книги / Изобретенческая реальность принципы достижения технических преимуществ в объектах техники с помощью физических явлений, свойств и эффектов

то между ними происходитвзаимодействие,оси их перпендикулярны друг другу и потому действующая сила стремится повернуть их оси параллельно друг к другу (или установить соосно друг другу). Направ- ление магнитного поля и направление электрического поля или тока перпендикулярны друг другу, что инициирует их взаимодействие.

Все реакции целого проводника стоком в магнитном поле магнита принято рассматривать как взаимодействие магнитных силовых ли- ний магнита и тока.

Магнитное поле прямого проводника с током имеет цилиндриче- скую форму по всей его длине, образованную движущимися элемен- тарными бесконечно тонкими витками (дисками) магнитного поля зарядов тока.

Магнитное поле витка проводника стоком имеетформу закрытого тора (тороида).

(Тор «проколотый» — это такой тор, который можно вывернуть наизнанку, его некоторые сечения плоскостью напоминают эллипс)

Магнитное поле соленоида с током имеет форму закрытого вытя- нутого тора.

Магнитное поле подковообразного магнита имеет форму близкую к закрытому тору.

Магнитное поле плоского магнита имеетторообразную вытянутую форму, приблизительно повторяющую форму тела магнита.

Магнитное поле магнитной стрелки имеет тонкую торообразную вытянутую форму.

Если прямолинейный проводник помещён параллельно плоским граням полюсов подковообразного магнита,имеющего части неодно- родного и однородного магнитного поля, то бесконечно тонкие вит- ки (диски) магнитного поля, движущиеся по проводнику вплотную друг к другу,в зависимости от направлениятока либо выталкиваются, либо втягиваются вместе с проводником в подковообразный магнит по правилу «левой руки». Цилиндрическое поле прямого проводника, установленное поперёк оси тора магнитного поля подковообразного магнита, испытывает притяжение или отталкивание.

Если такой проводник с током установлен перпендикулярно пло- ским граням полюсов подковообразного магнита,то бесконечно тон- кие витки магнитного поля проводника оказываются вне действия магнитного поля подковообразного магнита. Цилиндрическое поле прямого проводника, установленное по оси тора магнитного поля подковообразного магнита,также оказывается вне его действия.

Если виток (рамка) проводника или многовитковый соленоид с то- ком помещены витками перпендикулярно к плоским граням полюсов подковообразного магнита,то они поворачиваются и устанавливают- ся им параллельно. Ось тора магнитного поля рамки (или соленоида),

170

установленная поперёк оси тора магнитного поля подковообразного магнита, испытывает поворот и установку осей торов в одну линию (соосно).Рамкастокомводнородноммагнитномполе,установленная параллельно к плоским граням полюсов подковообразного магнита, испытывает только деформации (сжатие или растяжение) без движе- ния относительно магнита. Тор магнитного поля рамки испытывает деформации под действием внешнего тора магнитного поля подко- вообразного магнита, оставаясь неподвижным.

Двасоленоидаразныхдиметровстокамиодногонаправленияпри- тягиваютсядругдругу,как постоянные магниты,до вхождения малого подиаметрусоленоидавбольшийподиаметрусоленоид.Привключе- нии разнонаправленных токов малый соленоид выходит из большего

ив неоднородном поле большего соленоида поворачивается до тех пор,пока их полюса не станут разноимёнными и они притянутся друг

кдругудовхождениямалогосоленоидавбольшийсоленоид.Торымаг- нитных полей большого и малого соленоидов взаимодействуют по их осям как постоянные магниты до достижения нейтральных зон.

Гибкий и тонкий провод, установленный вдоль протяжённого

итонкого круглого магнита, при прохождении по нему тока обвива- ет его полюсные области. Цилиндрическое магнитное поле гибкого прямого проводника притягивается и поворачивается в полюсных об- ластях вытянутого тора магнитного поля тонкого протяжённого кру- глого магнита.

Два параллельных проводника с то- ком притягиваютсядругкдругу (рисунок справа), когда токи в них одного направ- ления.Бесконечнотонкие витки магнит- ного поля проводников обращены друг

кдругу разноимёнными частями и по-

тому притягиваются. Цилиндрические магнитные поля проводников в точке касания имеют противоположные на- правления, что инициирует их притя- жение (сцепление) как у разноимённых магнитных полюсов.

