Учебно-методический блок «Электромагнетизм

Электротехника
Электромагнетизм
Нормативный блок
Для специальностей и единичных квалификаций, связанных с производством, передачей и
потребленим электроэнергии; обслуживанием, монтажом и ремонтом соответствующих
устройств (сильноточная техника), связанных с производством электронной техники,
полупроводниковых приборов, вычислительной техники, радиотехнических устройств
(слаботочная техника) и единичных квалификаций, по которым необходимо знать общие
основы электротехники.
Рабочая учебная программа по теме «Электромагнетизм»
Количество часов по предмету: 80
Количество часов по теме 5 (условно).
СОДЕРЖАНИЕ УРОКА
1. Теоретическая часть.
Новый материал можно начать с краткого очерка о развитии учения о магнитных
явлениях.
Нужно отметить, что магнитные явления были известны еще с древних времен. Связь
между электрическими и магнитными явлениями была открыта в 1820 г. Эрстедом
(демонстрация опыта Эрстеда или его анализ). Открытие X. К. Эрстеда вызвало большой
интерес к изучению электромагнетизма. Особого внимания заслуживают открытия
Ампера, так, к примеру, в конце 1820 г. он открыл закон взаимодействия проводников с
током (демонстрация опыта и его анализ, или качественное объяснение).
Нужно остановиться и рассмотреть вопросы магнитного поля тока, назначения и
применимости правила буравчика и правила левой руки, а также - основные
характеристики магнитного поля тока. Следует остановиться на видах магнетиков.
Рассмотреть поведение проводника с током в магнитном поле, получение формулы силы
взаимодействия первого проводника с током на второй проводник с током.
Новый материал нужно связать с областями применения электромагнетизма (например,
громкоговоритель, микрофон, скрутка проводников)
2. Практическая часть.
2.1. Фронтальный опрос по теме.
2.2. Решение задач (по группам).
2.3. Закрепление изученного - отрывоки из видеофильмов «Электромагнетизм»,
«Магнитное действие тока».
3. Подведение итогов.
3.1. Выставление отметок за устные ответы и решение задач.
3.2. Анализ достижения целей урока.
4. Домашнее задание.
4.1. По книге и по конспекту закрепить знания по изученной теме.
4.2. Подготовить рассказ о новых областях применения электромагнетизма.
Урок № 1
Магниты и их свойства. Магнитное поле тока. Основные характеристики магнитного
поля. Проводник с током в магнитном поле.
Основные понятия
Еще в глубокой древности было известно, что некоторые виды руд определенным образом
воздействуют на железные предметы. Куски такой руды были названы магнитами, а
пространство, где обнаруживается силовое воздействие магнита, получило название
магнитного поля.
Магнетизм - это особое проявление движения электрических зарядов внутри атомов и
молекул, которое проявляется в том, что некоторые тела способны притягивать к себе и
удерживать частицы железа, никеля и других металлов.
Рассмотрим свойства магнита, имеющего форму стержня (рис. 1). Экспериментальным
путем было установлено, что каждый стержневой магнит имеет два полюса,
расположенные на концах стержня. В этих местах магнитные силы наиболее сильные.
При исследовании магнитного поля оказалось, что магнитные силы действуют по
определенным замкнутым линиям, которые получили название магнитных силовых
линий. Северный и южный полюсы магнита неотделимы один от другого.
Магнитное поле тока
Магнитное поле существует вокруг каждого проводника, по которому течет ток.
Для того, чтобы обнаружить магнитное поле проводника с током, можно проделать такой
опыт. Сквозь лист картона (рис. 2) пропущен проводник, по нему течет ток. На этот лист
тонким равномерным слоем насыпаны железные опилки. Если слегка постучать по листу,
опилки расположатся концентрическими окружностями вокруг проводника, по
направлению магнитных силовых линий. В существовании магнитного поля можно
убедиться также при помощи магнитной стрелки. Если поместить ее возле проводника и
пропустить по нему ток, то стрелка повернется и расположится строго определенным
образом - вдоль магнитных силовых линий (рис 3).
При изучении устройства и работы различных приборов и машин, в которых
используются магнитные поля, созданные током, важно знать направление магнитных
силовых линий.
