Учебно-методическое пособие «Электромагнитная индукция»

Государственное бюджетное образовательное учреждение среднего профессионального образования "Нижегородский строительный техникум" (ГБОУ СПО НСТ)

Учебно-методическое пособие

по дисциплине

Основы электротехники (спец.270802) Электротехника и электроника (спец.270839) Электромагнитная индукция

тема

для студентов

1,2

курса

специальности

270802 Строительство и эксплуатация зданий и сооружений,

270839 Монтаж и эксплуатация внутренних сантехнических устройств, кондиционирования воздуха и вентиляции

Нижний Новгород

2014г.

РАССМОТРЕНО

Нa заседании предметно-цикловой

комиссии

____________________________________ _________________________

«_____» __________________201_года

Протокол № ___ _______

от «__»__________201_года

Председатель

__________________

ОДОБРЕНО

Зав.

Метод.кабинетом _____________

СОГЛАСОВАНО

Зам. руководителя по УР

Составитель:Васина Г.Ф., преподаватель высшей квалификационной

категории ГБОУ СПО "Нижегородский строительный техникум"

Рецензент:Малиновский А.Г., преподаватель высшей квалификационной категории ГБОУ СПО «Нижегородский строительный техникум»

Учебно-методическое пособие призвано оказать помощь студентам и преподавателям в освоении дисциплины Основы электротехники (cпeц.270802), Электротехника и электроника (спец.270839), в частности темы «Электромагнитная индукция». Пособие служит дополнением к содержанию учебника «Электротехника и электроника» (авт. Морозова H.IO.)

Учебное пособие содержит теоретическую и практическую часть в виде примеров расчета электрической цепи и машин постоянного и переменного тока.

Рецензия

на учебно-методические пособие

«Электромагнитная индукция» для студентов 1,2 курса

спец. 270802 Строительство и эксплуатация зданий и сооружений,

270839 Монтаж и эксплуатация внутренних сантехнических устройств, кондиционирования воздуха и вентиляции

Представленное на рецензию учебно-методическое пособие составлено преподавателем высшей квалификационной категории ГБОУ СПО "Нижегородский строительный техникум" Васиной Галиной Федоровной на базе рабочей программы учебной дисциплины ОП.03 Основы Электротехники.

Учебно-методическое пособие содержит материалы по методике преподавания и изучения учебной темы «Электромагнитная индукция» и методике выполнения различных расчетов.

Учебно-методическое пособие раскрывает тему с исчерпывающей полнотой. Структура пособия логически продумана, тема изложена ясным, понятным языком. При изложении используется достаточное количество чертежей и электрических схем, поясняющих суть изучаемого материала.

К достоинствам работы следует отнести показ многочисленных

практических приложений теоретического материала.

Пособиетребует доработкивчастисопровождениясписком

контрольных вопросов, ответы на которые показали бы степень усвоения обучающимися изучаемого материала.

Учебно-методическое пособие отвечает требованиям предъявляемым к подготовке обучающихся по дисциплине Основы электротехники (спец. 270802 Строительство и эксплуатация зданий и сооружений, спец. 270839

Монтаж и эксплуатация внутренних сантехнических устройств, кондиционирования воздуха и вентиляции) и рекомендуется для использования обучающимися в учебном процессе.

Преподаватель

Высшей квалификационной категории ГБОУ СПО . "Нижегородский строительный техникум"

А.Г.Малиновский

Содержание

Введение 5

1 . Явление электромагнитной индукции7

2.Принцип действия генератора8

3. Принцип действия электродвигателя

3.1. Рекуперативное торможение электродвигателей в 9 электротранспорте

3.2. Использование трехфазных асинхронных двигателей 9

для обкатки автомобильных двигателей

3.3. Принцип работы магнитной головки магнитофона 9

3.4. Электромагнитный микрофон10

4.Явление самоиндукции10

Список литературы16

Введение

При профессиональной подготовке будущих строителей и монтажников, наряду с полученным навыком конструирования и монтажа различных зданий и сооружений, актуальным является приобретение навыков чтения электрических схем, ведения оперативного учета работы энергетических установок.