При токах противоположного на- правления проводники отталкиваются (рисунок справа ниже). Бесконечно тон- кие витки магнитного поля проводников

отталкиваются потому, что обращены друг к другу одноимёнными частями. Цилиндрические магнитные поля проводников в точке ка- санияимеютодинаковыенаправления,чтоинициируетихотталкива- ние (отдаление) как у одноимённых магнитных полюсов.

171

Это явление обнаружено А. М. Ампером (1820 г.) для постоянного тока и стало законом его имени: параллельные проводники с элек- трическимитоками,текущими в одном направлении,притягиваются, а в противоположных направлениях — отталкиваются.

Для пары проводников с токами сила притяжения (или отталкива- ния) пропорциональна произведению токов, длине взаимодействую- щих отрезков и обратно пропорциональна расстоянию между ними (F = k . I1 . I2 . L/r). По этой силе определена единица силы тока в про- водниках, получившее название ампер (а). Законом Ампера является так же то, что сила, с которой магнитное поле действует на отрезок проводника с током, линейно зависит от тока, напряжённости маг- нитного поля и длины отрезка проводника, где напряжённость маг-

нитного поля одна и та же (F = k . H . I . L . sin φ).

Сила Ампера является частным случаем и макроскопическим про- явлением сил Лоренца в условиях трения (или вязкости) между дви- жущимися заряженными и незаряженными частицами в веществе проводника.

Законом Ампера пользуются для достижениятехнических преиму- ществ при обеспечении принципа действия в электромеханических узлах и машинах.

Например, на законе Ампера основано движение витков обмотки ротора относительно витков обмотки статора в электродвигателях электроприводов, а также функционирование дверей лифта, воз- буждение мембраны в динамике, мобильность любых транспортных средств на электротяге (трамваев, электрокаров, электропоездов), об- работка материалов на магнитно-импульсном прессе.

Электромагнитная индукция это явление обратное явлениям взаимодействия магнитного поля магнита и проводника с током, и заключается в том, что исходно при их взаимодействии в прово- днике нетэлектричества,и его относительноедвижение не возникает, но осуществляется извне.

Механизм явления электромагнитной индукции или наведения электрического тока в проводниках отличен от электрической индук- ции в Электростатике.

Если в Электростатике достаточно поместить незаряженное тело в электрическое поле заряженного тела, чтобы тот приобрёл заряд электричества, то помещение проводника без тока в магнитное поле не приводит к появлению у него заряда электричества.

Английский физик Майкл Фарадей провёл серию экспериментов с семью равнозначными схемами парных соединений, состоящих из постоянного магнита и проводника безтока (соленоида или катуш- ки),из проводника стоком (соленоида или катушки) и проводника без электричества (соленоида или катушки).И обнаружил,что электриче-

172

ский ток кратковременно образуется (наводится или индуцируется) в про- воднике без тока всегда, когда есть движение одного из пары элементов данного соединения относительно другого, например, проводника без тока относительно магнита или маг- нита относительно проводника без тока (рисунок справа).

Оказалось, можно не двигать эле- менты парных соединений, а изме-

нять магнитное поле соленоида (катушки),например,при включении

иотключении тока, чтобы в неподвижном относительно него другом соленоиде (рамке) появился электрический ток.

Важным условием появления индуцированного электрического тока является пространственное положение проводникового элемен- та относительно магнитных силовых линий магнита.

Токпоявляетсятольковслучае,когдапроводниковыйэлементвсей плоскостью перпендикулярен магнитным силовым линиям магнита

ипри своём движении пересекает их. При параллельном расположе- нии плоскости проводникового элемента относительно магнитных силовых линий электрический ток в нём не наводиться при любом перемещении его параллельно самому себе и силовым линиям маг- нитного поля.

Таким образом, изменение напряжённости магнитного поля по- зволяет наводить электрический ток в проводниковый элемент, по- мещённый перпендикулярно магнитным силовым линиям. Этого результата можно достигнуть, и изменяя площадь контура проводни- кового элемента.

Проводниковый элемент при своём движении перемещает и все имеющиеся у него свободные носители зарядов, которые приобрета- ют, в результате этого, собственные элементарные витки (диски) маг- нитного поля.

Магнитные силовые линии магнита подобно очень густой щётки захватывают это облако элементарных витков магнитного поля за- рядов, и отодвигает его в один из концов проводникового элемента, создавая там избыток электрических зарядов, одновременно на дру- гом конце образуя недостаток электрических зарядов, в частности электронов.

