Emf di autoinduzione nel circuito. Qual è l'EMF di autoinduzione

L'invenzione riguarda l'elettrotecnica, in particolare la progettazione di generatori di corrente ad induzione, e può essere utilizzata in impianti elettromagnetici e macchine elettriche, quali motori, generatori, trasformatori, in particolare come trasformatore elevatore. Il risultato tecnico consiste nell'aumentare la fem in uscita utilizzando tensioni pulsate sull'avvolgimento secondario e implementando un design dell'avvolgimento secondario che consentirebbe la rimozione diretta della tensione pulsata risultante dal generatore, e allo stesso tempo la potenza totale del primario e avvolgimenti secondari. 6 p.p. f-ly, 2 ill.

Disegni al brevetto RF 2524387

L'invenzione riguarda l'ingegneria elettrica, in particolare la progettazione di generatori di corrente ad induzione pulsata.

Lo scopo della presente invenzione è l'uso di un generatore EMF ad autoinduzione pulsata per fornire alimentazione pulsata a varie installazioni elettromagnetiche e macchine elettriche, il che rende possibile ampliare notevolmente l'arsenale di sorgenti di energia pulsata. La tecnica nota nota "Generatore sincrono a induzione", domanda RU 9811934 7, publ. 09/10/2000, IPC H02K 21/14, utilizzando le correnti dell'avvolgimento statorico, sulla cui armatura pulsano le correnti, e l'induttore (rotore), realizzato protetto da campo magnetico correnti di avvolgimento dell'indotto dello statore. Consente di espandere le modalità di funzionamento del generatore. Tuttavia, il generatore contiene parti rotanti e, pertanto, presenta tutti gli svantaggi di tali generatori, ad es. i problemi legati alla commutazione dell'energia elettrica non sono risolti. Nel progetto proposto, è impossibile ottenere l'alta tensione richiesta.

Noto "Generatore di energia elettrica", domanda RU 9402533 5, publ. 06/10/1996, IPC H02K 19/16, contenente avvolgimenti ad anello compositi con un nucleo, una bobina di induzione e un avvolgimento di eccitazione. Consente di aumentare le prestazioni del generatore di energia elettrica, ridurre la resistenza induttiva dell'avvolgimento statorico, ridurre il costo di lavoro meccanico durante la conversione di energia meccanica in energia elettrica e aumentare l'efficienza. Tuttavia, il generatore, per le caratteristiche del design, non consente l'uso di campi elettromagnetici ad autoinduzione. Il generatore contiene parti rotanti e, quindi, presenta tutti gli svantaggi di tali generatori, ad es. i problemi legati alla commutazione dell'energia elettrica non sono risolti.

Conosciuto modello di utilità"Avvolgimento elettromagnetico combinato", brevetto RU 96443, publ. 27/07/2010, IPC H01F 5/00, in cui sono presenti due o più conduttori con conduttori, e i conduttori sono separati da un dielettrico. Consente di espandere le modalità di funzionamento. Tuttavia, entrambi i conduttori sono utilizzati come avvolgimento primario, non esiste un avvolgimento secondario ad alta tensione, che non consente l'utilizzo dell'avvolgimento nei trasformatori ad alta tensione e inoltre non garantisce la rimozione e l'uso dell'EMF a induzione dall'avvolgimento secondario.

L'applicazione più vicina all'invenzione è "Metodo induttivo-statico per la generazione di energia elettrica e dispositivo per la sua attuazione", RU 2004124018, publ. 27/01/2006, IPC H01F 1/00, secondo il quale ci sono avvolgimenti primari e secondari che formano un induttore con il passaggio dell'energia magnetica libera a uno stato induttivamente dipendente, e l'EMF di induzione è indotto e la densità del flusso magnetico si ottiene, proporzionale all'aumento energia elettrica. Consente l'utilizzo di un avvolgimento secondario con un'induttanza inferiore alla quantità di compattazione del flusso magnetico, che ottiene una compattazione proporzionale e un aumento della potenza elettrica del generatore. Il metodo utilizza metodi di generazione a induzione e, allo stesso tempo, statici. Tuttavia, non è stato proposto il progetto dell'avvolgimento secondario del generatore, che consente la rimozione diretta dal generatore della tensione pulsata risultante e della corrente EMF di autoinduzione.

Inoltre, la soluzione più vicina è la classica schema elettrico per esperimenti dimostrativi induzione elettromagnetica quando il circuito è aperto. Questo circuito (dispositivo) è funzionalmente un generatore di impulsi EMF ad autoinduzione. In relazione a quanto sopra, come prototipo, accettiamo l'installazione mostrata nel disegno - Fig. 424 p. 231, libro di testo: Corso di Fisica, parte seconda, ed. "Nauka", Mosca 1970 Autori: L.S. Zhdanov, VA Maranjan.

Tuttavia, nello schema classico, il nucleo di acciaio elettrico strutturalmente non è in grado di svolgere contemporaneamente due funzioni nel dispositivo: un avvolgimento elettricamente conduttivo e un classico, come in Fig. 424 prototipo, circuito magnetico, ovvero il nucleo (M) di una bobina di induzione. Il prototipo non consente la rimozione diretta e l'uso dell'EMF di autoinduzione che si verifica nel nucleo di una bobina di induzione classica.

Scopo della proposta invenzione è l'utilizzo di tensioni impulsive e la realizzazione del progetto dell'avvolgimento secondario del generatore, che consenta la rimozione diretta dal generatore della tensione impulsiva risultante.