Электромагнитная индукция - это возникновение электродвижущей силы (эдс индукции) в проводящем контуре, находящемся в переменном магнитном поле или движущемся в постоянном магнитном поле. Электрический ток, вызванный этой эдс, называется индукционным током. Знание явления электромагнитной инструкции лежит в основе изучение тем:

«Переменный ток» «Трехфазный ток», «Электроизмерительные приборы», «Трансформаторы», «Электрические машины постоянного тока», «Электрические машины переменного тока»

Явление электромагнитной индукции.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Магнитный поток Ф - это произведение индукции магнитного поля В на площадь контура S, перпендикулярного магнитным силовым линиям. (Причём контур может быть реальным, а может быть и воображаемым ).

В S

Ф=В*S

(1)

[Ф]= Вб (Вебер) 1Вб=1 Тл* 1м2

Если угол падения (угол между перпендикуляром к S и В равен а, то

разложив В=В +В ,получим:

Ф=В *S=BS cos а(2)

Если катушка имеет W витков, то произведение называется потокосцеплением

Ψ=wФ

(3)

Закон электромагнитной индукции открыт Генри и Фарадеем, теоретически обоснован Ленцем и Максвеллом. В формулировке Максвелла:

При всяком изменении магнитного потока в про воднике, находящемся в этом магнитном потоке, создаётся эдс, а если проводник замкнут, то в нём идёт индукционный ток.

Правило(закон Ленца): эдс индукции действует так, чтобы мешать собственной причине, то есть изменениям магнитного потока.

; -эдс индукции, где - -скорость изменения магнитного

минус - математическое выражение закона Ленца.

Открытие закона электромагнитной индукции (1831 г.) сразу же привело к появлению генераторов и электродвигателей, изобретению проволочного телеграфа,- трансформатора, открытию радиоволн, изобретению радио. Короче говоря, 1831 год - год рождения электротехники.

В таком порядке и рассмотрим различные применения этого явления, а заодно выясним причины такой «чёрной неблагодарности» эдс индукции по отношению к своему «родителю».

Принцип действия генератора.

Если двигатель проводник со скоростью V В, то площадь контура S, который проходит проводник, будет увеличиваться, а значит ↑Ф=В S ↑.в проводе будет наводиться индукционный ток. Какого его направление? Предположим, что к нам, Т.е. от Р к М. Тогда по правилу левой руки сила, действующая на ток со стороны магнитного поля F, направлена в ту же сторону, куда мы двигаем провод:

Это противоречит закону сохранения энергии. Значит сила должна быть направлена в сторону, противоположную движению. Тогда всё в порядке:

Совершая работу против тормозной силы Fт, действующей на индукционный ток со стороны магнитного поля, мы получаем преобразование механической энергии в электрическую.

Правильно:

ВЫВОД 1.Закон Ленца - это закон сохранения энергии.

ВЫВОД 2.Чем больше ток, потребляемый нагрузкой генератора, тем больше механической энергии потребляет генератор.

Принцип действия электродвигателя.

При подаче в проводник, находящийся в магнитном поле В тока 1 от источника электроэнергии (u), взаимодействие магнитных полей тока и внешнего приводит к появлению силы, действующей на проводник.

Проводник начинает двигаться, значит меняется магнитный поток. В проводнике возникает ЭДС индукции . Чтобы не противоречить закону сохранения энергии, мы должны утверждать, что она направлена против напряжения источника. Поэтому она и называется противо ЭДСе.

Совершая работу против ЭДС индукции, действующей в движущемся в магнитном поле проводнике с током, мы совершаем преобразование электрической энергии в механическую.

ВЫВОД 3. Чем больше механическая нагрузка на двигатель, тем больше тока потребляет двигатель.

