Демонстрационные опыты - см. т. II, §§ 2 и 50.
Упрощенные приборы - см. т. III, § 49.
Рисунки и чертежи на уроках - см. т. IV, § 68.

1. Содержание: а) Явление электромагнитной индукции. Связь между направлениями поля, движения проводника и тока. Правило правой руки. б) Получение переменного тока при вращении рамки в магнитном поле. Различие между переменным и постоянным токами, в) Коллектор, как прибор для выпрямления переменного тока. г) Понятие об устройстве динамомашины. Обратимость динамомашины. д) Значение открытия электромагнитной индукции и изобретения динамомашины.

2. Методические замечания . для связи с предыдущим отделом в начале изучения темы следует поставить вопрос, примерно, в том виде, в каком он возник у М. Фарадея . Если проводник с током в магнитном поле приходит в движение, то, в свою очередь, не может ли движение проводника в поле повести к возникновению тока? Другими словами, ставится вопрос о возможности превращения механической энергии в электрическую.

Методические затруднения при изучении, явления электромагнитной индукции и принципа устройства и действия динамомашины вызываются теми же причинами, которые были указаны в § 101, 2. Однако, их легче преодолеть, поскольку подобные вопросы уже рассматривались в предыдущем при изучении электромотора. В целях упрощения изложения и обеспечения доступности материала для учащихся приходится прибегать, кроме демонстрации опытов, к широкому использованию учебных пособий в виде рамок или контуров с кольцами и коллектором (см. т. II, § 50, 7, рис. 377, 389 и 390), а также к применению объяснительных картин. При рисовании на доске необходимо отказаться от чертежей в косоугольной проекции и давать условные изображения в виде разрезов, подобных показанному на рисунке 242. Поскольку учащиеся не имеют представления об электродвижущей силе, постольку, в целях упрощения изложения при рассмотрении явления электромагнитной индукции и последующих вопросов, приходится говорить об индуцированном в проводниках электрическом токе, а не об индуцированной электродвижущей силе, что является с научной точки зрения не совсем правильным.

Затруднения при изучении явления индукции возникают также по той причине, что демонстрационный гальванометр, применяемый в школе, оказывается недостаточно чувствительным. Поэтому явление приходится показывать в сильно осложнённом виде, возбуждая ток в катушке, а не в прямом проводнике.

Далеко не простым делом является создание у учащихся сколько-нибудь правильного представления о переменном электрическом токе не только как о токе, периодически изменяющем своё направление, но и о непрерывном изменении его величин в течение каждого полупериода. Желательно, чтобы учащиеся получили представление о графике переменного тока и могли дать соответствующие объяснения. Это оказывается возможным только в том случае, когда на построение всевозможных графиков преподаватель в течение всего курса обращал достаточное внимание.

3. Электромагнитная индукция. Изложение этого вопроса не только в школе, но и в учебниках является неудовлетворительным. Вследствие методического несовершенства аппаратуры на опытах удаётся обнаружить только возникновение индукционного тока, но не обосновать существующую связь между направлениями поля, механического движения и направлением тока. Подробное изложение методики эксперимента, ведущей к упрощению изложения вопроса и позволяющей ввести правило правой руки, а также описание соответствующих приборов даны в т. II, § 50, 2 и 5. Здесь же по отношению к эксперименту ограничимся следующими указаниями:

1) Индукционная катушка, имеющаяся обычно в школе, должна быть признана негодной с методической точки зрения. Следует применять специально изготовленную катушку, на которой ясно видны учащимся направление обмотки и у которой провода окрашены в различные цвета (см. т. II, рис. 40).

2) Внутри демонстрационного гальванометра надо, в случае надобности, сделать пересоединение проводов, ведущих к его клеммам, чтобы отклонение стрелки происходило по току (см. т. II, § 45, рис. 323).

3) При демонстрации пользоваться не прямым, а U-образным магнитом, так как картина поля у последнего проще, чем у первого (см. т. II, рис. 399 и 401).

4) Следует перемещать катушку, надвигая её на магнит, но не наоборот. В противном случае возникнут затруднения при введении правила правой руки .

Только при соблюдении указанных условий может быть сравнительно просто установлена на опыте связь, выражаемая правилом правой руки.

