"Физика (базовый уровень)", Касьянов В.А.
Электромагнитная индукция лежит в основе работы генераторов, трансформаторов и индукционных печей. Изменение магнитного потока создаёт ЭДС и ток, позволяя превращать механическую энергию в электрическую, изменять напряжение переменного тока и нагревать металл без контакта с нагревателем. Главные понятия темы — число витков, магнитный поток, вихревые токи и закон Ленца.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электрический генератор — устройство, в котором при изменении магнитного потока через обмотку возникает ЭДС индукции. Он нужен для получения электрической энергии за счёт механической: вращение турбины, рамки или магнита преобразуется в ток.
Трансформатор — устройство для изменения напряжения переменного тока посредством электромагнитной индукции. Его основные части — первичная и вторичная обмотки, намотанные на общий сердечник; это позволяет передавать энергию через магнитное поле.
Вихревые токи — индукционные токи, возникающие в сплошном проводнике при изменении магнитного поля. Они замыкаются внутри самого проводника, потому что в нём есть множество замкнутых путей движения зарядов, а не отдельная проволочная цепь.
Индукционная печь — устройство, в котором вихревые токи нагревают проводящий материал. Нагрев происходит без непосредственного контакта с нагревателем: переменное магнитное поле создаёт токи прямо в металле, а его сопротивление превращает энергию тока в тепло.
В генераторе рамка или магнит вращается, поэтому угол между магнитным полем и площадью рамки постоянно меняется. Из-за этого меняется магнитный поток, а по закону электромагнитной индукции возникает ЭДС. Поворот повторяется периодически, поэтому ЭДС меняет направление и во внешней цепи появляется переменный ток.
В первичной обмотке трансформатора переменный ток создаёт изменяющееся магнитное поле. Сердечник усиливает и направляет это поле так, чтобы магнитный поток проходил также через вторичную обмотку. Поскольку поток меняется, во вторичной обмотке возникает ЭДС индукции, хотя электрического контакта между обмотками нет.
Напряжение трансформатора зависит от числа витков: U₂/U₁ = N₂/N₁. Если вторичная обмотка содержит больше витков, напряжение повышается, а если меньше — понижается. В идеальном случае мощность почти сохраняется, поэтому из равенства U₁I₁ ≈ U₂I₂ следует: рост напряжения сопровождается уменьшением силы тока.
Когда переменное магнитное поле пронизывает сплошную металлическую деталь, внутри неё возникают замкнутые вихревые токи. Их собственное магнитное поле противодействует изменению, вызвавшему ток, согласно правилу Ленца. Такое противодействие используют, например, для бесконтактного торможения, но оно же вызывает нагрев деталей.
В индукционной печи переменное поле создаётся специальной катушкой вокруг проводящего материала. В металле возникают вихревые токи, и выделяемая на его сопротивлении энергия превращается в тепло. В сердечниках приборов этот эффект нежелателен, поэтому сердечник собирают из тонких изолированных пластин: разрыв больших замкнутых путей ослабляет токи и уменьшает потери.
| Устройство или явление | Что изменяется | Что возникает | Результат применения |
|---|---|---|---|
| Электрический генератор | Магнитный поток через обмотку | ЭДС индукции и переменный ток | Преобразование механической энергии в электрическую |
| Трансформатор | Ток в первичной обмотке и магнитный поток в сердечнике | ЭДС во вторичной обмотке | Изменение напряжения переменного тока |
| Индукционная печь | Магнитное поле в проводящем материале | Вихревые токи | Нагрев материала |
| Ламинированный сердечник | Магнитный поток | Ослабленные вихревые токи | Снижение потерь энергии на нагрев |
Сначала найдите в таблице, какая величина изменяется в устройстве. Затем проследите цепочку: изменение вызывает ЭДС или ток, а они дают практический результат.
Строка о ламинированном сердечнике описывает не отдельный источник энергии, а способ сделать работу электрических машин экономичнее. Сравнивая строки, легко увидеть, что одно и то же явление может быть полезным или нежелательным.
Условие. Рамка генератора поворачивается в магнитном поле. Нужно объяснить появление переменной ЭДС.
Ответ: переменная ЭДС возникает из-за периодического изменения магнитного потока при вращении рамки.
Условие. N₁ = 500, N₂ = 100, U₁ = 220 В. Требуется найти U₂ идеального трансформатора.
Ответ: U₂ = 44 В. Трансформатор является понижающим.
Условие. Трансформатор передаёт мощность 1,1 кВт; U₁ = 220 В, U₂ = 22 В. Найдём токи в идеальном трансформаторе.
Ответ: I₁ = 5 А, I₂ = 50 А. Различие токов связано с сохранением мощности при изменении напряжения.
Трансформатор считают работающим с постоянным током. Ошибка возникает из-за представления о трансформаторе как о простом соединении двух катушек. Проверьте себя: есть ли изменение магнитного потока; без него во вторичной обмотке ЭДС не возникает.
Меняют местами числа витков и напряжения. Запоминают формулу механически и получают обратную зависимость. Запишите U₂/U₁ = N₂/N₁ и проверьте смысл: больше витков должно давать большее напряжение.
Считают, что повышение напряжения увеличивает и ток. Так рассуждают, забывая о передаваемой мощности. Для проверки используйте U₁I₁ ≈ U₂I₂: при росте напряжения ток уменьшается.
Называют вихревые токи только вредными. Их часто связывают с потерями в сердечниках, но тот же нагрев применяется в печах, а тормозящее действие — в тормозных устройствах. Проверьте назначение конкретного прибора, а не только последствие явления.
Для понимания темы нужны магнитный поток, электромагнитная индукция, закон Фарадея и правило Ленца. Они объясняют, почему изменение магнитного поля создаёт ЭДС и задаёт направление индукционного тока.
Расчёты опираются на понятия переменного тока, напряжения, силы тока и электрической мощности. Особенно полезна формула P = UI, связывающая ток и напряжение в обмотках.
Принципы генератора и трансформатора пригодятся при изучении производства и передачи электроэнергии. Генераторы вырабатывают ток, а трансформаторы позволяют передавать его на больших расстояниях с меньшими потерями.
Почему генератор вырабатывает переменный ток?
При вращении рамки магнитный поток через неё периодически изменяется: сначала увеличивается, затем уменьшается и меняет направление. Поэтому ЭДС и ток также периодически изменяют величину и направление.
Можно ли использовать трансформатор для постоянного тока?
Обычный трансформатор работает только с изменяющимся током, поскольку именно изменение магнитного потока создаёт ЭДС во вторичной обмотке. При постоянном токе после включения установившегося режима поток почти не меняется, и передача энергии прекращается.
Как определить, повышающий трансформатор или понижающий?
Сравнивают числа витков обмоток. Если во вторичной обмотке витков больше, трансформатор повышающий; если меньше — понижающий.
Почему в трансформаторе токи в обмотках различаются?
В идеальном трансформаторе мощность примерно сохраняется: U₁I₁ ≈ U₂I₂. Поэтому при повышении напряжения сила тока уменьшается, а при понижении напряжения увеличивается.
Почему вихревые токи называют и полезными, и вредными?
Они полезны, когда их используют для нагрева металла или создания тормозящего действия. В сердечниках трансформаторов и генераторов вихревые токи вызывают ненужный нагрев и потери энергии, поэтому их ослабляют.
§ 23. Использование электромагнитной индукции
