Первые используются для измерений малых перемещений (от долей мкм до 3—5 мм); вторые — для перемещений от 0,5 до 15 мм.

Рис.3.35. Схема конструкции индуктивного датчика: а — с переменным воздушным зазором; б — с переменной площадью воздушного зазора: 1 — катушка индуктивности; 2 — сердечник; 3 — якорь.

Дата добавления: 2014-01-20