Предыдущий разделБиблиотекаОглавлениеСледующий раздел

18.2. Магнетизм и электромагнетизм

В природе встречается железная руда (магнитный железняк), обладающая свойством притягивать к себе железные, стальные и чугунные предметы; куски этой руды - естественные магниты.

Искусственные магниты можно получить, намагничивая стальной стержень естественным магнитом или электрическим током.

Свободно подвешенный на нитке магнитный стержень одним из концов постоянно поворачивается к северу, а другим (противоположным) - к югу. Конец магнита, обращенный к северу, называется его северным полюсом (С), а обращенный к югу - южным полюсом (Ю).

Если приблизить к северному полюсу свободно подвешенного магнита в одном случае северный, а в другом случае южный полюс другого сильного магнита, то можно заметить, что одноименные полюсы отталкиваются, а разноименные притягиваются.

Если на лист бумаги, положенный на магнит, насыпать мелкие железные опилки, то они расположатся под действием сил магнита своеобразными замкнутыми линиями, идущими от северного полюса к южному (рис. 102). Условно эти линии называются магнитными силовыми линиями. Совокупность всех силовых линий в данной магнитной цепи (магнитной цепью называется полный путь, по которому происходит замыкание магнитного потока) называется. магнитным потоком; пространство, в пределах которого проявляется действие силовых линий, называется магнитным полем.

Расположение железных опилок в магнитном поле
Рис. 102 - Расположение железных опилок в магнитном поле

Магнитный поток может при некоторых условиях возбуждать в проводнике ЭДС, которая в замкнутой цепи создает электрический ток. ЭДС наводится (индуктируется) в проводнике всякий раз, когда магнитные силовые линии пересекают проводник или, наоборот, когда проводник пересекает магнитные силовые линии. Это явление называется электромагнитной индукцией.

Величина возбуждаемой при электромагнитной индукции ЭДС зависит:

а) от длины проводника или количества витков обмотки, которые пересекаются магнитными силовыми линиями;

б) от скорости пересечения;

в) от величины магнитного потока.

Явление электромагнитной индукции можно иллюстрировать следующим опытом.

Возьмем спираль или катушку (рис. 103), состоящую из некоторого количества витков изолированной проволоки, и концы ее соединим с гальваноскопом (прибором с магнитной стрелкой для обнаружения тока и определения его направления). Если в катушку быстро ввести магнит, то в этот момент стрелка гальваноскопа отклонится, указывая на появление в катушке электрического тока. Когда магнит остановится, в катушке тока не будет. Если магнит быстро удалить из катушки, то стрелка гальваноскопа снова отклонится, но уже в другую сторону, указывая этим на появление в катушке электрического тока противоположного направления.

Схема наведения (индуктирования) электрического тока
Рис. 103 - Схема наведения (индуктирования) электрического тока

Тот же результат будет наблюдаться при неподвижном магните и перемещающейся катушке.

На явлении электромагнитной индукции основаны устройство и действие генераторов электрического тока, применяемых на автомобилях.

Простейший генератор электрического тока устроен и работает следующим образом. Сильный цилиндрический магнит 3 (рис. 104) создает между башмаками 1 и 5 магнитное поле. В этом поле с постоянной скоростью вращается якорь 2 с металлической рамкой (витком) 4.

Схема простейшего генератора переменного тока
Рис. 104 - Схема простейшего генератора переменного тока:
1 и 5 - полюсные башмаки; 2 - якорь; 3 - цилиндрический магнит (корпус генератора); 4 - рамка (виток); 6 - лампа накаливания; 7 и 10 - щетки; 8 и 9 - кольца.

Вращаясь, рамка пересекает обеими сторонами магнитные силовые линии, вследствие чего в рамке наводится электродвижущая сила. Эта ЭДС создает ток, так как концы рамки при помощи изолированных одно от другого колец 9 и 8 и скользящих щеток 10 и 7 соединены с внешней цепью - лампой накаливания 6.

Наибольшей величины ЭДС достигает при горизонтальном положении рамки, так как в этом случае обе стороны рамки движутся перпендикулярно магнитному потоку и пересекают наибольшее число силовых линий. Когда рамка переходит из горизонтального положения в вертикальное, ЭДС постепенно падает ввиду уменьшения количества пересекаемых силовых линий; при вертикальном положении рамки ЭДС будет равна нулю, так как обе стороны рамки движутся параллельно силовым линиям, не пересекая их.