Действительно:~v (v-скорость проводника),

(r-сопротивление проводника)

При увеличении механической нагрузки:

Совершая работу против ЭДС индукции, действующей в движущемся в магнитном поле проводнике с током, мы совершаем преобразование электрической энергии в механическую.

ВЫВОД 3. Чем больше механическая нагрузка на двигатель, тем больше тока потребляет двигатель.

(4)

v↓ → е↓,I↑

ВЫВОД 4. Электрические машины обратимы, Т.е. одна и та же машина может работать генератором и двигателем.

Обратимость используется очень широко.

ПРИМЕР 1. Рекуперативное торможение электродвигателей в электротранспорте.

Для торможения электродвигателя его подвижную часть - якорь отключают от питания и подключают к нагрузке, потребляющей большой ток (например, в электромобилях - к разряженному аккумулятору). При этом убивают двух зайцев: тормозят двигатель и кинетическую энергию двигателя используют для зарядки аккумулятора.

ПРИМЕР 2. Для обкатки автомобильных двигателей используют трёхфазные асинхронные двигатели. В режиме «холодной» обкатки электродвигатель используется как двигатель - вращает вал автомобильного двигателя, в режиме «горячей» обкатки - используется как электромагнитный тормоз, Т.е. в режиме генератора.

ПРИМЕР 3. Принцип работы магнитной головки магнитофона.

При записи переменный ток, создаваемый сигналом, создаёт переменный магнитный поток, который в зазоре ответвляется на ленту и намагничивает её.

При воспроизведении переменный магнитный поток, создаваемый участками ленты с различной намагниченностью, пронизывает витки обмотки, в которой наводится ЭДС.

ПРИМЕР 4. Электромагнитный микрофон.

При одинаковых токах, протекающих по разным магнитным системам, магнитный поток, создаваемый при этом, будет больше у той системы, у которой индуктивность больше.

(5)

Например,L витка больше, чем L прямого провода, а L катушки больше, чем у витка.

При подаче звука мембрана колеблется, воздушный зазор между ней и постоянным магнитом меняется, меняется магнитный поток Ф, в обмотке наводится ЭДС. Также устроен звукосниматель электрогитар. Роль мембраны выполняют струны.

Такой микрофон можно использовать как телефон: при подаче переменного тока в обмотку мембрана колеблется, создавая звуковые волны.

Такие микрофоны применяются в автоматике ТО и ремонта автомобиля как датчики перемещения, давления, усилий.

Явление самоиндукции.

Мы видели, что индукция магнитного поля В, а значит и магнитный поток Ф, прямо пропорциональны величине тока, создающего это магнитное поле, Т.е.:

Ф=LI,

где, L - коэффициент пропорциональности, который называется индуктивностью.

(Генри)

ЭДМ самоиндукции пропорциональна индуктивности и скорости изменения тока. Она действует так, чтобы мешать току меняться.

Опыт 1.

Итак,явление самоиндукции: при протекании по магнитной системе переменного тока i создаётся переменный магнитный поток Ф. Под влиянием изменений собственного магнитного потока системы, в ней возникает ЭДС индукции, которая называется ЭДС самоиндукции и обозначаетсяe_L.

Если положить I=lA, то Ф=L (численно),т.е.индуктивность магнитной системы численно равна магнитному потоку, создаваемому системой, если по ней идёт ток I=lA.

(6)

L - зависит от формы магнитной системы и от магнитной проницаемости сердечника. Например, L катушки с числом витков W длиной I, площадью поперечного сечения S и с сердечником, магнитная проницаемость которого М:

(7)

Строго говоря, у ферромагнитных сердечников М зависит от тока I,а значит и L(I). Это приводит к искажениям формы тока в трансформаторах и других электромагнитных приборах, поэтому в большинстве случаев сердечники стараются делать из такого материала, чтобы при изменениях тока в необходимых пределах можно было считать L=const.