Для этого воспользуемся правилом буравчика (рис. 4):
если поступательное движение буравчика совпадает с направлением тока в проводнике,
то вращение рукоятки укажет направление силовых линий магнитного поля.
Магнитное поле вокруг проводника с током изображается в виде концентрических
окружностей так, как показано на рис. 5.
На рис. 5 ток течет от нас, что указано значком х. Пользуясь правилом буравчика, легко
установить, что магнитные силовые линии в данном случае направлены по часовой
стрелке, а точкой показано, что ток по проводнику течет к нам, поэтому силовые линии
направлены против часовой стрелки.
Если же проводник свернут в спираль, то магнитные поля отдельных витков
складываются и создают общее магнитное поле согласно рис. 6.
Расположение силовых линий магнитного поля вокруг катушки такое же, как и вокруг
постоянного магнита: силовые линии поля замыкаются между северным и южным
полюсами.
Для того, чтобы определить, где находятся северный и южный полюсы, созданные током
в катушке, можно воспользоваться тем же правилом
сновные характеристики магнитного поля тока
Если по проводнику или катушке течет ток, то он создает магнитное поле. В таких
случаях говорят, что ток обладает намагничивающей силой (называемой также
магнитодвижущей силой). Пусть катушка состоит из W витков и по ней течет ток I. Тогда
величину намагничивающей силы можно вычислить по формуле
F = IW
Намагничивающая сила, так же как и сила тока, измеряется в амперах. Из формулы
намагничивающей силы следует, что для возбуждения определенного магнитного поля
можно взять катушку с малым числом витков, но с большой силой тока, или же катушку с
большим числом витков, но с меньшей силой тока.
С намагничивающей силой тесно связано понятие напряженности магнитного поля.
Напряженность магнитного поля - это намагничивающая сила, приходящаяся на единицу
длины магнитной силовой линии. Обозначив длину данной магнитной линии буквой l,
легко подсчитать напряженность магнитного поля:
H = IW/l
Напряженность магнитного поля - величина векторная, так как она характеризует не
только численное значение намагничивающей силы, но и направление ее действия.
Следует также помнить, что длина силовых линий, из которых состоит магнитное поле,
различна, поэтому каждая точка поля характеризуется определенной величиной
напряженности: по мере удаления от проводника с током длина силовых линий
возрастает, а напряженность магнитного поля уменьшается.
Если физические условия вдоль всей длины магнитной линии одинаковы, то определить
напряженность поля просто. Так, вокруг прямолинейного проводника линии магнитного
поля представляют собой окружности переменного радиуса x, длина каждой из которых
l=2px,
где x – радиус окружности с центром на оси проводника, проведенный через
рассматриваемую точку поля.
Условия во всех точках выбранной окружности одинаковы, напряженность поля
H=l/(2px).
Если магнитное поле создано не одним, a W проводниками с током I, то
магнитодвижущая сила равна
S I = F = IЧW = HЧl = HЧ2px
Следовательно, магнитодвижущая сила вдоль контура равна полному току,
пронизывающему поверхность, ограниченную этим контуром. Полученное соотношение
называется законом полного тока.
Если простейший контур произвольной длины l=2px пронизывается n и m проводниками с
токами, направленными противоположно, то закон полного тока примет следующий вид:
F= n I1 – m I2 = HЧl = HЧ2px
Другой характеристикой магнитного поля является магнитная индукция. Если в
магнитном поле представить некоторую площадку S, перпендикулярную магнитным
силовым линиям, то силовые линии магнитного поля будут ее пронизывать так, как
показано на рис. 7. Количество магнитных силовых линий, приходящихся на единицу
площадки, называется магнитной индукцией. Этот параметр магнитного поля
обозначается буквой В и измеряется в теслах (Тл).
Подобно напряженности магнитного ноля магнитная индукция - векторная величина.
Отношение магнитной индукции к напряженности магнитного поля называется
абсолютной магнитной проницаемостью:
мa=B/H
Если напряженность магнитного поля и магнитная индукция - характеристики собственно
магнитного поля, то абсолютная магнитная проницаемость характеризует свойства среды,
в которой поле действует.
Величина мa представляет собой произведение
мa = м0 м
В этой формуле мa - это магнитная постоянная, определяющая абсолютную магнитную
проницаемость вакуума.
Установлено, что м0 = 4р/107 Гн/м.