Il risultato tecnico fornito dalla soluzione tecnica proposta è un significativo ampliamento dell'arsenale di mezzi per la generazione pulsata e la conversione dell'elettricità. Ha sostenuto risultato tecnico fornito dal fatto che il generatore di impulsi EMF ad autoinduzione è strutturalmente progettato sotto forma di avvolgimenti primari e secondari di un trasformatore step-up monofase in uno standard prestazione tecnica(tenendo conto del fatto che l'avvolgimento secondario è sia funzionalmente un conduttore elettrico che un circuito magnetico, si propone di considerare il progetto presentato come la bobina di induzione più semplice con un nucleo progettato sotto forma di una bobina a spirale con la possibilità di rimuovere autoinduzione EMF da esso) e sono dotati di due o più conduttori, separati da un dielettrico e ogni conduttore ha terminali. Il generatore si differenzia per il fatto che l'avvolgimento primario (conduttore) di bassa tensione è costituito da nastro a spirale e ha almeno 2 giri avvolti strettamente o con un piccolo spazio, giro per giro, il nastro di avvolgimento è realizzato con una larghezza da 120 a 200 mm e uno spessore da 1 a 2 mm; l'avvolgimento secondario (conduttore) di alta tensione è anch'esso in nastro a spirale, il nastro di avvolgimento è in acciaio elettrico rivestito di isolamento elettrico e presenta almeno 100 spire avvolte strettamente o con un piccolo spazio, giro per giro, il nastro è realizzato con una larghezza da 120 a 200 mm e uno spessore non superiore a 0,1 mm. L'avvolgimento primario è collegato elettricamente alla batteria di accumulo a bassa tensione tramite un interruttore per formare un circuito elettrico chiuso, dove l'avvolgimento secondario è sia un avvolgimento elettricamente conduttivo che un circuito magnetico. In questo caso, le spire dell'avvolgimento primario si trovano all'esterno delle spire dell'avvolgimento secondario in modo tale che entrambi gli avvolgimenti formino un trasformatore elevatore, in cui l'avvolgimento secondario è una bobina di induzione di un trasformatore ad alta tensione, fornendo conducibilità dovuta al nastro di acciaio elettrico isolato con uno strato esterno di isolante e, allo stesso tempo, svolge la funzione di nucleo per l'avvolgimento primario, l'EMF viene rimosso per mezzo di conduttori collegati elettricamente alle estremità del nastro dell'avvolgimento secondario, e si ottiene a causa del funzionamento periodico della chiave dell'interruttore e, a causa della frequenza di funzionamento della chiave dell'interruttore, la tensione e la corrente dell'impulso calcolate che si verificano nell'avvolgimento secondario sono fornite dalla formula

dove - dove L è l'induttanza del circuito o il coefficiente di proporzionalità tra la velocità di variazione dell'intensità di corrente nel circuito e l'EMF risultante di autoinduzione,

- la velocità di variazione dell'intensità della corrente nel circuito elettrico

In casi particolari l'avvolgimento primario può essere costituito da un conduttore in rame o alluminio, può avere 3 spire o più, il numero di spire è limitato dal rapporto del trasformatore: il rapporto tra il numero di spire del secondario e il numero di giri dell'avvolgimento primario, che determina il rapporto di trasformazione, cioè quanta tensione nell'avvolgimento secondario è maggiore che nel primario. Per esempio, batteria di accumulatori la bassa tensione può essere valutata a 12-24 volt ed è una sorgente corrente continua. In particolare, l'azionamento periodico della chiave dell'interruttore viene effettuato con una frequenza industriale di corrente alternata di 50 Hz. In questo caso, le frequenze possono essere tecnicamente possibili per l'implementazione, ma 50 Hz è meglio, poiché è più facile convertirlo o consumarlo utilizzando i convertitori standard o gli apparecchi elettrici disponibili. L'EMF calcolato di autoinduzione nell'avvolgimento secondario è fornito, in particolare, dalla geometria del circuito e proprietà magnetiche nucleo per l'avvolgimento primario. Quindi può essere realizzato con una sagoma di contorno, che viene realizzata in tondo con un diametro di 150 mm o più, che dipende dal rapporto di trasformazione, che determina il diametro dell'avvolgimento secondario, a seconda dello spessore dell'acciaio elettrico utilizzato, oppure una forma rotonda a spirale. Poiché l'avvolgimento secondario è un avvolgimento ad alta tensione ed è realizzato in acciaio elettrico, ciò significa che le sue proprietà magnetiche sono determinate dal materiale stesso (cioè le effettive proprietà magnetiche dell'acciaio elettrico).

L'invenzione nella forma più generale è illustrata nei disegni. specifica design non è limitato alle forme di realizzazione mostrate nei disegni.

La figura 1 mostra la disposizione degli avvolgimenti primari e secondari e una batteria con interruttore a chiave.

La figura 2 mostra sezione A-A lungo gli avvolgimenti secondari e primari collegati.

Questa soluzione tecnica è illustrata da un disegno, che non copre tutte le possibili opzioni di progettazione per lo schema di collegamento presentato.

Il dispositivo del generatore di impulsi EMF di autoinduzione è mostrato nella figura 1 e nella figura 2 (in sezione) e questo dispositivo è strutturalmente realizzato sotto forma di un trasformatore step-up monofase (e anche strutturalmente è l'induzione più semplice bobina), che consiste in un primario (1) avvolgimento di nastro a spirale (conduttore in rame o alluminio), 2-3 spire 1-2 mm di spessore, 120 mm di larghezza, collegato a una batteria a bassa tensione (2) 12-24 V - a sorgente di corrente continua attraverso una chiave dell'interruttore (3), formando un circuito elettrico chiuso .

Avvolgimento secondario a spirale ad alta tensione (4) in acciaio elettrico rivestito con isolamento elettrico, ha un numero di spire di 100 o più, spessore del nastro 0,1 mm, larghezza 120 mm.

L'avvolgimento secondario (4) in acciaio elettrico svolge contemporaneamente due funzioni nella struttura: un avvolgimento elettricamente conduttivo e un circuito magnetico.

In quanto conduttore elettrico, l'avvolgimento secondario (4) è la bobina di induzione ad alta tensione di un trasformatore elevatore.

In quanto circuito magnetico, l'avvolgimento secondario (4) è il nucleo dell'avvolgimento primario (2) di una classica bobina di induzione.

Gli avvolgimenti primari (1) e secondari (4) di un trasformatore elevatore monofase sono dotati di due o più conduttori (5), i conduttori degli avvolgimenti secondari hanno un terminale (6) - cioè L'EMF viene rimossa tramite conduttori (5, 6) collegati elettricamente alle estremità del nastro dell'avvolgimento secondario, ed è ottenuta grazie all'azionamento periodico della chiave dell'interruttore (3). Inoltre, le correnti che sorgono nell'avvolgimento secondario sono calcolate dalla formula

dove L è l'induttanza del circuito o il coefficiente di proporzionalità tra la velocità di variazione dell'intensità di corrente nel circuito dell'avvolgimento primario (1) e la risultante EMF di autoinduzione nell'avvolgimento secondario (2),

- la velocità di variazione dell'intensità di corrente nel circuito elettrico dell'avvolgimento primario (1) a causa della chiave dell'interruttore (3).