Возникающая, таким образом, разность электрических потенциа- лов фиксируется гальванометром.Такое перемещение электрических зарядов подобно «электронному ветру». Раздвижение зарядов под действием сил Лоренца называется электродвижущей силой индук-

173

ции. У электролитов при механическом движении в магнитном поле положительные и отрицательные ионы под действием сил Лоренца сосредотачиваются на противоположных концах такого проводнико- вого элемента.

При движении диэлектрика в магнитном поле раздвижение заря- дов под действием сил Лоренца приводит к поляризации диэлектрика.

Механическое движение проводникового элемента в магнитном поле создаёт ток элементарных зарядов в виде смещения подвижных свободных электрических зарядов в противоположные концы про- водникового элемента. Образованная разность потенциалов элек- трического поля способна двинуть заряды во внешней цепи. Чтобы постоянно поддерживать потенциал электрического поля, необходи- мо непрерывно смещать подвижные свободные заряды (электроны).

Простота придания механического движения подвижным сво- бодным электронам с помощью движения проводникового элемента предпочтительней, чем механическое движение громоздкого источ- ника магнитного поля относительно неподвижного проводникового элемента, содержащего подвижные свободные электроны.

Такой механизм обращения механической энергии в потенци- ал электрической энергии, образующейся между областями избытка и недостатка зарядов, положен в основу устройств генератора элек- трического тока.

Количественной величиной функционирования явления электро- магнитной индукции является значение рабочих токов во внешней цепи.

Качественнойвеличинойпроцессаобращениямеханическойэнер- гиивэлектрическуюэнергиюявляетсявеличинасилыэлектромагнит- ного раздвижения свободных зарядов (э. д. с. индукции) или значение разности потенциалов электрического поля.

Во всех рассмотренных Фарадеем способах получения электромаг- нитной индукции образование электрического тока в проводниковых элементах осуществлялось путём изменения магнитного потока,про- ходящего через контур проводникового элемента.

В Электротехнике этотважнейший закон Природы —закон электро- магнитной индукции, открытый Фарадеем (1831 г.), сформулирован следующим образом: всякое изменение магнитного потока, проходя- щего через контур проводникового элемента, приводит к возникнове- ниюэлектрическоготокавэтомконтуре.Еслимагнитныйпоток,прохо- дящий через контур проводникового элемента, остаётся неизменным, тоток индукции в контуре проводникового элемента не возникает.

Поток магнитной индукции, проходящий через контур проводни- кового элемента, можно представлять как густоту (число) магнитных силовых линий, проходящих через площадь контура проводникового

174

элемента. Магнитный поток Ф = HT . S = H . S . sin φ, где HT — напряжён- ность магнитного поля перпендикулярная к плоскости контура про- водникового элемента, S — площадь ограниченная контуром прово- дникового элемента, φ — угол между направлением магнитного поля и плоскостью контура проводникового элемента.

Все три параметра по отдельности и вместе пригодны для измене- ния магнитного потока индукции (Ф),проходящего через контур про- водникового элемента, и достижения, таким образом, технических преимуществ в объектах техники.

Направление индуцированного тока в соответствии с законом со- храненияэнергиинаправленотакимобразом,чтовозникающееунего магнитное поле противодействуетизменениям внешнего магнитного поля, вызывающего индукцию. Это правило (или закон) сформулиро- ван Э. Х. Ленцем (1833 г.).

Магнитное поле индуцированного тока направлено всегда против изменений магнитного потока: при усилении магнитного поля оно его ослабляет, а при ослаблении магнитного потока — усиливает. На- правления индуцированного тока и тока в индукторе при усилении магнитногопотокаимеютпротивоположныенаправления,априосла- блении — одинаковые. При возрастании магнитного потока у внеш- него магнитного поля и магнитного поля индуцированного тока воз- никают одноимённые полюса, а при ослаблении — разноимённые.

В изобретении а. с. 469059 на «Способ демпфирования механи- ческих колебаний» демпфирование перемещений металлическо- го неферромагнитного подвижного элемента осуществляется путём размещения его между полюса- ми магнита (рисунок справа).

Демпфер содержит: 1 — консольную балку; 2 — колеблющую массу; 3 — подвижный элемент; 4 — шкалу; 5 — сосуд (немагнитный) с магнитной жидкостью; 6 — электромагнит; 7 —

источник постоянного тока (регули-

руемый).

