Вихревое электрическое поле не является электростатическим

Силовые линии электростатического поля всегда разомкнуты - они начинаются и заканчиваются на электрических зарядах. Именно поэтому напряжение по замкнутому контуру в электростатическом поле всегда равно нулю, это поле не может поддерживать замкнутое движение зарядов и, следовательно, не может привести к возникновению электродвижущей силы.

Напротив, электрическое поле, возбуждаемое изменениями магнитного поля, имеет непрерывные силовые линии, т.е. представляет собой вихревое поле. Такое поле вызывает в проводнике движение электронов по замкнутым траекториям и приводит к возникновению ЭДС - сторонними силами являются силы вихревого электрического поля.

Циркуляция _в этого поля по любому контуру L проводника представляет собой ЭДС электромагнитной индукции:

29. Вращение рамки в магнитном поле.

Явление электромагнитной индукции применяется для преобразования механической энергии в энергию электрического тока. Для этой цели используются генераторы, принцип действия которых рассмотрим на примере плоской рамки, вращающейся в однородном (В = const) магнитном поле.

Пусть рамка вращается равномерно с угловой скоростью . Магнитный момент, сцепленный с рамкой площадью S, в любой момент времени t равен

где - угол поворота рамки в момент времени t.

При вращении рамки вней возникает переменная ЭДС индукции:

максимальное значение ЭДСиндукции . Тогда

При равномерном вращении рамки в однородном магнитном поле в ней возникает переменная ЭДС, изменяющаяся по гармоническому закону.

Процесс превращения механической энергии в электрическую обратим. Если по рамке, помещенной в магнитное поле, пропускать электрический ток, то на нее будет действовать вращающий момент М = IS[n,B] и рамка начнет вращаться. На этом принципе основана работа электродвигателей.

30. Вихревые токи (токи Фуко).

Индукционный ток возникает не только в линейных проводниках, но и в массивных сплошных проводниках, помещенных в переменное магнитное поле. Эти токи замкнуты в толще проводника и называются вихревыми или токами Фуко.

Токи Фуко также подчиняются правилу Ленца: их магнитное поле направлено так, чтобы противодействовать изменению магнитного потока, индуцирующему вихревые токи. Поэтому массивные проводники тормозятся в магнитном поле. Кроме того, вихревые токи вызывают сильное нагревание проводников. В электрических машинах, для того чтобы минимизировать влияние токов Фуко, сердечники трансформаторов и магнитные цепи электрических машин собирают из тонких пластин, изолированных друг от друга специальным лаком или окалиной.

Джоулево тепло, выделяемое токами Фуко, используется в индукционных металлургических печах.

Взаимодействие вихревых токов с высокочастотным магнитным полем приводит к неравномерному распределению магнитного потока по сечению магнитопроводов — вытеснение магнитного потока из объема в приповерхностные области проводника. Это явление называется магнитным скин-эффектом.

Вихревые токи возникают и в самом проводнике, по которому течет переменный ток, что приводит к неравномерному распределению тока по сечению проводника - вытеснение токов высокой частоты в приповерхностные области проводника. Это явление называется электрическим скин-эффектом.

31. Индуктивность контура.

Электрический ток, текущий в замкнутом контуре, создает вокруг себя магнитное поле, индукция которого, по закону Био-Савара-Лапласа пропорциональна току. Поэтому сцепленный с контуром магнитный поток пропорционален току в контуре:

Ф = LI

где коэффициент пропорциональности L называется индуктивностью контура.

Пример: индуктивность длинного соленоида.

Потокосцепление соленоида (полный магнитный поток сквозь соленоид):

откуда:

где N - число витков соленоида, l - его длина, S - площадь, μ .- магнитная проницаемость сердечника.

Индуктивность контура в общем случае зависит только от геометрической

формы контура, его размеров и магнитной проницаемости той среды, в которой он находится.

В этом смысле индуктивность контура - аналог электрической емкости уединенного проводника, которая также зависит только от формы проводника, его размеров и диэлектрической проницаемости среды.

32. Самоиндукция.

При изменении силы тока в контуре будет изменяться и сцепленный с ним магнитный поток, а это, в свою очередь будет индуцировать ЭДС в этом контуре. Возникновение ЭДС индукции в проводящем контуре при изменении в нем силы тока называется самоиндукцией.

Единица индуктивности - генри (Гн): 1 Гн - индуктивность такого контура, магнитный поток самоиндукции которого при токе в 1А равен 1В6 (1Гн=1Вб/А=1Вс/А).

Из закона Фарадея ЭДС самоиндукции

Если контур не деформируется и магнитная проницаемость среды не изменяется, то L = const и ЭДС самоиндукции:

где знак минус, обусловленный правилом Ленца, показывает, что наличие индуктивности в контуре приводит к замедлению изменения тока в нем.

Если ток со временем возрастает, то <0, т.е. ток самоиндукции направлен навстречу току, обусловленному внешним источником, и замедляет его возрастание.

Если ток со временем убывает, то > 0, т.е. ток самоиндукции имеет такое же направление, как и убывающий ток в контуре, и замедляет его убывание.

Таким образом, контур, обладая определенной индуктивностью, приобретает электрическую "инертность".

33. Токи при размыкании и замыкании цепи.

При всяком изменении силы тока в проводящем контуре возникает ЭДС самоиндукции, в результате чего в контуре появляются дополнительные токи, называемые экстратоками самоиндукции.

индуктивностью L под действием внешней ЭДС 0 течет постоянный ток I₀ =ε/R. В момент времени t=0 выключим источник тока. Возникает ЭДС самоиндукции , препятствующаяуменьшению тока. Ток в цепи определяется законом Ома или . Разделяем переменные: и интегрируем по I (от I₀ до I) и по t (от 0 до t): или

где - постоянная, называемая временем релаксации — время, в течение которого сила тока уменьшается в е раз.

Таким образом, при выключении источника тока сила тока убывает по экспоненциальному закону (а не мгновенно).

Оценим значение ЭДС самоиндукции при мгновенном увеличении сопротивления от R_o до R:

, откуда

Т.е. при резком размыкании контура (R»R₀) ЭДС самоиндукции может во много раз превысить , что может привести к пробою изоляции и выводу из строя измерительных приборов.

При замыкании цепи помимо внешней ЭДС возникает ЭДС самоиндукции , препятствующая возрастанию тока. По закону Ома, или . Можно показать, что решение этого уравнения имеет вид:

, (кривая 2)

где I₀ = - установившийся ток (при t —» ∞).

Таким образом, при включении источника тока сила тока возрастает по экспоненциальному закону (а не мгновенно).

Дата добавления: 2014-01-20