Явление индукции изучается в следующем виде:

1) Индукционный ток возникает при движении проводника поперёк силовых линий поля, но отнюдь не вдоль их (рис. 244).

2) Явление индукции наблюдается не только при движении перемещении катушки около полюсов проводника по отношению к полю, но и поля по отношению к проводнику, т. е. при относительном движении поля и проводника.

3) Четыре возможных случая движения проводника около магнитных полюсов сводятся к двум основным случаям относительного перемещения проводника поперёк силовых линий поля (рис. 245).

4) Направление индукционного тока в зависимости от направлений поля и перемещения определяется правилом правой руки.

Желательно рассмотреть правило Ленца, что рациональнее выполнить позднее - при постановке опыта, обнаруживающего сопротивление якоря динамомашины при её нагрузке.

Получение индукций электромагнитом можно не демонстрировать, так как это не вносит чего-либо принципиально нового. Демонстрация возникновения тока во вторичной катушке при перерывах тока в первичной служит введением к рассмотрению вопроса о трансформаторе и поэтому должна быть проведена в начале следующей темы.

При изучении правила правой руки следует, руководствуясь положениями, приведёнными в § 101, 3, провести тренировочные занятия со всем классом.

Зарисовки преподавателя на доске и учащихся в тетрадях должны соответствовать всем возможным случаям движения катушки относительно полюсов (рис. 244 и 245).

Вопрос об этих рисунках подробно рассмотрен в т. IV, § 68, 1 (рис. 303-308).

4. Получение переменного тока вращением рамки . Для основного опыта, служащего для обнаружения возникновения переменного тока при поворотах рамки в магнитном поле, служит катушка, описанная в т. II, § 50, 6 (рис. 393). Суждение об изменении направления тока при прохождении рамки через нейтральное положение производится на основании отклонения стрелки демонстрационного гальванометра. Объяснение наблюдаемому явлению даётся на основании правила правой руки при помощи демонстрационного контура с кольцами (рис. 246 и см. т. II, рис. 389) и заранее изготовленных картинок, подобных рисунку 242. У этого контура, как и при изучении движения проводника, для упрощения объяснений необходима окраска его отдельных частей в различные цвета.

Учащихся следует ознакомить с основными отличиями переменного тока от постоянного:

1) Переменный ток через одинаковые промежутки времени меняет своё. направление на обратное.

2) Сила переменного тока в течение такого промежутка времени непрерывно возрастает до некоторой наибольшей величины и затем так же уменьшается до нуля.

3) Время, в течение которого переменный ток течёт как в том, так и обратном направлении, называется периодом переменного тока. Желательно дать график переменного тока (см. т. IV, рис. 306).

В заключение надо рассмотреть устройство магнитоэлектрической машины с кольцами и показать её действие, накаливая электрическую лампочку (см. т. II, § 50, 8 и рис. 394). При этом даются объяснения, с какой целью тело якоря делается из железа, а обмотка - из значительного числа витков.

Упомянув о замене магнитов электромагнитами, такую машину можно рассматривать как прообраз современных машин переменного тока (альтернаторов), употребляемых в технике. Название машин переменного тока динамомашинами неправильно .

5. Выпрямляющее действие коллектора. Динамомашина . Выпрямляющее действие коллектора выясняют, пользуясь контуром с коллектором и прибегая к заранее изготовленным рисункам вроде изображённых на рисунке 247 . Затем демонстрируют действие магнито-электрической машины с коллектором (см. т. II, рис. 394), накаливая лампочку и показывая при помощи демонстрационного гальванометра, что машина даёт прямой ток. Полезно рассказать также об устройстве карманного фонарика с магнито-электрической машиной (см. т. II, рис. 395, II). Указав, что в технических машинах вместо магнитов применяют для усиления действия электромагниты, учащихся знакомят с динамоэлектрическим принципом, состоящим в том, что ток для питания индуктора берётся от якоря динамомашины, что составляет её характерное свойство.

Учащиеся легко усматривают тождество в устройствах динамомашины и мотора постоянного тока. Поэтому вопрос об обратимости динамомашины, что показывается на опыте, не представляет затруднений.

6. Динамомашина как преобразователь механической энергии в электрическую . Важнейшее принципиальное значение имеет опыт, показывающий, что потребляемая динамомашиной механическая мощность зависит от электрической, даваемой динамомашиной. Такое явление обнаруживается по изменению скорости падающего груза, который приводит в действие динамомашину (см. т. II, § 50, 3) при её электрической нагрузке, по сравнению с работой вхолостую. В связи с этим опытом и явлением обратимости динамомашины, как было указано в разделе 3, должно быть выяснено правило Ленца. На основании сопоставления правил правой и левой руки и рисунков вполне возможно подвести учащихся к выводу, что индуктивный ток всегда имеет такое направление, что создаёт силу, противодействующую производимому движению. Далее вводится понятие о к.п.д. динамомашины и указывается его высокая величина для наиболее совершенных машин. Введение к.п.д. производят, отправляясь от закона сохранения энергии и тем самым подчёркивая всеобщность последнего.

В заключение рассматривается значение изобретения механического генератора электрической энергии, которое сделало возможным получение сильных токов и позволило ввести широкое использование электрической энергии в технике и быту.

7. Исторические сведения . Рассмотрение значения изобретения механического генератора электрической энергии должно сопровождаться сообщением соответствующих исторических сведений. К числу их принадлежат: 1) история открытия электромагнитной индукции М. Фарадеем; 2) биография М. Фарадея (§§ 9 и 10); 3) краткие сведения об изобретении динамомашины и 4) история открытия обратимости динамомашины. Изучение биографии М. Фарадея имеет весьма большое воспитательное значение.

Кроме рассказа о Фарадее, учащихся надо ознакомить с жизнью и важнейшими открытиями русского учёного Эмилия Христиановича Ленца, посвятившего всю свою жизнь в основном изучению мгнито-электрических явлений. Наиболее важным следует считать открытие им закона, устанавливающего направление индуцированного тока (правило Ленца) и тем самым связывающего в одно целое явления движения проводника в магнитном поле и явления электромагнитной индукции (см. раздел 6). Это открытие имело огромное принципиальное значение и, дополненное ещё рядом других работ Ленца по электромагнетизму, являясь первой определяющей для мировой науки работой по теории электромагнитных машин. Поэтому осведомление учащихся об академикё Ленце только как об учёном, открывшем закон Джоуля-Ленца, является недостаточным.

8. Задачи. Задачи применяются с той же целью и такого же типа, как и в теме «движение проводника». Особые интерес и пользу представляют задачи-вопросы о переменном токе, предлагающие предсказать, как будут происходить: тепловые действия, электролиз сернокислой меди и подкислённой воды и притяжение электромагнитом железа (см. т. II, § 51, 2 и рис. 406).

9. Учебные пособия . Кроме казанных выше контуров с кольцами и коллектором, следует применить объяснительную картину: «Устройство генератора постоянного тока. Полезна демонстрация диапозитивов с изображением употребляющихся в технике машин (генераторов) постоянного и переменного токов. Ещё лучше показать соответствующие фрагменты из кинофильма: «Превращение механической энергии в электрическую».

Исключительно сильное впечатление на учащихся производит демонстрация действующей модели паросиловой электростанции.

10. Внеклассные занятия . Как было указано в § 49, 3, желательна организация вечера, посвящённого М. Фарадею, или выпуск соответствующей стенгазеты. Для кружковых занятий тема открывает широкиё возможности для изучения переменного тока на ряде опытов (см. т. II, § 51, 2 и т III, § 2,7).

Тема 3. Магнитное поле.

Лекция №30.

1. Рамка в магнитном поле, электродвигатели в современных автомобилях.

Вихревые токи (токи Фуко), использование в автомобилях.

Индуктивность контура. Самоиндукция.

Рамка в магнитном поле, электродвигатели в современных автомобилях.

Явление электромагнитной индукции применяется для преобразования механической энергии в энергию электрического тока. Для этой цели используются генераторы, принцип действия которых можно рассмотреть на примере плоской рамки, враща­ющейся в однородном магнитном поле.

Пусть рамка вращается в однородном магнитном поле (B = const ) равномерно с угловой скоростью w = const . Магнитный поток, сцепленный с рамкой площадью S , в любой момент времени t, согласно определению, будет равен

где a = wt - угол поворота рамки в момент времени t (начало отсчета выбрано так, чтобы при t = 0 было a = 0 ).