Уменьшение времени демп- фирования достигается тем, что в зазор между полюсами магни- та и подвижным элементом по-

мещена ферромагнитная жидкость, при этом напряжённость магнит- ного поля изменяютпутём изменениятока в обмотке электромагнита пропорционально амплитуде колебаний подвижного элемента.

175

Техническое преимущество достигнуто тем, что в магнитной жид- кости, помещённой в магнитное поле, за счёт электромагнитной ин- дукциипоходудвиженияподвижногоэлементавязкостьповышается, а при удалении подвижного элемента — понижается. При этом маг- нитное поле индуцированного тока в подвижном элементе по ходу движения подвижного элемента вычитается из основного, а при его удалении — складывается.

Индуцированные токи подчиняются закону Ома.

Помещённый во вращающееся магнитное поле проводниковый элемент в соответствии с правилом Ленца и третьим законом Нью- тона приходит во вращение в ту же сторону, что и вращающееся маг- нитное поле.

На этом свойстве действуют устройства электрических двигателей. Электродвижущая сила электромагнитной индукции сосредоточена

в контуре проводникового элемента,где меняется магнитный поток. Для многовиткового соленоида (катушки) э. д. с. одного витка

умножается на количество таких витков. Электродвижущая сила ин- дукции пропорциональна скорости изменения магнитного потока, проходящего через контур проводникового элемента (U = k .  Ф/Δt). В многовитковом контуре проводникового элемента э. д. с. индукции пропорциональна скорости изменения магнитного потока, проходя- щего через каждый виток, умноженной на число витков.

В многовитковых проводниковых элементах (соленоидах, катуш- ках, электромагнитах) наблюдается явление самоиндукции.

Всякое изменение собственного магнитного потока в многовит- ковом проводниковом элементе приводит к возникновению в его контуре одновременно и индуцированной э. д. с., и индуцированного электрического тока, направление которого противодействует всяко- муизменениювеличинытока,вызывающегоиндукцию.Явлениепро- является в замедлении процессов поступления и исчезновения тока в многовитковом проводниковом элементе.

При усилении питающего тока э. д. с. самоиндукции направлена против его усиления, замедляя его нарастание. При ослаблении пита- ющего тока (при выключении) индуцированный ток продолжает течь

втом же направлении и исчезает не сразу, поддерживаемый э. д. с. са- моиндукции. Э. д. с. самоиндукции имеет сходство с силой инерции

вмеханике и является мерой электрической инерции. Индуктированная в многовитковом элементе э. д. с. пропорцио-

нальна скорости изменения магнитного потока, проходящего через его витки (Eсам = –  Ф/Δt = – L . Δi/Δt). Коэффициент пропорционально- сти L называется индуктивностью многовиткового проводникового элементаиликоэффициентомсамоиндукцииконтура.Индуктивность (измеряется в генри) — является электрической инерцией многовит-

176

кового проводникового элемента,которая зависит от площади его се- чения, количества витков и от наличия у него ферромагнитного сер- дечника.

Одновитковый контур и протяжённый прямой проводник облада- ют очень малой индуктивностью, которую обычно не учитывают.

На создание магнитного поля, как и на создание электрического поля, затрачивается энергия источника тока, она затем возвращает- ся обратно при исчезновении магнитного поля. Многовитковые про- водниковые элементы запасают энергию магнитного поля, которая при их отключении от источника тока возвращается в виде теплоты (искры) или преобразованной в механическую энергию, например, устройством электроизмерительного прибора.

Индуцированные токи в сплошных и массивных проводниковых элементах названы токами Фуко или вихревыми токами (по характе- ру их возникновения). Свободные электроны под действием измене- ний внешнего магнитного потока закручиваются в объёмные вихри по траекториям с минимальным электрическим сопротивлением. В сплошных и массивных проводниковых элементах в направлении перпендикулярном к направлению индуцированного тока вихревые токи вследствие малого сопротивления достигают значительных ве- личин. Направление вращения вихрей электронов меняется со ско- ростью изменения внешнего магнитного потока, что приводит к зна- чительному нагреву материала проводникового элемента. На этом явлении основан индукционный нагрев проводящих материалов — метод бесконтактного нагрева проводящих материалов большимито- ками высокой частоты.

Индукционный нагрев применяется при термообработке по- верхностей металлических изделий. В индуктор (вовнутрь одного или нескольких витков медного проводника) помещают заготовку до поверхности, подлежащей термообработке, и разогревают её вих- ревыми токами. Индуктор во время работы сильно нагревается, поэ- тому его делают полым из медныхтрубок,охлаждаемых водой.Чтобы обеспечить безопасность в случае прожога или разрушения индукто- ра, вода поступает в индуктор при отсасывании.

Индукционный нагрев используется в кухонных электрических плитах (индукционных плитах), в индукционных (бесконтактных) плавильных печах.

В сердечниках, в статорах и роторах электрических индукционных машинах вихревые токи особенно вредны. Они уменьшаются посред- ством увеличения электрического сопротивления. Для этого сердечни- ки,статоры и роторы изготавливают не из сплошных ферромагнитных материалов,апутёмнабораихобъёмнойформыизтонкихизолирован- ных друг от друга элементов, что значительно снижает их нагревание.

177

Индукционные генераторы и двигатели, трансформаторы

С помощью электростатических машин, химических (гальваниче- ских элементов, аккумуляторов) и термоэлектрических генераторов получить электрический ток в промышленных объёмах невозмож- но. Сложны и затратны процессы необходимые для получения дли- тельного электрического тока с требуемыми параметрами. Произво-

дительными и надёжными стали индукционные генераторы тока,

то есть машины, в которых э. д. с. и ток возникает в проводниковом элементе благодаря процессу электромагнитной индукции, открыто- го М. Фарадеем. В индукционных генераторах механическая энергия от любого источника может непрерывно преобразовываться в элек- трическую энергию.

Первую демонстрационную модель индукционного электрогене- ратора сконструировал сам Фарадей.

Генератор (рисунок слева) со- стоял из подвижного проводни- кового элемента в виде медного диска, размещённого между по- люсами N и S подковообразного постоянногомагнитазакреплён- ного неподвижно на платформе. Вращение медному диску пере- давалось через ось с помощью рукоятки.При вращении медно- го диска в нём образовывалась

разность потенциалов, которая снималась с помощью скользящих контактов (пружин) размещенных на периферии диска и у его оси вращения.

Снимаемая с медного диска разность потенциалов, как и разность потенциалов с обычной гальванической батареи, замыкалась в цепь,

вкоторую включался гальванометр.

Спомощью этого прибора можно было наблюдать непрерывное (пока вращается рукоятка диска) прохождение электрического тока по цепи. Конструкция электрогенератора Фарадея показывала сам принцип и саму возможность непрерывного генерирования электри- ческого тока, что невозможно было получить в электростатических, химических и термоэлектрических генераторах.

Простейшая модель современных индукционных генераторов со- стоит из подковообразного магнита, между полюсами N и S которого вращается рамка проводникового элемента. Возникающие в рамке проводникового элемента э. д. с. и ток непрерывно меняются по ве-

178

личине и направлению, то есть являются переменными, что техно- логически и технически выгодней и проще для выработки, передачи и преобразования электроэнергии, если нет необходимости превра- щать переменный ток в постоянный (прямой) ток.

Изначально стремились получать постоянныйток,так как преиму- щества переменноготока были неизвестны,поэтому в индукционные электрогенераторы вводились специальные приспособления назы- ваемые коллекторами, превращающие переменное напряжение в по- стоянное.

В современных индукционных электрогенераторах используется вращающееся магнитное поле,предназначенноедля выработки пере- менного синусоидальноготрёхфазноготока.Техническим преимуще- ствомтрёхфазной системы переменноготока являетсято,что с помо- щью неё вращающееся магнитное поле создаётся без механического вращения магнитов, а это удобно для питания трёхфазных электро- двигателей.

Трёхпроводная система переменного тока предложена М. О. До­ ливо–Добровольским (1862–1919 гг.), в которой три электрические цепи (фазы) имеют синусоидальные токи одной амплитуды и часто- ты, сдвинутые по фазе друг относительно друга на 1200.

Частями индукционного электрогенератора являются индуктор (то есть, магнит или электромагнит) и якорь (обмотка, где возникает индуцированная э. д. с.), а так же контактные кольца со скользящими щёткамидляснятияилиподводаэлектрическоготокаквращающейся части генератора. Вращающуюся часть электрогенератора называют ротором,а неподвижную —статором.Части могутвыполнятьвзаимно противоположные функции.

Наиболее распространённой конструкцией, которая обязательна для мощных индукционных генераторов, является устройство, где в качестве индуктора используется ротор, а в качестве якоря — ста- тор, так как со статора проще снимать большие токи без применения скользящих щёток и контактных колец (рисунок ниже).

179