Следовательно, за каждый полуоборот рамки ток, возникающий в ней, достигает наибольшей величины, причем направление его меняется. Во время первого полуоборота (0-180°) ток в рамке течет от щетки 7 к щетке 10, а при втором полуобороте (180- 360°), наоборот, - от щетки 10 к щетке 7.

Изменение направления тока вызывается изменением направления, в котором каждая сторона рамки пересекает силовые линии. При первом полуобороте зачерненная сторона рамки (рис. 105, а) вращается против направления силовых линий, белая же - по направлению их; во втором полуобороте (рис. 105, б) направление вращения зачерненной стороны совпадает с направлением силовых линий, направление же вращения белой стороны будет противоположно направлению силовых линий.

Схема пересечения сторонами рамки магнитных силовых линий
Рис. 105 - Схема пересечения сторонами рамки магнитных силовых линий:
а - первый полуоборот рамки; б - второй полуоборот рамки.

Ток, направление которого периодически изменяется, называется переменным током. Генераторы переменного тока на автомобилях не применяются, так как переменный ток не пригоден для зарядки аккумуляторной батареи.

Для преобразования переменного тока в постоянный, т.е. идущий во внешней цепи все время в одном направлении, концы рамки 1 (рис. 106) присоединяют к коллектору, состоящему из двух полуколец (пластин) 4 и 3, изолированных одно от другого. К коллектору прижаты скользящие щетки 5 и 2. Из схемы видно, что ток во внешней цепи идет постоянно в одном направлении, указанном стрелками. Действительно, в момент изменения направления тока в рамке сменяются и полукольца, подходящие к каждой щетке; поэтому щетка 5 остается всегда положительной, а щетка 2 - отрицательной.

Схема простейшего генератора постоянного тока
Рис. 106 - Схема простейшего генератора постоянного тока:
1 - рамка (виток); 2 - отрицательная щетка; 3 и 4 - полукольца (пластины) коллектора; 5 - положительная щетка.

Ток, снимаемый щетками с коллектора, остается постоянным по направлению, но не по величине. Как было установлено выше, при каждом полуобороте рамки ток будет один раз достигать наибольшего значения и один раз падать до нуля. Ток, постоянный по направлению, но переменный по величине, называется пульсирующим током.

Ранее была отмечена возможность перехода электрической энергии в химическую и, наоборот, - химической в электрическую. Такая же зависимость существует между магнитными и электрическими явлениями.

Так, на рис. 103 показан пример наведения тока магнитными силовыми линиями.

В свою очередь электрический ток вызывает магнитные явления: вокруг всякого проводника, по которому проходит электрический ток, возникает магнитное силовое поле. Магнитные силовые линии этого поля образуют концентрические окружности, центры которых совпадают с центром сечения проводника, что доказывается наглядно соответствующим расположением железных опилок (рис. 107).

Схема расположения опилок в магнитном поле проводника под током
Рис. 107 - Схема расположения опилок в магнитном поле проводника под током

Чтобы усилить величину магнитного потока, применяют катушку, имеющую спиральную обмотку из изолированной проволоки и сердечник из мягкой стали. Такая катушка называется электромагнитом. Электромагниты используются в звуковых сигналах, многих электрических машинах и контрольно-измерительных приборах.

Электрические машины постоянного тока обладают свойством обратимости, впервые доказанным русским ученым Ленцем Э.X.; если в металлическую рамку (см. рис. 106) генератора пустить ток от какого-нибудь постороннего источника постоянного тока, то рамка будет вращаться и генератор превратится в электрический двигатель.

Действие электрического двигателя, построенного русским академиком Якоби Б.С. в 1839 году, основано на следующем явлении: если проводник, по которому течет электрический ток, ввести в магнитное поле, то проводник придет в движение, направление которого перпендикулярно направлению силовых линий.

Причину этого явления можно понять, рассматривая рис. 108. Пусть по проводнику, находящемуся в магнитном поле, силовые линии которого условно обозначены прямыми стрелками, идет ток в направлении за плоскость схемы (т.е. от читателя книги). При прохождении тока вокруг проводника возникает собственное магнитное поле, силовые линии которого обозначены концентрическими окружностями (рис. 108, а).