L'azionamento periodico dell'interruttore a chiave (3) viene effettuato con una frequenza industriale di corrente alternata di 50 Hz. L'EMF calcolato di autoinduzione nell'avvolgimento secondario (4) è fornito dalla geometria del circuito dell'avvolgimento secondario (4) e dalle proprietà magnetiche del nucleo (4) per l'avvolgimento primario (1).

La forma del circuito ottenuta dagli avvolgimenti primario (1) e secondario (4), nella versione presentata, è realizzata con un diametro tondo di 150 mm o più.

Il dispositivo funziona come segue.

Quando la chiave (3) chiude il circuito elettrico dell'avvolgimento primario (1), si genera un campo magnetico la cui energia viene immagazzinata nel campo magnetico dell'avvolgimento secondario (4).

Aprendo la chiave (3) del circuito del primario (1) si forma una corrente decrescente che, secondo la regola di Lenz, tende a mantenere l'EMF dell'induzione indotta del secondario (4).

Di conseguenza, l'energia immagazzinata nel campo magnetico dell'avvolgimento secondario (4) viene convertita in energia aggiuntiva della corrente di autoinduzione dell'avvolgimento primario (1), che alimenta il circuito elettrico dell'avvolgimento secondario (4).

A seconda della quantità di energia magnetica immagazzinata nel circuito dell'avvolgimento secondario (4), la potenza della corrente di autoinduzione può essere diversa ed è determinata dalla nota formula:

Pertanto, questa invenzione raggiunge il risultato tecnico, che consiste nel fatto che il design, il materiale e la doppia funzionalità dell'avvolgimento secondario del dispositivo consentono di rimuovere e utilizzare efficacemente l'EMF di autoinduzione risultante.

Applicabilità industriale della proposta soluzione tecnica confermato regole generali fisica. Quindi, l'effetto dell'autoinduzione è descritto nel libro di testo (L.S. Zhdanov, V.A. Marandzhyan, corso di fisica per la media istituzioni speciali, parte 2 elettricità, ed. Terza edizione stereotipata e principale della letteratura fisica e matematica, M., 1970, pp. 231.232.233). L'autoinduzione si verifica quando il circuito si apre, è direttamente proporzionale alla velocità di variazione dell'intensità della corrente nel circuito elettrico. A schemi tradizionali il fenomeno dell'autoinduzione è sempre accompagnato dalla comparsa di una scintilla che si verifica nel punto di rottura del circuito. Poiché nel progetto proposto non vi è alcuna interruzione nel circuito elettrico nell'avvolgimento secondario (4) a causa del suo design, a seconda della quantità di energia magnetica immagazzinata in questo circuito, la corrente di interruzione non si accende, ma passa nella potenza generata . Pertanto, nella progettazione dell'avvolgimento secondario (4), quando viene aperto il circuito CC nell'avvolgimento primario (1), l'energia immagazzinata nel campo magnetico di questo circuito viene convertita nell'energia della corrente di autoinduzione nel circuito dell'avvolgimento secondario (4).

Poiché la forza elettromotrice (EMF) è la quantità uguale al lavoro forze esterne, nel nostro caso, questo è il campo magnetico variabile della bobina primaria (1), riferito ad un'unità di carica positiva, questo è l'EMF agente nel circuito o nella sua sezione, nel nostro caso, questo è il secondario avvolgimento (4). Le forze esterne possono essere caratterizzate dal lavoro che svolgono sulle cariche che si muovono lungo la catena e la dimensione dell'EMF coincide con la dimensione del potenziale e viene misurata nelle stesse unità. Pertanto, la quantità vettoriale E è anche chiamata intensità di campo delle forze esterne. Il campo delle forze esterne nel nostro caso è dovuto al campo magnetico alternato nell'avvolgimento primario (1). Pertanto, l'EMF che agisce in un circuito chiuso può essere definito come la circolazione del vettore dell'intensità di campo delle forze esterne, cioè forze esterne che si originano nell'avvolgimento primario (1) a causa dell'interruzione del campo elettrico da parte dell'interruttore a chiave (3). Questa regola garantisce il verificarsi di campi elettromagnetici a induzione nell'avvolgimento secondario (4). Questo fenomeno fisico è descritto nel libro di testo (I.V. Savelyev, Corso di Fisica, volume 2, elettricità, pp. 84,85, ed. Secondo stereotipato, ed. Scienza, edizione principale della letteratura fisica e matematica, M., 1966. ) .

Oltre alle forze esterne, le forze agiscono sulla carica campo elettrostatico, che si verificano direttamente nella bobina secondaria (4).

Il dispositivo utilizza anche il fenomeno dell'induzione elettromagnetica descritto in (R.A. Mustafaev, V.G. Krivtsov, libro di testo, fisica, per aiutare i candidati universitari, ed. M., scuola di Specializzazione, 1989).

Pertanto, il design del generatore utilizzato nella proposta invenzione come dispositivo rende possibile generare, rimuovere e utilizzare efficacemente campi elettromagnetici ad autoinduzione. Pertanto, il dispositivo può essere realizzato modo industriale ed essere introdotto come un promettente ed efficiente generatore di impulsi EMF ad autoinduzione, che consente di espandere l'arsenale mezzi tecnici per la generazione di impulsi e la conversione di energia elettrica.