Что касается м, то эта величина называется относительной магнитной проницаемостью и
указывает, во сколько раз магнитная индукция в данной среде больше или меньше, чем в
вакууме. Величина м. для различных материалов приводится в таблицах.
В зависимости от величины м все материалы делятся на три группы.
Для диамагнетиков м меньше единицы. Они относятся к группе веществ ослабляющих
внешнее поле. Например, для меди м=0,999995. Кроме меди в эту группу входят также
серебро, углерод, цинк, ртуть, свинец, вода и др.
Парамагнетики - вещества, усиливающие внешнее поле, имеют магнитную проницаемость
несколько больше единицы. К парамагнетикам относятся воздух, вольфрам, платина,
марганец. Например, для воздуха м=1,000003.
Ферромагнетики вызывают очень большое усиление внешнего поля, характеризуются
магнитной проницаемостью порядка нескольких тысяч единиц. К ним относятся железо,
никель, кобальт и многие специальные сплавы. Понятно, что только эти материалы и
можно использовать для получения значительных магнитных индукций. Величина
магнитной проницаемости ферромагнитных материалов не постоянна и зависит от
напряженности поля Н.
Если необходимо определить абсолютную магнитную проницаемость ма какого-либо
материала, то сначала находят по таблице его относительную магнитную проницаемость
м, а потом умножают ее на магнитную постоянную.
Следует помнить, что абсолютная магнитная проницаемость ферромагнитных материалов
не является постоянной величиной и зависит от напряженности магнитного поля.
Существует еще одна характеристика магнитного поля, называемая магнитным потоком.
Если воспользоваться рис. 7, то можно сказать, что магнитный поток - это общее число
магнитных силовых линий, пронизывающих данную площадку S, перпендикулярную
направлению магнитных линий. Для того, чтобы получить выражение магнитного потока,
достаточно помнить, что магнитная индукция - это число магнитных силовых линий,
приходящихся на единицу площади. Понятно, что, если умножить индукцию B на
площадь S, то получим величину магнитного потока: Ф=BS.
Единица измерения магнитного потока - вебер (Вб).
Магнитный поток, пронизывающий контур, может изменяться как вследствие изменения
магнитной индукции поля B, так и вследствие изменения площади контура S или угла a,
определяющего ориентацию контура по отношению к вектору В. Возможно и
одновременное изменение всех указанных величин. С учетом угла a: Ф=BScosa.
Проводник с током в магнитном поле
Если два или несколько проводников, по которым проходят электрические токи,
расположить параллельно, то эти проводники в зависимости от направлений токов в них
будут взаимно притягиваться или отталкиваться. Такое взаимодействие между
проводниками происходит в результате возникновения магнитного поля вокруг каждого
из проводников.
Поместим в поле постоянного магнита проводник, по которому течет ток. Между
полюсами магнита существует постоянное магнитное поле, силовые линии его выходят из
северного полюса и входят в южный. Вокруг проводника с током также существует
магнитное поле, направление которого определяется правилом буравчика. Взаимное
расположение этих полей показано на рис. 8а.
Легко заметить, что интенсивность магнитного поля по обе стороны проводника
неодинакова. Если справа от проводника направления силовых линий поля магнита и поля
проводника совпадают, то слева эти поля направлены навстречу друг другу. В результате
наложения двух полей в пространстве между полюсами образуется результирующее
магнитное поле, расположение силовых линий которого показано на рис. 8б.
Отсюда видно, что на проводник будет действовать механическая сила, стремящаяся
вытолкнуть проводник из магнитного поля. Эту силу называют электромагнитной и
обозначают буквой F.
На величину электромагнитной силы влияют магнитная индукция поля, создаваемого
постоянным магнитом, сила тока в проводнике и активная длина проводника, т. е. та часть
проводника, которая находится между полюсами. В соответствии с этим
электромагнитную силу можно вычислить по формуле:
F = BIl,
где F - электромагнитная сила, B - индукция магнитного поля постоянного магнита, Тл; I
- сила тока в проводнике, А; l - активная длина проводника, м.
Преобразуем формулу электромагнитной силы следующим образом:
B=F/Il
Если проводник с током находится в магнитном поле под каким либо углом б по
отношению к магнитным линиям, то сила равна: F=BIlsina
Ранее мы определяли магнитную индукцию как число магнитных силовых линий,
приходящихся на единицу площадки, расположенной перпендикулярно этим линиям.
