Электромагнетизм и трансформация напряжения и тока

 

Ток на

входе

Ток на

выходе

Первичная

обмотка А

Вторичная

обмотка В

 

 

 

Движение электрических зарядов приводит к появлению магнитного поля. Проводники с током также создают магнитное поле. Если расположить два проводника параллельно друг другу и пустить через них ток в одном и том же направлении, проводники будут притягиваться друг к другу. В случае если ток будет иметь разное направление, проводники станут отталкиваться друг от друга. В принципе любой проводник с током образует магнитное поле. Действие магнитного поля можно усилить, поместив в катушку стальной сердечник. В результате получился электромагнит, расположение полюсов которого зависит от направления тока в нем. Как и в обычном магните, магнитное поле катушки усиливается при приближении к ее краям. Как было выяснено ранее, перемещение магнита или изменение магнитного поля, пронизывающего катушку, вызывает появление в ней электрического тока. Подобное явление носит обратимый характер: если ток протекает через катушку, это приводит к появлению магнитного поля. На основе этих двух явлений построен трансформатор. Трансформатор — это устройство, которое осуществляет превращение энергии из одного вида в другой с помощью явления электромагнитной индукции. Чаще всего трансформаторы используют для преобразования напряжения. Это делается за счет разницы числа витков в его обмотках. Простейший трансформатор состоит из двух электрических проводников, которые называются первичной и вторичной обмотками. Если переменное напряжение подводится к первичной обмотке, в ней возникает электрический ток, который создает переменный магнитный поток. Этот магнитный поток, пересекая вторичную обмотку, вызывает в ней появление напряжения. В идеальном трансформаторе магнитный поток вторичной обмотки равен потоку в первичной. При этом отношение напряжений равно отношению числа витков в его обмотках, или иначе говоря, первичное и вторичное напряжения в расчете на один виток обмотки равны между собой.

 

 

Если пренебречь потерями, возникающими при передаче энергии через трансформатор, можно считать, что ток, протекающий во вторичной обмотке, обратно пропорционален отношению вторичного напряжения к первичному. Пусть к трансформатору с соотношением количества витков 25:2 подключена резистивная нагрузка мощностью 50 Вт. Тогда величина тока для первичной обмотки составит: P = E·I (Мощность = ЭДС  сила тока) 50 Вт = 2 В  25 А.

Теперь учитывая трансформацию напряжения, получим значение тока для вторичной обмотки: 50 Вт = 25 В  2 А. По этой причине в трансформаторе обмотка высокого напряжения обычно имеет много витков и выполнена из провода малого сечения, а обмотка низкого напряжения имеет малое количество витков и сделана из толстого провода. Так как источник постоянного напряжения не создает переменного магнитного потока, дополнительного напряжения не возникает и электрический ток в трансформаторе может достичь очень высоких значений. На практике для ограничения тока через обмотку трансформатора, последовательно с ней подключают сопротивление. Это защищает трансформатор от перегрева и выхода из строя.

Трансформация напряжения находит практическое применение в высоковольтных катушках зажигания.

 

Электродвижущие силы

 

 

Ток

Если правую руку, сжатую в кулак,

расположить таким образом, что вектор

скорости V входит в кулак, а вектор

силовых

линий магнитного поля B направлен в

сторону сжатых пальцев, то отогнутый на

90

град. большой палец укажет направление

электродвижущей силы.

Если ладонь правой руки расположить так, что

большой палец указывает направление вектора

скорости, то оста

льные пальцы покажут

направление силовых линий магнитного поля.

Ладонь в перпендикулярном направлении будет

пересекать сила, действующая на заряд.

Южный

полюс

магнита

Северный

полюс

магнита

Сила направлена

вдоль большого

пальца руки

Сила выходит из

ладони

 

 

 

 

В магнитном поле возникает сила, которая действует на проводник с током. Направление этой силы определяется правилом левой руки: Если расположить ладонь левой руки так, чтобы линии индукции магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно к ней, а четыре пальца направлены по току, то отставленный на 90° большой палец укажет направление силы, действующей на проводник. Это означает, что проводник в магнитном поле будет перемещаться в направлении, которое зависит от вектора силовых линий магнитного поля и тока в проводнике. В примере проводник станет перемещаться в обе стороны, так как по нему проходит переменный ток. Если магнитное поле и проводник с током ориентированы определенным образом относительно друг друга, можно получить непрерывное вращение этого проводника в магнитном поле.

 

Электродвигатель

 

 

Северный полюс

Южный полюс

К аккумуляторной

б

атарее

 

 

 

Как упоминалось ранее: в электродвигателе происходит взаимодействие явлений магнетизма и электричества. Если проводник с током поместить в магнитное поле, проводник начнет перемещаться в нем так, чтобы покинуть поле. Направление его движения зависит от направления тока в проводнике. Если форма проводника будет U-образной или в виде окружности, он начнет вращаться. Если поместить не одну, а несколько обмоток проводника в магнитное поле, получим тот же эффект, но вращающий момент увеличится. В этом и заключается принцип работы электродвигателя. Электродвигатель используется для перемещения или пуска, поэтому его можно рассматривать как приводной механизм. В автомобиле применяются приводы разных типов.

Приводы

Катушка зажигания

Реле

Реостат

 

                  Электродвигатель                                                               Шаговый электродвигатель

 

На рисунке представлено несколько типов приводов и объясняется принцип их работы. Это позволит понять, как работает любой электропривод. Знание принципа работы облегчает поиск неисправностей. Приводы используются для преобразования выходных электрических сигналов в разные механические воздействия. Здесь применяются все рассмотренные ранее электромагнитные явления. На первом рисунке изображена электрическая катушка, которая преобразует напряжение до высокого значения. В примере представлена катушка зажигания, она создает очень высокое напряжение, необходимое для зажигания топливовоздушной смеси с помощью искры. На следующем рисунке изображено реле. Реле — это переключатель, работой которого управляет сравнительно небольшой ток. Оно размыкает и замыкает силовую цепь. Если ключ замкнут, ток, протекающий через катушку реле, создает магнитное поле, благодаря которому электромагнит притягивает подвижный контакт к неподвижному и силовая цепь замыкается. Если ключ разомкнут, магнитное поле исчезает и контакты размыкаются, силовая цепь разрывается. Еще одно устройство — реостат, который выполняет ряд функций. Реостат может быть включен в цепь последовательно с каким-либо устройством, например с лампой. Если его скользящий контакт сдвинут влево, реостат имеет небольшое сопротивление, поэтому по цепи протекает сравнительно большой ток и лампа загорается. При перемещении скользящего контакта реостата в правое положение, его сопротивление увеличивается, а ток уменьшается, и лампа начинает слабо мерцать. Реостат можно использовать не только для изменения яркости свечения лампы, но и для управления электродвигателем, показанным на нижнем рисунке. На правом нижнем рисунке изображен шаговый двигатель, который представляет собой привод ступенчатого типа. Он используется, например, для поворота вала привода дроссельной заслонки на определенный угол. Всякий раз как на одну из катушек подается напряжение, двигатель поворачивается вперед или назад на один шаг, в зависимости от полярности подключения питающего напряжения.