При вращении рамки в ней будет возникать переменная э.д.с. индукции:

Э.д.с. индукции изменяется во времени по гармоническому закону.

При sin wt = l э.д.с . индукции достигает максимума, т. е.

Теперь выражение для э.д.с. индукции можно записать в виде

Вывод. Если в однородном магнитном поле равномерно вращается рамка, то в ней возникает переменная э.д.с., изменяющаяся по гармоническому закону.

Замечания.

1. Из формулы для э.д.с. индукции вытекает, что находится в прямой

зависимости от величин w, B и S.

2. В Украине принята стандартная частота тока n = w/(2p) = 50 Гц , поэтому возможно

лишь увеличение двух остальных величии.

3. Для увеличения В применяют мощные постоянные магниты или в электромагнитах

пропу­скают значительный ток, а также внутрь электромагнита помещают

сердечники из материалов с большой магнитной проницаемостью m.

4. Если вращать не один, а ряд витков, соединенных последовательно, то тем самым

увеличивается S .

5. Процесс превращения механической энергии в электрическую обратим.

Если по рамке, помещенной в магнитное доле, пропускать электрический ток, то на

нее будет действовать вращающий момент и рамка начнет вращаться. На этом

принципе основана работа электродвигателей, предназначенных для

превращения электрической энергии в механическую.

Электродвигатели в современных автомобилях.

Рамка в магнитном поле – это физическая идеализация для обоснования принципа действия электрических двигателей, широко применяющихся в современном автомобилестроении.

Первое, на что следует указать, это, так называемые, гибридные автомобили . Их действенность предполагает электрическую тягу при малых скоростях движения и включение двигателей внутреннего сгорания в интенсивных динамических режимах.

Итак, при низких оборотах, например, при движении в городских условиях, автомобиль приводится в движение электрическим двигателем постоянного тока за счёт питания от мощных аккумуляторных батарей. При переходе к скоростным режимам, например, на загородных магистралях, имеет место переключение от электродвигателя на тягу от двигателя внутреннего сгорания. Автоматически, при работе последнего происходит подзарядка аккумуляторной батареи. Таким образом, гибридный автомобиль работает в режие рекуперации затраченной электрической энергии.

Испытания гибридных автомобилей показали существенный рост их экономичности и динамики в целом.

Второе направление в создании перспективных транспортных средств заключается в разработках, так называемых, электромобилей. Последние работают исключительно на тяге от электродвигателей постоянного тока и, в условиях современного состояния научно-технического прогресса, предназначены, в основном, для передвижения в городских условиях на небольшие расстояния.

Экзаменационные вопросы и ответы по дисциплине

«Энергетические установки и электрооборудование судна»,

для курсантов 2-го курса «Судовождение»,

3-й семестр.

1. Принципы преобразования механической энергии в электрическую и обратно.

Элект­рические машины предназначены для преобразования механичес­кой энергии в электрическую (генераторы) и электрической энергии в механическую (двигатели). Принцип действия всех элек­тромашин основан на законе электромагнитной индукции и возник­новении электромагнитной силы.

При перемещении прямолинейного проводника, замкнутого че­рез внешнюю цепь на нагрузку, с постоянной скоростью в одно­родном магнитном поле в проводнике индуктируется неизменяю­щаяся э.д. с. электромагнитной индукции, а в замкнутой цепи возникает электрический ток (рис. 22, а) . Направление э. д. с. в про­воднике определяют по правилу правой руки (рис. 22,в), а ее вели­чину - по формуле

E = Blv sin а, (21)

где В - магнитная индукция, характеризующая интенсивность маг­нитного поля; l - активная длина проводника, пронизываемая силовыми линиями магнитного поля, м; v - скорость перемещения проводника в магнитном поле, м/с: а - угол между направлением скорости движения проводника и направлением вектора магнитной индукции.

Если проводник движется перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, то а=90°, a э. д. с. будет максимальной:

Направление тока в проводнике совпадает с направлением э. д. с.