RECLAMO

1. Generatore emf ad autoinduzione impulsiva, concepito come trasformatore elevatore monofase, costituito da avvolgimenti primari e secondari e dotato di due o più conduttori separati da un dielettrico, e il conduttore ha conduttori, caratterizzato dal fatto che l'avvolgimento primario di bassa tensione è costituito da nastro a spirale e ha almeno due spire avvolte strettamente oa una piccola distanza l'una dall'altra, il nastro di avvolgimento è largo 120-200 mm e spesso 1-2 mm; l'avvolgimento secondario dell'alta tensione è anch'esso realizzato con nastro a spirale, il nastro di avvolgimento è in acciaio elettrico rivestito con isolamento elettrico, ha almeno 100 spire avvolte strettamente oa una piccola distanza l'una dall'altra, il nastro è realizzato in larghezza 120-200 mm e di spessore non superiore a 0, 1 mm, l'avvolgimento primario è collegato elettricamente alla batteria di bassa tensione tramite un interruttore a chiave per formare un circuito elettrico chiuso, e l'avvolgimento secondario è sia un avvolgimento elettricamente conduttivo che un circuito magnetico, mentre l'avvolgimento le spire dell'avvolgimento primario si trovano all'esterno delle spire dell'avvolgimento secondario in modo tale che entrambi gli avvolgimenti formino un trasformatore elevatore, in cui l'avvolgimento secondario è una bobina di induzione di un trasformatore elevatore, fornendo conduttività elettrica dovuta a nastro d'acciaio isolato con uno strato esterno di isolamento, e allo stesso tempo funge da nucleo per l'avvolgimento primario, la fem viene rimossa per mezzo di conduttori , collegati elettricamente alle estremità del nastro di avvolgimento secondario, e sono ottenuti grazie all'azionamento periodico della chiave dell'interruttore.

2. Generatore di impulsi emf autoinduzione secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l'avvolgimento primario è realizzato con conduttore in rame o alluminio.

3. Generatore di impulsi emf autoinduzione secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l'avvolgimento primario è a tre spire.

4. Generatore di impulsi emf autoinduzione secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la batteria a bassa tensione è predisposta per 12-24 volt ed è una sorgente di corrente continua.

5. Generatore di impulsi emf autoinduzione secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l'azionamento periodico dell'interruttore a chiave viene effettuato con una frequenza industriale di corrente alternata 50 Hz.

6. Generatore di impulsi ad autoinduzione secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la fem di autoinduzione calcolata è data dalla geometria del circuito e dalle proprietà magnetiche del nucleo per l'avvolgimento primario.

7. Generatore di impulsi emf autoinduzione secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la forma del circuito è realizzata tonda con diametro uguale o superiore a 150 mm.

autoinduzione

Ogni conduttore attraverso il quale scorre la corrente elettrica si trova nel proprio campo magnetico.

Quando l'intensità della corrente cambia nel conduttore, il campo m cambia, ad es. il flusso magnetico creato da questa corrente cambia. Un cambiamento nel flusso magnetico porta all'emergere di un campo elettrico a vortice e nel circuito appare un EMF a induzione.

Questo fenomeno è chiamato autoinduzione.

Autoinduzione: il fenomeno del verificarsi di campi elettromagnetici di induzione in un circuito elettrico a seguito di una variazione dell'intensità della corrente.
La fem risultante è chiamata fem di autoinduzione.

Manifestazione del fenomeno dell'autoinduzione

Chiusura del circuito

Quando il circuito elettrico è chiuso, la corrente aumenta, il che provoca un aumento del flusso magnetico nella bobina, si forma un campo elettrico a vortice, diretto contro corrente, cioè nella bobina si verifica un EMF di autoinduzione, che impedisce la corrente dall'aumento nel circuito (il campo del vortice rallenta gli elettroni).
Di conseguenza, L1 si accende più tardi di L2.

Circuito aperto

Quando il circuito elettrico viene aperto, la corrente diminuisce, si ha una diminuzione del m.flusso nella bobina, appare un campo elettrico a vortice, diretto come una corrente (tendente a mantenere la stessa intensità di corrente), cioè Nella bobina appare una fem autoinduttiva, che mantiene la corrente nel circuito.
Di conseguenza, L lampeggia intensamente quando è spenta.

In ingegneria elettrica, il fenomeno dell'autoinduzione si manifesta quando il circuito è chiuso ( elettricità aumenta gradualmente) e all'apertura del circuito (la corrente elettrica non scompare immediatamente).

INDUTTANZA

Da cosa dipende l'EMF di autoinduzione?

La corrente elettrica crea il proprio campo magnetico. Il flusso magnetico attraverso il circuito è proporzionale all'induzione del campo magnetico (Ф ~ B), l'induzione è proporzionale alla forza della corrente nel conduttore
(B ~ I), quindi il flusso magnetico è proporzionale all'intensità della corrente (Ф ~ I).
La fem di autoinduzione dipende dalla velocità di variazione della forza di corrente nel circuito elettrico, dalle proprietà del conduttore (dimensione e forma) e dalla relativa permeabilità magnetica del mezzo in cui si trova il conduttore.
Una quantità fisica che mostra la dipendenza dell'EMF di autoinduzione dalle dimensioni e dalla forma del conduttore e dall'ambiente in cui si trova il conduttore è chiamata coefficiente di autoinduzione o induttanza.

Induttanza - quantità fisica, numericamente uguale a EMF autoinduzione che si verifica nel circuito quando la corrente cambia di 1 ampere in 1 secondo.
Inoltre, l'induttanza può essere calcolata con la formula:

dove F è il flusso magnetico attraverso il circuito, I è l'intensità della corrente nel circuito.

Unità SI per induttanza:

L'induttanza di una bobina dipende da:
il numero di spire, la dimensione e la forma della bobina e la relativa permeabilità magnetica del mezzo (un nucleo è possibile).

AUTOINDUZIONE EMF

L'EMF di autoinduzione impedisce l'aumento dell'intensità di corrente all'accensione del circuito e la diminuzione dell'intensità di corrente all'apertura del circuito.

ENERGIA DEL CAMPO MAGNETICO DELLA CORRENTE

Intorno a un conduttore con corrente c'è un campo magnetico che ha energia.
Da dove viene? La sorgente di corrente inclusa nel circuito elettrico ha una riserva di energia.
Al momento della chiusura del circuito elettrico, la sorgente di corrente consuma parte della sua energia per superare l'azione dell'emergente CEM di autoinduzione. Questa parte dell'energia, chiamata autoenergia della corrente, va alla formazione di un campo magnetico.

L'energia del campo magnetico è uguale all'autoenergia della corrente.
L'autoenergia della corrente è numericamente uguale al lavoro che la sorgente di corrente deve fare per superare l'EMF di autoinduzione al fine di creare una corrente nel circuito.