Схема расположения силовых линий проводника с током в магнитном поле
Рис. 108 - Схема расположения силовых линий проводника с током в магнитном поле:
а - взаимодействие двух полей; б - результирующее поле.

При взаимодействии двух магнитных полей, образующихся в одном и том же пространстве, возникает общее результирующее поле, расположение силовых линий которого показано на рис. 108, б. Как видно из приведенной схемы, в верхней части (над проводником) произойдет усиление магнитного поля, а в нижней части (под проводником) - ослабление поля; это объясняется тем, что в верхней части направления силовых линий обоих полей совпадают, а в нижней оказываются противоположными.

Магнитные силовые линии, стремясь сократиться по длине и оттолкнуться одна от другой в поперечном направлении, будут выталкивать проводник из поля в направлении, обозначенном стрелкой; если изменить направление тока в проводнике, то изменится направление и силы, заставляющей двигаться проводник, он будет двигаться не вниз, а вверх. Вращение рамки 2 (рис. 109) и вызывается взаимодействием полей, создаваемых магнитом 1 и током аккумуляторной батареи 6, проходящим по рамке. Если, например, левая сторона рамки, по которой ток идет в направлении от левого полукольца 4 коллектора, будет стремиться двигаться вниз, то правая сторона, по которой ток возвращается в правое полукольцо коллектора, будет, наоборот, стремиться двигаться вверх; рамка начнет вращаться под действием пары сил, приложенных к ее сторонам (см. раздел 3 "Понятие о мощности, крутящем моменте и экономичности двигателя" главы I).

Схема простейшего электродвигателя
Рис. 109 - Схема простейшего электродвигателя:
1 - цилиндрический магнит (корпус электродвигателя); 2 - рамка (виток); 3 - отрицательная щетка; 4 - полукольца (пластины) коллектора; 5 - положительная щетка; 6 - аккумуляторная батарея.

Непрерывное вращательное движение рамки 2 возможно только в том случае, если в части рамки, находящейся в данный момент около северного полюса, ток проходит постоянно в одном каком-нибудь направлении, а в части рамки, находящейся около южного полюса, - в противоположном направлении. Автоматическое переключение направления тока в частях вращающейся рамки производится коллектором со щетками 3 и 5.

Если по какому-либо проводнику пропустить ток, изменяющийся по величине (или по направлению), то в другом проводнике, расположенном рядом с первым, будет возбуждаться электродвижущая сила. Это явление называется взаимной индукцией.

Явление взаимной индукции будет, например, наблюдаться, если взять катушку с двумя обмотками и по одной из обмоток (первичной) то пропускать ток от какого-либо источника, то прерывать. В момент замыкания и размыкания тока в другой (вторичной) обмотке будет наводиться электродвижущая сила.

На явлений взаимной индукции основаны устройство и действие катушки зажигания с механическим прерывателем, преобразующей ток низкого напряжения генератора или аккумуляторной батареи в ток высокого напряжения для зажигания рабочей смеси.

Схема получения тока высокого напряжения приведена на рис. 110. На сердечник 5 катушки, изготовленный из мягкой стали, намотана по спирали первичная (толстая) обмотка 2 с малым числом витков (200-250). Через контакты 7 и 8 прерывателя первичная обмотка может периодически соединяться с каким-либо источником постоянного тока, например, аккумуляторной батареей 1. Поверх первичной обмотки намотана вторичная (тонкая) обмотка 4 с очень большим числом витков (16000-20000) Концы вторичной обмотки соединены с искровым разрядником 3, заменяющим в данном случае запальную свечу.

Схема получения тока высокого напряжения
Рис. 110 - Схема получения тока высокого напряжения:
1 - аккумуляторная батарея; 2 - первичная обмотка; 3 - разрядник; 4 - вторичная обмотка; 5 - сердечник; 6 - обкладка конденсатора; 7 - неподвижный контакт прерывателя; 8 - подвижный контакт прерывателя; 9 - кулачок прерывателя; 10 - диэлектрик; 11 - обкладка конденсатора.

При вращении кулачка 9 контакты прерывателя то размыкаются выступами кулачка, то замыкаются.

Когда контакты 7 и 8 замыкаются, по цепи первичной обмотки 2 проходит ток от аккумуляторной батареи 1, возрастающий за короткий промежуток времени от нуля до определенной величины. При этом вокруг первичной обмотки возникает магнитный поток, пересекающий витки вторичной обмотки 4, вследствие чего в ней наводится ЭДС (рис. 111, а).

Схема пересечения магнитными силовыми линиями первичного и вторичного проводников (первичной и вторичной обмоток)
Рис. 111 - Схема пересечения магнитными силовыми линиями первичного и вторичного проводников (первичной и вторичной обмоток):
а - при увеличении тока; б - при исчезновении тока.

В момент размыкания контактов ток батареи в первичной обмотке быстро уменьшается; магнитный поток вокруг этой обмотки исчезает, пересекая витки вторичной обмотки уже в обратном направлении (рис. 111, б); во вторичной обмотке снова появится ЭДС другого направления.

Таким образом, ЭДС во вторичной обмотке наводится только при изменении магнитного потока вокруг первичной обмотки (в рассматриваемом случае только при замыкании и размыкании цепи первичной обмотки). Возбуждающаяся при этом ЭДС создает мгновенный ток высокого напряжения, достаточный для пробоя искрового промежутка разрядника (см. рис. 110). Величина ЭДС во вторичной обмотке тем выше, чем быстрее исчезает магнитное поле вокруг первичной обмотки и чем большее количество витков имеет вторичная обмотка по сравнению с первичной обмоткой. Наибольшей величины ЭДС достигает при размыкании контактов прерывателя. Это объясняется тем, что ток и магнитный поток вокруг первичной обмотки исчезают быстрее, чем возникают. Поэтому для зажигания рабочей смеси в цилиндрах двигателей используется только ток, появляющийся во вторичной обмотке при размыкании контактов прерывателя.

При замыкании и размыкании цепи первичной обмотки ЭДС возникает не только во вторичной обмотке, но и в первичной. Это явление носит название самоиндукции. Дело в том, что при увеличении силы тока в первичной обмотке в центре проводника этой обмотки возникают магнитные силовые линии, расширяющиеся в виде концентрических окружностей; поэтому некоторые из них пересекут витки первичной обмотки, возбуждая в ней ЭДС обратного направления (относительно направления основного тока). При размыкании цепи и уменьшении силы тока магнитные силовые линии стягиваются к центру проводника, причем часть их опять пересекает витки первичной обмотки, но уже в другом направлении, возбуждая в ней ЭДС того же направления, что и ЭДС основного тока. ЭДС самоиндукции, складываясь с ЭДС батареи, препятствует при размыкании контактов прерывателя быстрому исчезновению магнитного потока вокруг первичной обмотки и тем самым снижает напряжение во вторичной обмотке. Кроме того, повышая напряжение в первичной обмотке с 6-7,5 в (при батарее из трех аккумуляторов) до 150-250 в, ЭДС самоиндукции вызывает появление тока самоиндукции; этот ток влечет сильное искрение между контактами прерывателя и их быстрое обгорание.

Чтобы повысить напряжение во вторичной обмотке и предохранить контакты прерывателя от быстрого обгорания, применяется конденсатор. Конденсатор в простейшем виде состоит из двух листов (обкладок 6 и 11; см. рис. 110) оловянной или алюминиевой фольги, между которыми проложен диэлектрик (изолятор) 10 - парафинированная бумага или слюда. Одна из обкладок соединена с неподвижным контактом 7, а другая - с подвижным контактом 8 (параллельное включение).

Действие конденсатора основано на его свойстве накапливать электрические заряды на обкладках.

В момент размыкания контактов прерывателя ЭДС самоиндукции создает ток, заряжающий конденсатор, вследствие чего уменьшается искрение между контактами прерывателя.

После заряда конденсатор разряжается через первичную обмотку, способствуя быстрому исчезновению магнитного потока вокруг первичной обмотки и повышению напряжения во вторичной обмотке.


Предыдущий разделБиблиотекаОглавлениеСледующий раздел

© 2010-2017 Algid.net. Все права защищены. Разработка: Дмитрий Ковалев.