На проводник с током действует электромагнитная сила (Н).Эта сила препятствует перемещению проводника в магнитном поле. Направление электромагнитной силы определяют по правилу левой руки (рис. 22,г). Для ее преодоления необходима внешняя сила. Чтобы проводник перемещался с постоянной скоростью, не­обходимо приложить внешнюю силу , равную по величине и противоположно направленную электромагнитной силе.

Из сказанного следует, что механическая мощность , затрачиваемая на движение проводника в магнитном поле, пре­образуется в электрическую мощность в цепи проводника.

В судовых генераторах внешняя сила создается первичными двигателями (дизелем, турбиной).

Преобразование электрической энергии в механическую . При пропускании электрического тока одного направления через прямо­линейный проводник, расположенный в однородном магнитном по­ле, возникает электромагнитная сила, под действием ко­торой проводник перемещается в магнитном поле с линейной ско­ростью V (рис. 22,б) Направление движения проводника совпадает с направлением действия электромагнитной силы и определяется по правилу левой руки. Во время движения проводника в нем ин­дуктируется э д. с, направленная встречно напряжению U источника электроэнергии. Часть этого напряжения затрачива­ется на внутреннем сопротивлении проводника R.

Таким образом, электрическая мощность в проводнике, преобразуется в

механическую и частично расходуется на тепловые потери проводника Именно на этом принципе ос­нована работа электродвигателей.

2. Принципы получения переменного и постоянного тока.

В реальных электрических машинах проводники конструктивно изготовляют в виде рамок. Для уменьшения магнитного сопротивления машины, а следовательно, для увеличения значений э. д. с. и к. п. д. в гене­раторах, вращающего момента и к. п. д в электродвигателях ак­тивные стороны рамки укладывают в пазы цилиндрического сталь­ного сердечника (якоря), который совместно с закрепленной на нем рамкой может свободно вращаться в магнитном поле. Для этой же цели полюсам магнита придают особую форму, при которой сило­вые линии поля всегда направлены перпендикулярно направлению движения активных сторон рамки, а магнитная индукция в воздуш­ном зазоре между полюсами и якорем распределена равномерно (рис. 23,а).

Если при помощи сторонней силы якорь вместе с рамкой вра­щать в магнитном поле полюсов, то в соответствии с законом элект­ромагнитной индукции в активных сторонах аЬ и cd рамки индук­тируются э. д. с, направленные в одну сторону и суммируемые.

При переходе активных сторон через плоскость, перпендикуляр­ную магнитному полю, индуктируемые в них э. д. с. меняют свое направление. В рамке будет действовать э д. с, переменная как по величине, так и по направлению. Если концы рамки через кон­тактные кольца соединить с внешней целью, то в цепи будет протекать переменный ток.

Рис 23 Принцип получения переменного тока

1 - щетки. 2 - контактные кольца, 3 - стальной сердечник; 4 -рамка

Для выпрямления тока электрическая машина снабжена специ­альным устройством - коллектором . Простейший коллектор пред­ставляет собой два изолированных полукольца, к которым присое­диняют концы вращающейся в магнитном поле рамки (рис. 24,а).

С внешней цепью коллекторные пластины соединены при помо­щи неподвижных щеток, рабочие поверхности которых свободно скользят по вращающемуся коллектору 2. Щетки на коллекторе устанавливают так, чтобы они переходили с одного полукольца на другое в тот момент, когда индуктируемая в рамке э. д. с. равна нулю. При повороте на 90°, когда рамка займет горизонтальное положе­ние, в ее проводниках э. д. с. не индуктируется, так как они не пе­ресекают магнитного поля. Ток в контуре также равен нулю.

Рис 24. Принцип получения постоянного тока

При перемещении еще на 90* рамка снова займет вертикальное поло­жение, ее проводники поменяются местами и направление э. д. с и тока в них изменится. Так как щетки неподвижны, то к щетке 3 (+) по-прежнему подходит ток от рамки и далее через приемник направляется к щетке 1(-). Таким образом, во внешней цепи на­правление тока не изменяется.

График выпрямленных э д с и тока изображен на рис. 24,6. Выпрямленный ток имеет пульсирующий характер. Пульсацию то­ка можно уменьшить увеличением числа рамок, вращающихся в магнитном поле машины, и соответственно числа коллекторных пластин.