Теперь же можно дать и другое определение этой величины. Исходя из последней
формулы, можно сказать, что В - это силовая характеристика магнитного поля,
показывающая, с какой силой оно способно действовать на проводник с током.
Электромагнитная сила является направленной величиной, поэтому для полной
характеристики необходимо знать не только ее величину, но и направление. Направление
этой силы легко узнать по правилу левой руки: левую руку следует расположить так,
чтобы силовые линии поля магнита входили в ладонь, и четыре вытянутые пальца были
направлены вдоль проводника по направлению тока, тогда отогнутый большой палец
укажет направление электромагнитной силы (рис. 9).
Взаимодействие проводника с током и магнитного поля чрезвычайно широко
используется в технике. Все электродвигатели постоянного тока работают именно на
принципе взаимодействия магнитного поля и проводника с током. Этот же принцип
используется в некоторых системах электроизмерительных приборов, в
электродинамических громкоговорителях и т. д. Громкоговорители предназначены для
преобразования колебаний электрического тока в звуковые колебания той же частоты.
Наиболее широкое применение в настоящее время получили электродинамические
громкоговорители с постоянным магнитом (рис. 10). Такой громкоговоритель состоит из
постоянного магнита 1, имеющего кольцевой зазор 2, в котором магнитная индукция поля
достигает большой величины.
В зазоре расположена катушка 3, выполненная из изолированного провода (звуковая
катушка). Ее каркас соединен с бумажным конусом - диффузором 4. Звуковая катушка
может свободно перемещаться в кольцевом зазоре, не касаясь его стенок. К катушке
подведён переменный ток звуковой частоты. При взаимодействии тока с магнитным
полем постоянного магнита возникает сила, которая заставляет катушку, а, следовательно,
и диффузор колебаться в такт с изменением тока. Громкость звука зависит от силы тока в
катушке, так как с увеличением тока возрастает и амплитуда колебаний диффузора.
Взаимодействие проводников с токами
Мы уже знаем, что в результате взаимодействия магнитного поля с проводником, по
которому течет ток, возникает механическое усилие, действующее на проводник, которое
проявляется и тогда, когда два проводника с током расположены параллельно друг другу
(рис. 11а). Рассмотрим, как рассчитывается сила взаимодействия проводников,
расположенных на некотором расстоянии d. Ток I текущий в проводнике 1, создает
напряженность магнитного поля: H = I1W/2рd.
Учитывая, что в случае прямолинейного проводника число витков W=1, а длина силовой
линии поля на расстоянии d равна 2рd, напряженность магнитного поля можно
представить формулой: H = W/2рd.
Если теперь воспользоваться выражением:
мa=B/H,
то легко определить магнитную индукцию поля проводника 1 в том месте, где
расположен проводник 2:
B=мaI= мa I1 /2рd
Если известны магнитная индукция поля проводника 1, сила тока в проводнике 2 и длина,
на которой эти проводники взаимодействуют, то по формуле электромеханической силы
можно подсчитать усилие, с которым магнитное поле первого проводника действует на
второй проводник
F =BI2 l= (мa I1 I2 / 2рd)l
В сетях низкого напряжения и сравнительно небольшой мощности токи, как правило,
невелики и даже в режиме короткого замыкания не превышают нескольких сотен ампер,
поэтому сила взаимодействия между проводниками незначительна.
Не всегда можно пренебрегать силой взаимодействия между токоведущими частями. В
цепях высокого напряжения, передающих большую электрическую мощность, режим
короткого замыкания сопровождается силами взаимодействия очень большой величины,
поэтому при выборе электрического оборудования мощных электроустановок высокого
напряжения учитывают не только его электротехнические характеристики. Выбранные
провода, шины, изоляторы и т. д. проверяют еще и на механическую прочность в режиме
короткого замыкания.
Направление сил взаимодействия между проводниками зависит от направления тока в
них. Если токи в проводниках, расположенных параллельно, текут в одну сторону, то
магнитные силовые линии полей обоих проводников, стремясь сократиться, сближают
проводники (рис.11б).
В случае разного направления токов сгущение силовых линий в пространстве между
проводниками приводит к их отталкиванию (рис. 11в).
РАЗДАТОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