Замечание.В некоторых приборах используется зависимость M(I), а значит и L от I.Это магнитные усилители, стабилизаторы переменного напряжения и др.

Мы в дальнейшем будем считать L=const.

=-,Т.е.

(8)

11

4.Замыкаем тумблер S 2. Общее сопротивление лампочек уменьшается

вдвое; повторяя действия по пунктам 1,2,3, можно убедиться, что

(R- сопротивление ламп и катушки)

Таким образом . Строгий расчёт показывает

В первый момент e_L =Е, так как i=O, потом е_L плавно спадает до нуля и

ток в цепи делается постоянным:

Магнитный поток

(9)

1. Тумблер S 2 разомкнут; в катушке сердечника нет. При замыкании

тумблера S1 лампочка ЛI мгновенно загорается.

2. Тот же опыт при вставленном в катушку сердечнике. Лампочка ЛI

загорается не сразу.

3. Увеличиваем число витков катушки при вставленном в неё сердечнике.

Лампочка ЛI загорается ещё медленнее.

ВЫВОД. Время нарастания тока т ~ L.

При подключении к источнику постоянного напряжения цепи, содержащей L, ток в цепи начинает увеличиваться, значит возникает e_L, направленная против Е:

Значит, энергия, которая из электрической превратилась в магнитную и запаслась в катушке:

Ем=-энергия, запасённая в магнитной системе.

При размыкании S₁ (лучше вместо тумблера взять провода с широкими наконечниками) можно обнаружить искру на наконечниках. Причём, чем большеи чем быстрее размыкаем S₁, тем больше искра. Для образования

ВЫВОД. Чем больше время нарастания тока, тем больше магнитный поток, значит, в это время происходит преобразование электроэнергии источника в магнитную, которая запасаетсяв катушке.

В каждый момент времени мощность источника, расходуемая на преодоление ЭДС самоиндукции:

Р = -е_Li = L * I; Pαt= Liαi.

(11)

(12)

искры в воздухе нужно очень большое напряжение, которое больше Е источника. Искру можно заметить, питая цепь даже от батарейки.

Импульс высокого напряжения, возникающий при размыкании цепи с L, получается за счёт магнитной энергии, накопленной в L. Чем больше L и чем больше был 1 , тем больше энергии было накоплено. Чем быстрее размыкается цепь, тем быстрее «выплёскивается» энергия, тем больше «удар», Т.е. амплитуда импульса ЭДС.

ВЫВОД. При размыкании цепи с индуктивностью в ней возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая уменьшению тока. Она прикладывается к контактам выключателя в том же направлении, что и ЭДС источника. При очень быстром размыкании амплитуда этого импульса может быть значительно больше ЭДС источника.

Вред этого:

1. Искра на контактах.

2. Электромагнитное излучение - радиопомехи.

Меры борьбы с искрой и радиопомехами: параллельно с контактами выключателя (прерывателя) ставят конденсатор, который при размыкании

3. Если даже при резком уменьшении тока цепь и не разрывается (например, в бесконтактной системе зажигания), то импульсы ЭДС самоиндукции могут по проводам питания пойти на другие

потребители энергии и нарушить их работу. Так, импульсы e_L

амплитудой 300 В, возникающие в первичной обмотке катушки зажигания, воздействуя на транзисторы электрооборудования и

радиотехнических устройств автомобиля, могут вывести их из строя.

Меры борьбы: в провода, питающие электронные устройства, включают небольшие катушки индуктивности - фильтры, в которых импульсы тока вызывают ЭДС самоиндукции, противодействующие этим импульсам.

контактов заряжается и отводит от них значительную часть энергии : так делают в системе зажигания, у коллекторных двигателей (электробритва, электродрель).

Применение.

1. Получение высоковольтных импульсов (система зажигания, телевизоры, лампы дневного света, электрозажигалки, электростимуляторы биений сердца, электрошокеры и т.д.).

2. Сглаживающие фильтры.

а) омметром измеряем сопротивление катушкиR_k.Берём резистор R=r_k;

б) тумблер S₂ в положении «1». Замыкаем тумблер S₁. Видим, что лампочка загорается сразу и горит ярко;

в) Ставим тумблер S₂ в положение «2». Видим, что лампочка загорается не сразу и горит более тускло;

г) делаем то же при вставленном железном сердечнике. Видим, что лампочка загорается ещё дольше и горит ещё хуже.

ВЫВОД 1.В цепи переменного тока магнитная система обладает дополнительным сопротивлением, возникающим в результате действия ЭДС самоиндукции, препятствующей изменениям тока.

Из формулы нетрудно прийти к выводу, что, чем больше частота

переменного тока, тем больше индуктивное сопротивление, чем больше L,f,

тем больше X_L.

Оно называется индуктивным сопротивлением и обозначается X_L.

ВЫВОД 2. Индуктивное сопротивление уменьшает амплитуду тока и задерживает его изменения.

Снова ставим тумблер S₂ в положение «1», держим так некоторое время. Потрогав R, убеждаемся, что он нагрелся.

Переключаем тумблер S₂ в положение «2», держим его в таком положении столько же времени. Потрогав катушку, убеждаемся, что она - холодная.

ВЫВОД 3. На индуктивном сопротивлении X_L потерь энергии не происходит, а лишь индуктивность обменивается электромагнитной энергией с источником.

Примечание.

1. То, что на индуктивности не происходит потерь энергии используется в трансформаторах, для ограничения силы тока в лампах дневного света.

2. Зависимость Х от L используется в датчиках перемещения, усилий.

Например, датчик уровня топлива.

4.Данилов И. А. Общая электротехника с основами электроники / И. А. Да­нилов, П. М. Иванов. - М. : Мастерство, 2001.

5. Евдокимов Ф.Е. Общая электротехника. - М.: Энергия, 1992.

6. Кацман М. М.Электрические машины. М.: Академия, 2003.

7. Кацман М. М. Электрические машины автоматических устройств. М.:

ФОРУМ, 2000.

8. Кацман М. М. Электрический привод. М.: Академия, 2005.

9. Синдеев 10. Г. Электротехника с основами электроники: учеб. пособие.

Ростов н/Д: Феникс, 2001.

10. Славинский А. К.,Туревский И. С. Электротехника с основами

электроники: учебное пособие. - М.: ид «ФОРУМ»: ИНФРА-М, 2009. ­

448 с.: ил. - (Профессиональное образование).

11. Фремке А. В. Электрические измерения. - М.: Энергия, 1996.

12.Элсктротехника и электроника: учебник для студ. учреждений сред.

проф. образования /Б. И. Петленко, Ю. М. Иньков, А. В. Крашенинников и др.; под ред. Б. И. Петленко. - 5-е ИЗД., стер. - М. : Издательский центр «Академия», 2009. - 320 с.

13.Электротехника и электроника: учебник для студ. образовав учреждений сред.

проф. образования / М. В. Немцов, М.Л.Немцова. - 2-е изд., стер.- М. : Издательский центр «Академия», 2009. - 432 с.

14.Электротехника и электроника: учебник для студ.сред, проф.

образования / Н. Ю. Морозова. - 2-е ИЗД., стер. - М.: Издательский

центр «Академия», 2009. - 256 с.

1. Алиев А. Справочник по электротехнике. Ростов н/Д: Феникс, 2004.

2. Березкина Т. Ф., Гусев Н. Г., Масленников В. В. Задачник по общей

электротехнике с основами электроники. М.: Высш. шк., 2001.

3. Данилов И. А. Дидактический материал по общей электротехнике с

Основами электроники / И. А. Данилов, П. М. Иванов. - М.: Мастерство, 2000.

Список литературы

16

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/136043-uchebno-metodicheskoe-posobie-jelektromagnitn