L'energia del campo magnetico creato dalla corrente è direttamente proporzionale al quadrato dell'intensità della corrente.
Dove scompare l'energia del campo magnetico dopo che la corrente si interrompe? - si distingue (quando viene aperto un circuito con una corrente sufficientemente grande, può verificarsi una scintilla o un arco)

DOMANDE PER IL LAVORO DI VERIFICA

sull'argomento "Induzione elettromagnetica"

1. Elenca 6 modi per ottenere una corrente di induzione.
2. Il fenomeno dell'induzione elettromagnetica (definizione).
3. La regola di Lenz.
4. Flusso magnetico (definizione, disegno, formula, grandezze in entrata, loro unità di misura).
5. Legge dell'induzione elettromagnetica (definizione, formula).
6. Proprietà del campo elettrico del vortice.
7. EMF di induzione di un conduttore che si muove in un campo magnetico uniforme (motivo dell'aspetto, disegno, formula, valori di input, loro unità di misura).
8. Autoinduzione (breve manifestazione in ingegneria elettrica, definizione).
9. CEM di autoinduzione (la sua azione e formula).
10. Induttanza (definizione, formule, unità di misura).
11. L'energia del campo magnetico della corrente (la formula da cui appare l'energia del campo m. della corrente, dove scompare quando la corrente si interrompe).

E.d.s. autoinduzione. E.d.s. e L, induzione in un conduttore o bobina come risultato di una variazione del flusso magnetico creato dalla corrente che passa attraverso lo stesso conduttore o bobina, è chiamata e. ds autoinduzione (Fig. 60). Questo e. ds si verifica con qualsiasi variazione di corrente, ad esempio quando si chiudono e si aprono circuiti elettrici, quando cambia il carico dei motori elettrici, ecc. Più velocemente cambia la corrente in un conduttore o in una bobina, maggiore è la velocità di variazione del flusso magnetico che li penetra e la maggiore e. ds in essi viene indotta l'autoinduzione. Ad esempio, e. ds l'autoinduzione e L si verifica nel conduttore AB (vedi Fig. 54) quando cambia la corrente che lo attraversa i 1. Pertanto, un campo magnetico variabile induce e. ds nello stesso conduttore in cui cambia la corrente che crea questo campo.

Direzione e. ds l'autoinduzione è determinata dalla regola di Lenz. E.d.s. l'autoinduzione ha sempre una tale direzione in cui impedisce un cambiamento nella corrente che l'ha causata. Di conseguenza, con l'aumentare della corrente nel conduttore (bobina), l'e. ds l'autoinduzione sarà diretta contro la corrente, cioè ne impedirà l'aumento (Fig. 61, a) e viceversa, quando la corrente diminuisce nel conduttore (bobina), e. ds autoinduzione, coincidente in direzione con la corrente, cioè impedendone la diminuzione (Fig. 61, b). Se la corrente nella bobina non cambia, e. ds l'autoinduzione non si verifica.

Dalla regola di cui sopra per determinare la direzione e. ds autoinduzione ne consegue che questo e. ds ha un effetto frenante sulla variazione di corrente nei circuiti elettrici. A questo proposito, la sua azione è simile all'azione della forza d'inerzia, che impedisce un cambiamento nella posizione del corpo. In un circuito elettrico (Fig. 62, a), costituito da un resistore con resistenza R e una bobina K, la corrente i viene creata dall'azione combinata della tensione sorgente U ed e. ds autoinduzione e L indotta nella bobina. Quando si collega il circuito in esame alla sorgente di e. ds l'autoinduzione e L (vedi freccia piena) inibisce l'aumento della forza di corrente. Pertanto, la corrente i raggiunge un valore costante I \u003d U / R (secondo la legge di Ohm) non istantaneamente, ma per un certo periodo di tempo (Fig. 62, b). Durante questo tempo si verifica un processo transitorio nel circuito elettrico, durante il quale e L e i cambiano. Esattamente

inoltre, allo spegnimento del circuito elettrico, la corrente i non decresce istantaneamente a zero, ma per azione di e. ds e L (vedi freccia tratteggiata) diminuisce gradualmente.

Induttanza. La capacità di vari conduttori (bobine) di indurre e. ds l'autoinduzione è stimata dall'induttanza L. Mostra quale e. ds l'autoinduzione si verifica in un dato conduttore (bobina) quando la corrente cambia di 1 A per 1 s. L'induttanza è misurata in Henry (H), 1 H = 1 Ohm*s. In pratica, l'induttanza viene spesso misurata in millesimi di henry - millihenry (mH) e in milionesimi di henry - microhenry (µH).

L'induttanza di una bobina dipende dal numero di giri della bobina? e la resistenza magnetica R m del suo circuito magnetico, cioè dalla sua permeabilità magnetica? e dimensioni geometriche l e s. Se nella bobina viene inserito un nucleo di acciaio, la sua induttanza aumenta notevolmente a causa dell'amplificazione del campo magnetico della bobina. In questo caso, una corrente di 1 A crea un flusso magnetico molto maggiore rispetto a una bobina senza nucleo.

Utilizzando il concetto di induttanza L, si può ottenere per e. ds autoinduzione la seguente formula:

e L = – L ?i / ?t (53)

Dove? i è la variazione di corrente nel conduttore (bobina) in un periodo di tempo? t.

Quindi, e. ds l'autoinduzione è proporzionale alla velocità di variazione della corrente.

Accensione e spegnimento di circuiti CC con un induttore. Quando è collegato a una sorgente CC con una tensione U di un circuito elettrico contenente R e L, con un interruttore B1 (Fig. 63, a), la corrente i aumenta a un valore costante che ho impostato \u003d U / R non istantaneamente, poiché e. ds l'autoinduzione e L , che nasce nell'induttanza, agisce contro la tensione applicata V e impedisce l'aumento della corrente. Per il processo in esame, è caratteristica una variazione graduale della corrente i (Fig. 63, b) e delle tensioni u a e u L lungo le curve - espositori. Viene chiamata la modifica di i, u a e u L lungo le curve indicate aperiodico.

La velocità di aumento della forza di corrente nel circuito e la variazione delle tensioni u a e u L è caratterizzata da costante di tempo del circuito

T=L/R (54)

Viene misurato in secondi, dipende solo dai parametri R e L di un determinato circuito e consente di stimare la durata del processo di modifica corrente senza tracciare. Questa durata è teoricamente infinita. In pratica si considera solitamente che sia (3-4) T. Durante questo tempo la corrente nel circuito raggiunge il 95-98% del valore stazionario. Pertanto, maggiore è la resistenza e minore è l'induttanza L, più veloce è il processo di modifica della corrente nei circuiti elettrici con induttanza. La costante di tempo T in un processo aperiodico può essere definita come un segmento AB, tagliato da una tangente tracciata dall'origine alla curva in questione (ad esempio la corrente i) sulla retta corrispondente al valore stazionario di tale grandezza.
La proprietà dell'induttanza di rallentare il processo di variazione della corrente viene utilizzata per creare ritardi all'attivazione di vari dispositivi (ad esempio, quando si controlla il funzionamento di sandbox per l'alimentazione periodica di porzioni di sabbia sotto le ruote di una locomotiva). Anche il funzionamento del relè orario elettromagnetico si basa sull'uso di questo fenomeno (vedi § 94).

Sovraccarichi di commutazione. E è particolarmente forte. ds autoinduzione all'apertura di circuiti contenenti bobine con un largo numero spire e con anime in acciaio (ad esempio avvolgimenti di generatori, motori elettrici, trasformatori, ecc.), ovvero circuiti ad alta induttanza. In questo caso, la risultante e. ds l'autoinduzione e L può superare molte volte la tensione U della sorgente e, sommando con essa, provocare sovratensioni nei circuiti elettrici (Fig. 64, a), dette commutazione(che si verifica quando commutazione- commutazione di circuiti elettrici). Sono pericolosi per gli avvolgimenti di motori elettrici, generatori e trasformatori, in quanto possono causare la rottura del loro isolamento.

Grande e. ds l'autoinduzione contribuisce anche al verificarsi di una scintilla elettrica o di un arco nei dispositivi elettrici che commutano i circuiti elettrici. Ad esempio, al momento dell'apertura dei contatti dell'interruttore a coltello (Fig. 64, b), il risultante e. ds l'autoinduzione aumenta notevolmente la differenza di potenziale tra i contatti aperti dell'interruttore e interrompe il traferro. Il risultato arco elettrico supportato da tempo e. ds autoinduzione, che ritarda così il processo di spegnimento della corrente nel circuito. Questo fenomeno è altamente indesiderabile, poiché l'arco fonde i contatti dei dispositivi di sezionamento, il che porta al loro rapido guasto. Pertanto, in tutti i dispositivi utilizzati per aprire i circuiti elettrici, sono previsti speciali dispositivi di estinzione dell'arco per garantire l'accelerazione dell'estinzione dell'arco.

Inoltre, nei circuiti di potenza con induttanza significativa (ad esempio avvolgimenti di eccitazione di generatori), in parallelo Catene R-L(vale a dire, l'avvolgimento corrispondente) includono un resistore di scarica R p (Fig. 65, a). In questo caso, dopo aver spento l'interruttore B1, il circuito R-L non viene interrotto, ma viene chiuso alla resistenza R p. La corrente nel circuito i non diminuisce istantaneamente, ma gradualmente - in modo esponenziale (Fig. 65.6), poiché e. ds l'autoinduzione e L , derivante dall'induttanza L, impedisce alla corrente di diminuire. Anche la tensione up attraverso il resistore di scarica cambia esponenzialmente durante il processo di modifica della corrente. È uguale alla tensione applicata al circuito R-L, cioè ai terminali del corrispondente

avvolgimento di corrente. Al momento iniziale, U p start = UR p / R, cioè dipende dalla resistenza del resistore di scarica; a valori elevati di Rp, tale tensione può essere eccessivamente alta e pericolosa per l'isolamento installazione elettrica. In pratica, per limitare le sovratensioni risultanti, la resistenza R p della resistenza di scarica viene assunta non più di 4-8 volte la resistenza R del corrispondente avvolgimento.

Condizioni per il verificarsi di processi transitori. Vengono chiamati i processi discussi sopra quando si accende e si spegne il circuito R-L processi transitori. Sorgono quando si accende e si spegne la sorgente o singole sezioni del circuito, nonché quando si cambia la modalità operativa, ad esempio, con un cambio improvviso di carico, rotture e cortocircuiti. Gli stessi processi di transizione si verificano quando condizioni specificate e nei circuiti contenenti condensatori con una capacità C. In alcuni casi, i processi transitori sono pericolosi per sorgenti e ricevitori, poiché le correnti e le tensioni risultanti possono essere molte volte superiori a valori nominali per cui questi dispositivi sono progettati. Tuttavia, in alcuni elementi delle apparecchiature elettriche, in particolare nei dispositivi elettronici industriali, i transitori sono modalità operative.

Fisicamente, il verificarsi di processi transitori è spiegato dal fatto che induttori e condensatori sono dispositivi di accumulo di energia e il processo di accumulo e rilascio di energia in questi elementi non può avvenire istantaneamente, quindi la corrente nell'induttore e la tensione attraverso il condensatore non può cambiare all'istante. Il tempo del processo transitorio, durante il quale, all'accensione, allo spegnimento e alla modifica della modalità operativa del circuito, si verifica un graduale cambiamento di corrente e tensione, è determinato dai valori di R, L e C del circuito e possono essere frazioni e unità di secondi. Dopo la fine del transitorio, la corrente e la tensione acquisiscono nuovi valori, che vengono chiamati stabilito.

Induzione elettromagnetica - la generazione di correnti elettriche da campi magnetici che cambiano nel tempo. La scoperta di questo fenomeno da parte di Faraday ed Henry ha introdotto una certa simmetria nel mondo dell'elettromagnetismo. Maxwell in una teoria è riuscito a raccogliere conoscenze sull'elettricità e sul magnetismo. La sua ricerca ha predetto l'esistenza onde elettromagnetiche prima delle osservazioni sperimentali. Hertz ha dimostrato la loro esistenza e ha aperto l'era delle telecomunicazioni all'umanità.

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Gli esperimenti di Faraday

Leggi di Faraday e Lenz

Le correnti elettriche creano effetti magnetici. È possibile che un campo magnetico ne generi uno elettrico? Faraday ha scoperto che gli effetti desiderati sorgono a causa dei cambiamenti nel campo magnetico nel tempo.

Quando un conduttore è attraversato da una variabile flusso magnetico, in esso viene indotta una forza elettromotrice, che provoca una corrente elettrica. Il sistema che genera la corrente può essere un magnete permanente o un elettromagnete.

Il fenomeno dell'induzione elettromagnetica è regolato da due leggi: quella di Faraday e quella di Lenz.

La legge di Lenz permette di caratterizzare la forza elettromotrice rispetto alla sua direzione.

Importante! La direzione della fem indotta è tale che la corrente che provoca tende ad opporsi alla causa che la crea.

Faraday ha notato che l'intensità della corrente indotta aumenta quando il numero cambia più velocemente. linee di forza, attraversando il contorno. In altre parole, l'EMF dell'induzione elettromagnetica dipende direttamente dalla velocità del flusso magnetico in movimento.

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Induzione di campi elettromagnetici

La formula di induzione fem è definita come:

E \u003d - dF / dt.

Il segno "-" mostra come la polarità della fem indotta sia correlata al segno del flusso e alla velocità variabile.

Si ottiene una formulazione generale della legge dell'induzione elettromagnetica, dalla quale si possono ricavare espressioni per casi particolari.

Il movimento di un filo in un campo magnetico

Quando un filo di lunghezza l si muove in un campo magnetico con induzione B, al suo interno verrà indotto un EMF, proporzionale alla sua velocità lineare v. Per calcolare l'EMF, viene utilizzata la formula:

• nel caso di movimento del conduttore perpendicolare alla direzione del campo magnetico:

E \u003d - B x l x v;

• in caso di movimento con angolo diverso α:

E \u003d - B x l x v x sin α.

La fem e la corrente indotte saranno dirette nella direzione che troviamo usando la regola mano destra: Posizionando la mano perpendicolare alle linee del campo magnetico e puntando il pollice nella direzione del movimento del conduttore, è possibile scoprire la direzione dell'EMF dalle restanti quattro dita raddrizzate.

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Spostare un filo in MP

Bobina rotante

Il funzionamento del generatore di energia elettrica si basa sulla rotazione del circuito nell'MP, che ha N giri.

L'EMF è indotto nel circuito elettrico ogni volta che il flusso magnetico lo attraversa, secondo la definizione del flusso magnetico Ф = B x S x cos α (induzione magnetica moltiplicata per la superficie attraverso la quale passa il MP, e il coseno del angolo formato dal vettore B e dalla perpendicolare al piano S).

Dalla formula consegue che F è soggetto a modifiche nei seguenti casi:

• l'intensità della MF cambia: il vettore B;
• l'area delimitata dal contorno varia;
• l'orientamento tra di loro, dato dall'angolo, cambia.

Nei primi esperimenti di Faraday si ottenevano correnti indotte variando il campo magnetico B. Tuttavia, è possibile indurre un CEM senza muovere il magnete o cambiare la corrente, ma semplicemente ruotando la bobina attorno al proprio asse nel campo magnetico. In questo caso, il flusso magnetico cambia a causa di una variazione dell'angolo α. La bobina, durante la rotazione, attraversa le linee dell'MP, si forma una fem.

Se la bobina ruota in modo uniforme, questo cambiamento periodico si traduce in un cambiamento periodico nel flusso magnetico. Oppure il numero di linee di forza MF attraversate ogni secondo assume valori uguali con intervalli di tempo uguali.

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Rotazione del contorno in MP

Importante! La fem indotta cambia con l'orientamento nel tempo da positivo a negativo e viceversa. La rappresentazione grafica dell'EMF è una linea sinusoidale.

Per la formula dell'EMF dell'induzione elettromagnetica si usa l'espressione:

E \u003d B x ω x S x N x sin ωt, dove:

• S è l'area limitata da un giro o frame;
• N è il numero di giri;
• ω è la velocità angolare con cui ruota la bobina;
• B – Induzione MF;
• angolo α = ωt.

In pratica, negli alternatori, spesso la bobina rimane ferma (statore) e l'elettromagnete ruota attorno ad essa (rotore).

Autoinduzione EMF

Quando si passa attraverso la bobina corrente alternata, genera un campo magnetico variabile, che ha un flusso magnetico variabile che induce un EMF. Questo effetto è chiamato autoinduzione.

Poiché l'MP è proporzionale all'intensità della corrente, allora:

dove L è l'induttanza (H), determinata da grandezze geometriche: il numero di spire per unità di lunghezza e le dimensioni della loro sezione trasversale.

Per la fem induttiva, la formula assume la forma:

E \u003d - L x dI / dt.

Induzione reciproca

Se due bobine si trovano una accanto all'altra, viene indotto un EMF di mutua induzione, a seconda della geometria di entrambi i circuiti e del loro orientamento l'uno rispetto all'altro. Quando la separazione dei circuiti aumenta, l'induttanza reciproca diminuisce, poiché diminuisce il flusso magnetico che li collega.

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Induzione reciproca

Lascia che ci siano due bobine. Attraverso il filo di una bobina con N1 spire, scorre la corrente I1, creando un MF che passa attraverso la bobina con N2 spire. Quindi:

1. Mutua induttanza della seconda bobina rispetto alla prima:

M21 = (N2 x F21)/I1;

1. Flusso magnetico:

F21 = (M21/N2) x I1;

1. Trova la fem indotta:

E2 = - N2 x dФ21/dt = - M21x dI1/dt;

1. L'EMF è indotto in modo identico nella prima bobina:

E1 = - M12 x dI2/dt;

Importante! La forza elettromotrice causata dalla mutua induttanza in una bobina è sempre proporzionale alla variazione della corrente elettrica nell'altra.

L'induttanza reciproca può essere considerata uguale a:

M12 = M21 = M.

Di conseguenza, E1 = - M x dI2/dt e E2 = M x dI1/dt.

M = K √ (L1 x L2),

dove K è il coefficiente di accoppiamento tra due induttanze.

Il fenomeno dell'induttanza reciproca viene utilizzato nei trasformatori: dispositivi elettrici che consentono di modificare il valore della tensione di una corrente elettrica alternata. Il dispositivo è costituito da due bobine avvolte attorno a un nucleo. La corrente presente nel primo crea un campo magnetico variabile nel circuito magnetico e una corrente elettrica nell'altra bobina. Se il numero di spire del primo avvolgimento è inferiore all'altro, la tensione aumenta e viceversa.

Il termine induzione in ingegneria elettrica indica la presenza di corrente in un circuito elettrico chiuso se si trova in uno stato mutevole, scoperto solo duecento anni fa da Michael Faraday. Molto prima, questo avrebbe potuto essere fatto da André Ampère, che ha condotto esperimenti simili. Inserì un'asta di metallo nella bobina e poi, sfortuna, andò in un'altra stanza a guardare l'ago del galvanometro - e all'improvviso si sarebbe mosso. E la freccia faceva regolarmente il suo lavoro - deviava, ma mentre Ampere vagava per le stanze - tornava a zero. È così che il fenomeno dell'autoinduzione ha aspettato altri dieci anni, finché bobina, dispositivo e ricercatore fossero contemporaneamente al posto giusto.

Il punto principale di questo esperimento era che la fem di induzione si verifica solo quando cambia il campo magnetico che passa attraverso il circuito chiuso. Ma puoi cambiarlo come preferisci: cambiare il valore del campo magnetico stesso o semplicemente spostare la sorgente del campo rispetto allo stesso anello chiuso. La fem, che si presenta in questo caso, è stata chiamata "fem di mutua induzione". Ma questo fu solo l'inizio delle scoperte nel campo dell'induzione. Ancora più sorprendente fu il fenomeno dell'autoinduzione, che scoprì più o meno nello stesso periodo. Nei suoi esperimenti, è stato scoperto che la bobina non solo induceva una corrente in un'altra bobina, ma anche quando la corrente in questa bobina cambiava, induceva un ulteriore campo elettromagnetico in essa. Quindi è stato chiamato l'EMF dell'autoinduzione. Di grande interesse è la direzione della corrente. Si è scoperto che nel caso dell'EMF di autoinduzione, la sua corrente è diretta contro il suo "genitore": la corrente dovuta all'EMF principale.

È possibile osservare il fenomeno dell'autoinduzione? Come si suol dire, niente è più facile. Assembleremo i primi due - un induttore collegato in serie e una lampadina, e il secondo - solo una lampadina. Collegarli alla batteria tramite un interruttore comune. Quando è acceso, puoi vedere che la luce nel circuito con la bobina si accende "a malincuore" e la seconda luce, più veloce "a salire", si accende all'istante. Cosa sta succedendo? In entrambi i circuiti, dopo l'accensione, la corrente inizia a fluire, e passa da zero al suo massimo, ed è proprio la variazione di corrente attesa dalla bobina dell'induttore, che genera l'EMF di autoinduzione. C'è un EMF e un circuito chiuso, il che significa che c'è anche la sua corrente, ma è diretta di fronte alla corrente principale del circuito, che, alla fine, raggiungerà il valore massimo determinato dai parametri del circuito e smettere di crescere e poiché non c'è cambiamento di corrente, non c'è EMF di autoinduzione. Tutto è semplice. Un'immagine simile, ma con "esattamente il contrario", si osserva quando la corrente viene interrotta. Fedele a lei cattiva abitudine” per contrastare qualsiasi variazione di corrente, l'EMF ad autoinduzione mantiene il suo flusso nel circuito dopo lo spegnimento dell'alimentazione.

Immediatamente è sorta la domanda: qual è il fenomeno dell'autoinduzione? È stato riscontrato che l'EMF di autoinduzione è influenzato dalla velocità di variazione della corrente nel conduttore e possiamo scrivere:

Da ciò si evince che l'EMF di autoinduzione E è direttamente proporzionale alla velocità di variazione della corrente dI/dt e al coefficiente di proporzionalità L, detto induttanza. Per il suo contributo allo studio della questione di cosa consista il fenomeno dell'autoinduzione, George Henry è stato premiato dal fatto che l'unità di induttanza, l'henry (H), porta il suo nome. È l'induttanza del circuito di flusso di corrente che determina il fenomeno dell'autoinduzione. Si può immaginare che l'induttanza sia una sorta di "immagazzinamento" di energia magnetica. Se la corrente nel circuito aumenta Energia elettrica viene convertito in magnetico, ritarda la crescita della corrente e quando la corrente diminuisce, l'energia magnetica della bobina viene convertita in energia elettrica e mantiene la corrente nel circuito.

Probabilmente, tutti hanno dovuto vedere una scintilla quando la spina è stata spenta dalla presa: questa è la variante più comune della manifestazione dell'EMF ad autoinduzione in vita reale. Ma nella vita di tutti i giorni vengono aperte correnti di massimo 10-20 A e il tempo di apertura è di circa 20 ms. Con un'induttanza dell'ordine di 1 H, l'EMF dell'autoinduzione in questo caso sarà pari a 500 V. Sembrerebbe che la domanda su in cosa consista il fenomeno dell'autoinduzione non sia così complicata. Ma in realtà, i campi elettromagnetici ad autoinduzione sono un grosso problema tecnico. La linea di fondo è che quando il circuito si interrompe, quando i contatti sono già dispersi, l'autoinduzione mantiene il flusso di corrente e questo porta al burnout dei contatti, perché. nella tecnologia, vengono commutati circuiti con correnti di centinaia e persino migliaia di ampere. Qui spesso noi stiamo parlando sull'EMF di autoinduzione in decine di migliaia di volt, e questo richiede soluzione aggiuntiva problemi tecnici relativi alle sovratensioni nei circuiti elettrici.

Ma non tutto è così cupo. Succede che questo EMF dannoso sia molto utile, ad esempio, nei sistemi di accensione ICE. Tale sistema è costituito da un induttore a forma di autotrasformatore e chopper. Una corrente viene fatta passare attraverso l'avvolgimento primario, che viene disattivato da un interruttore. Come risultato di un circuito aperto, si verifica un EMF di autoinduzione di centinaia di volt (mentre la batteria fornisce solo 12V). Inoltre, questa tensione viene ulteriormente trasformata e alle candele viene fornito un impulso di oltre 10 kV.