Файл: Преобразование электрической энергии в механическую и обратно Процесс преобразования электрической энергии в механическую.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 04.02.2024
Просмотров: 112
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Преобразование электрической энергии в механическую и обратноПроцесс преобразования электрической энергии в механическуюЭлектроэнергия – 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 работЭлектрический 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 электрическуюНапишем 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, получимТак как , тоУчитывая, что и имеем (б)где РМЕХ = Е·I - механическая мощность, преобразуемая в электрическую;РЭЛ = 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: ДжЗатрачиваемая мощность будет равна Втоткуда 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. ЕОБР. Величина ЕОБР согласно закону электромагнитной индукции будет равнаРис. 3. Преобразование электрической энергии в механическуюПо 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 , тоУчитывая, что и имеемилиПоследнее 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 ЛенцаВ 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
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 электрическуюНапишем 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, получимТак как , тоУчитывая, что и имеем (б)где РМЕХ = Е·I - механическая мощность, преобразуемая в электрическую;РЭЛ = 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: ДжЗатрачиваемая мощность будет равна Втоткуда 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. ЕОБР. Величина ЕОБР согласно закону электромагнитной индукции будет равнаРис. 3. Преобразование электрической энергии в механическуюПо 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 , тоУчитывая, что и имеемилиПоследнее 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 ЛенцаВ 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: