Преобразование электрической энергии в механическую и обратно

Процесс преобразования электрической энергии в механическую

Электроэнергия – это физический термин, который распространен в быту и технике и применяется для определения количества электрической энергии, получаемой конечным потребителем из сети или выдаваемой генератором в электрическую сеть.

Механическая энергия – это физическая скалярная величина, которая является мерой всех форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода материи из одной формы в другую.

Чтобы подробно рассмотреть процесс преобразования электрической энергии в механическую рассмотрим рисунок, который представлен ниже.



Рис. 1. Процесс преобразования электрической энергии в механическую. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Электрический ток, который протекает по проводнику взаимодействует с магнитным полем магнита, вследствие чего возникает электромагнитная сила - Fэм. Направление данной силой определяется по правилу левой руки. Благодаря ее действию проводник перемещается с некоторой скоростью v и таким образом электроэнергия тока источника питания преобразуется в механическую энергию движения проводника под действием силы Fэм. В данном случае уже электромагнитная сила является движущей. Противодействие оказывается механической энергией, например, силой трения. При движении проводником пересекаются магнитные линии и согласно явлению электромагнитной индукции в нем наводится электродвижущая сила Е. Ее направление определяется по правилу правой руки, в рассматриваемом случае оно противоположной силе тока I. Электродвижущая сила, которая направлена навстречу электрическому току называется встречной или противоэлектродвижущей силе. Встречное направление электродвижущей силы является признаком того, что электрическая энергия потребляется потребителем. Допустим, что сопротивление проводника принято за R0, тогда электрическое напряжение на его концах при встречной электродвижущей силе может быть рассчитано следующим образом:

U = E + I*

Электрические машины, предназначение которых заключается в преобразовании электрической энергии в механическую называются двигателями.

---

На законах электромагнитной индукции и электромагнитных сил основано действие электрических машин - генераторов, преоб­разующих механическую энер­гию в электрическую, и дви­гателей, преобразующих элек­трическую энергию в механи­ческую.

Обратимся к рис. 2. В магнитном поле между полю­сами N и S помещен прямо­линейный проводник. Если при помощи внешней механической силы F передвигать этот проводник перпендику­лярно магнитным линиям поля, то в нем будет индуктироваться э. д. с.   . Если концы проводника замкнуты на внешнее со­противление, то по цепи потечет ток I, совпадающий по на­правлению с э. д. с. Е.



Рис. 2. Преобразование механической энергии в электрическую

Напишем уравнение 2-го закона Кирхгофа для этой цепи:

 (а)

где V - напряжение на зажимах, В;

r - сопротивление проводника, Oм;

I·r - падение напряжения в проводнике, В.

Умножая почленно выражение (а) на I, получим



Так как , то



Учитывая, что   и   имеем

 (б)

где Р_МЕХ = Е·I - механическая мощность, преобразуемая в элек­трическую;

Р_ЭЛ = U·I - электрическая мощность, отдаваемая во внеш­нюю цепь;

ΔР = I²r - потери мощности (в виде тепла) в сопротивле­нии проводника.

Рассмотрим теперь процесс преобразования электрической энер­гии в механическую.

Пусть прямолинейный проводник АВ 3, по которому проходит ток 

---

I от источника напряжения, помещен во внешнее магнитное поле, образованное магнитом N - S. Если проводник неподвижен, то энергия ис­точника напряжения расхо­дуется исключительно на на­грев проводника:  Дж

Затрачиваемая мощность будет равна  Вт

откуда определяем ток в цепи:  (а)

Однако известно, что про­водник с током, помещенный в магнитное поле, будет испытывать действие силы F со стороны поля, стремя­щейся перемещать проводник в магнитном поле в направле­нии, определяемом правилом левой руки. При своем движении проводник будет пересекать магнитные линии поля и в нем, по закону электромагнитной индукции, возникнет индуктированная э. д. с. Направление этой э. д. с, определенное по правилу правой руки, будет обратным току I. Назовем ее обратной э. д. с. Е_ОБР. Величина Е_ОБР согласно закону электромагнитной индукции будет равна





Рис. 3. Преобразование электрической энергии в механическую

По второму закону Кирхгофа, для замкнутой цепи имеем (а) или  (б) откуда ток в цепи  (в)

Сравнивая выражения (а) и (в), видим, что в проводнике, дви­жущемся в магнитном поле при одних и тех же значениях U и r, ток будет меньше, чем в неподвижном проводнике.

Умножая почленно выражение (б) на I, получим

---

Так как , то



Учитывая, что   и имеем



или



Последнее выражение показывает, что при движении провод­ника с током в магнитном поле мощность источника напряжения преобразуется в механическую мощность и частично в тепловую. Аналогичный процесс преобразования электрической энергии в ме­ханическую происходит в электрических двигателях.

Рассмотренные выше примеры показывают, что электрическая машина обратима, т. е. может работать как генератор и как дви­гатель.

Правило Ленца

В 1834 г. русский академик Э. X. Ленц, известный своими много­численными исследованиями в области электромагнитных явлений, дал универсальное правило для определения направления индукти­рованной э. д. с. в проводнике. Это правило, известное как пра­вило Ленца, может быть сформулировано так:

направление индуктированной э. д. с. всегда таково, что вызван­ный ею ток и его магнитное поле имеют такое направление, что стремятся препятствовать причине, порождающей эту индуктиро­ванную э. д. с.

С учетом этого правила можно закон электромагнитной индук­ции выразить более общей формулой, позволяющей определить не только величину, но и направление индуктированной э. д. с:

Выражение   представляет собой среднюю скорость изменения магнитного потока по времени. Чем меньше промежуток вре­мени Δt, тем меньше вышеуказанная э. д. с. отличается от ее дей­ствительного значения в данный момент времени.

Знак минус, стоящий перед выражением , определяет на­правление индуктированной э. д. с, т. е. учитывает правило Ленца.

При увеличении магнитного потока выражение будет положительным

---

, а э. д. с. - отрицательной. В этом и заключается правило Ленца: э. д. с. и созданный ею ток противодействуют при­чине, которая их вызвала.

При равномерном изменении во времени магнитного потока выражение будет постоянно. Тогда абсолютное значение э. д. с. в проводнике будет равно

Если катушка состоит из w витков, соединенных между собой последовательно, то индуктированная э.д.с. в ней равняется сумме э.д.с, индуктированных в отдельных витках:

Произведение числа витков катушки на сцепленный с ними магнитный поток называется потокосцеплением ка­тушки и обозначается буквой ψ. По­этому закон электромагнитной индукции можно записать и в другой форме:

---

Смотрите также файлы

• План Введение Общие сведения Эксплуатационные свойства. Заключение Введение.docx

• Темы рефератов по дисциплине Русский язык и деловые коммуникации.docx

• В сороковые годы xx столетия отечественный психолог С. Л. Рубинштейн подчеркнул основные особенности невербального поведения человека. Познакомимся с ними подробнее.docx

• Ценностносмысловая позиция учителя.docx

• Самостоятельная работа к теме Планирование и организация методического сопровождения педагогов.docx