На законах электромагнитной индукции и электромагнитных сил основано действие электрических машин - генераторов, преобразующих механическую энергию в электрическую, и двигателей, преобразующих электрическую энергию в механическую.
Обратимся к рис. 95. В магнитном поле между полюсами N и S помещен прямолинейный проводник. Если при помощи внешней механической силы F передвигать этот проводник перпендикулярно магнитным линиям поля, то в нем будет индуктироваться э.д.с. Е = Blυ.
Каждый день мы закрываем и открываем множество электрических цепей. При этом мы используем электроэнергию, которая получается на электрогенерирующей установке. Электрическое железо, душ и тостер превращают электрическую энергию в тепловую. Эти устройства имеют в качестве одного из своих компонентов резистор, специальный провод материала, ответственный за нагрев. Поэтому они называются резистивными.
Мы можем представить резистивное электрическое устройство только его резистором, используя символ на рисунке ниже. Лампа накаливания также может считаться резистором, поскольку большая часть электрической энергии преобразуется в тепловую энергию в своей нити; а остальное - в световой энергии.
Если концы проводника замкнуты на внешнее сопротивление, то по цепи потечет ток I, совпадающий по направлению с э.д.с. Е.
Напишем уравнение 2-го закона Кирхгофа для этой цепи:
E = U + I ⋅ r, (a)
где U - напряжение на зажимах, в;
r - сопротивление проводника, ом;
I ⋅ r - падение напряжения в проводнике, в.
Умножая почленно выражение (а) на I, получим
Символы, которые мы будем использовать для обозначения цепей, имеют в качестве основной цели представление аппаратов, источников, соединительных проводов и переключателей. Любая схема с резистором будет представлена символом сопротивления, и любой тип переключателя будет представлен на рисунке ниже.
Когда прибор выключен, ключ открыт. Батареи или батареи должны быть обозначены символом. Наименьший след представляет собой отрицательный полюс и самый большой положительный полюс. Наблюдайте в схеме, что три ячейки соединены последовательно, то есть они соединены последовательно, так что положительный полюс одного подключен к отрицательному полюсу другого.
E ⋅ I = UI + I 2 r.
Так как Е = Blυ, то
Blυ ⋅ I = UI + I 2 r.
Учитывая, что ВIl = F и Fυ = Р мех, имеем
Р мех = P эл + ΔР, (б)
где Р мех = E ⋅ I - механическая мощность, преобразуемая в электрическую;
Р эл = UI - электрическая мощность, отдаваемая во внешнюю цепь;
ΔP = I 2 r - потери мощности (в виде тепла) в сопротивлении проводника. Рассмотрим теперь процесс преобразования электрической энергии в механическую.
Электрический душ также имеет резистор, а его схема похожа на вторую цифру. Переключатель этого устройства приводится в действие давлением воды на диафрагме, которое создает электрический контакт между соединительными проводами и резистором. Увеличивается число студентов, которые не интересуются физическими классами. Многие из них принимают заблуждение, что этот вопрос сложный и трудный для понимания. С каждым днем мы, учителя, должны думать о стратегиях преподавания, которые вызывают интерес к предмету.
Одним из способов привлечения «немотивированных» студентов является их непосредственный контакт с объектами, которые являются частью изучения физики. Одно из этих предложений состоит в том, чтобы довести до класса некоторые стратегии, которые придают студенчеству любопытство. В этом контексте то, что мы предлагаем в этой статье, - это деятельность знаний со стороны электрооборудования, которое мы используем в наши дни. Цель состоит в том, чтобы поставить ученикам некоторые электроприборы, которые больше не работают, так что они сами разбираются и знают, что находится внутри каждого устройства.
Пусть прямолинейный проводник АВ (рис. 96), по которому проходит ток I от источника напряжения, помещен во внешнее магнитное поле, образованное магнитом N - S. Если проводник неподвижен, то энергия источника напряжения расходуется исключительно на нагрев проводника:
A = UIt = I 2 rt дж.
При запуске исследования по электродинамике учителю было бы интересно показать некоторые из этих устройств студентам. Часто студент испытывает трудности в содержании, потому что он не знает, что это такое, что происходит и как работает какое-то оборудование, которое мы используем на повседневной основе.
Например, при инициировании исследований по электрическим трансформаторам учитель может задать следующий вопрос: являются ли все электроприборы, которые мы используем в наших домах резистивными? Например, блендеры, дрели, вентиляторы и смесители имеют двигатель внутри, который превращает большую часть электрической энергии в механическую, производя вращение вокруг оси. Хотя они немного нагреваются, функция этих устройств не такая же, как у резистивных. Поскольку эти устройства не только преобразуют электрическую энергию в тепловую энергию, они называются энергетическими приемниками в цепях.
Затрачиваемая мощность будет равна
P эл = UI = I 2 r вт,
откуда определяем ток в цепи:
I = U / r . (а)
Однако известно, что проводник с током, помещенный в магнитное поле, будет испытывать действие силы F со стороны поля, стремящейся перемещать проводник в магнитном поле в направлении, определяемом правилом левой руки. При своем движении проводник будет пересекать магнитные линии поля и в нем, по закону электромагнитной индукции, возникнет индуктированная э.д.с. Направление этой э.д.с., определенное по правилу правой руки, будет обратным току I. Назовем ее обратной э.д.с. E обр. Величина E обр согласно закону электромагнитной индукции будет равна
В дополнение к электродвигателям, например, другие приборы считаются приемниками электроэнергии. В этих устройствах электричество преобразуется в другие виды энергии. Тепловая энергия также является небольшой частью преобразования энергии, так как всегда есть нагрев этих устройств. Поэтому мы можем сказать, что каждый аппарат, который преобразует электрическую энергию в другую форму энергии, которая не является исключительно тепловой, называется приемником. Если электрическая энергия преобразуется только в тепловую, устройство называется резистивным.
E обр = Blυ.
По второму закону Кирхгофа, для замкнутой цепи имеем
U - E обр = Ir
U = E обр + Ir, (б)
откуда ток в цепи
| I = | U - E обр | . (в) |
| r |
Сравнивая выражения (а) и (в), видим, что в проводнике, движущемся в магнитном поле при одних и тех же значениях U и r, ток будет меньше, чем в неподвижном проводнике.
Предыдущие знания, полученные преподавателем со студентом
При демонтаже устройств учитель может задать вопрос о том, как электрическая энергия проходит через каждый аппарат или как электрическая энергия преобразуется в другие виды энергии. То, что изменение магнитного потока внутри катушки может быть достигнуто путем относительных перемещений магнита относительно катушки и может перемещать магнит или катушку. Проанализировать влияние изменения магнитного поля на электрический проводник. . Электромагнетизм: магнитный поток, закон Фарадея, закон Ленца.
Умножая почленно выражение (б) на I, получим
UI = E обр I + I 2 r.
Так как E обр = Blυ, то
UI = BlυI + I 2 r.
Учитывая, что BlI = F и Fυ = Р мех, имеем
UI = Fυ + I 2 r
P эл = P мех + ΔP.
Последнее выражение показывает, что при движении проводника с током в магнитном поле мощность источника напряжения преобразуется в механическую мощность и частично в тепловую. Аналогичный процесс преобразования электрической энергии в механическую происходит в электрических двигателях.
Стратегии и особенности класса
Мы предлагаем для того, чтобы вызвать интерес к предмету урока, учитель может в начале урока показать студентам следующий фильм, который доступен по ссылке ниже. Вы должны вкратце прокомментировать значение электричества в современном мире, о чем было сказано в начале этого фильма. Затем вы можете повторить сцену в фильме, где рассказчик рассказывает об автогенераторе и гидроэлектростанциях, и задает класс со следующим вопросом. Как можно превратить механическую энергию в электрическую?
Как только вы услышите добровольные ответы учеников и сделаете какие-либо комментарии, которые вы сочтете уместными, вы должны рассмотреть закон Фарадея и закон Ленца, чтобы заострить теорию содержания, которую нужно изучить. Чтобы сделать объяснение еще более интересным, обратитесь к следующим анимациям, приведенным ниже.
Рассмотренные выше примеры показывают, что электрическая машина обратима, т. е. может работать как генератор и как двигатель.
Электрические машины разделяют по назначению на два основных вида: электрические генераторы и электрические двигатели. Генераторы предназначены для выработки электрической энергии, а электродвигатели - для приведения в движение колесных пар локомотивов, вращения валов вентиляторов, компрессоров и т. п. В электрических машинах происходит процесс преобразования энергии. Генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую. Это означает, что для работы генератора надо вращать его вал каким-либо двигателем. Электрические двигатели, наоборот, преобразуют электрическую энергию в механическую. Поэтому для работы двигателя его надо соединить проводами с источником электрической энергии. Принцип действия любой электрической машины основан на использовании явлений электромагнитной индукции и возникновения электромагнитных сил при взаимодействии проводников с током и магнитного поля. Эти явления имеют место при работе как генератора, так и электродвигателя. Лабораторный стенд для изучения электромеханического преобразования энергии состоит из двух однотипных машин постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов. В процессе его эксплуатации произошло повреждение. Задачей была модернизация стенда. В результате выполнена разработка рабочей схемы и замена поврежденных элементов, что позволяет улучшить качество работы стенда для изучения электромеханического преобразования энергии.
Попросите их снова ответить на вопрос: как можно превратить механическую энергию в электрическую? Основываясь на объяснениях и анимациях, оказанных по закону Фарадея и закону Ленца, они должны ответить, что изменение магнитного потока внутри катушки вызвало появление электрического тока в проводе. Затем, благодаря движению магнита, механической энергии, он меняет магнитный поток внутри катушки, создавая в ней индуцированную электродвижущую силу; замкнутая цепь катушки, как и в представленных имитаторах, в них будет возникать индуцированный ток.
Значение электроматериалов. Материалы, применяемые в электромашиностроительной промышленности, в значительной степени определяют технические показатели электрических машин. Использование высококачественной стали позволяет существенно уменьшить вес и габариты машин и увеличить их к. п. д. Свойства
изолирующих материалов и лаков ограничивают допустимые электромагнитные нагрузки. Толщина и нагревостойкость изоляционных материалов определяют степень использования электрических машин. Обычно изоляция занимает в среднем 30% общего объема паза, в котором заложены проводники обмотки. Уменьшение толщины изоляции позволяет увеличить объем проводников в пазу, а следовательно, увеличить мощность машины при сохранении ее габаритов. Повышенная нагревостойкость изоляционных материалов также позволяет увеличить нагрузку машины.
После обсуждения и объяснения превращения механической энергии в электрическую энергию учитель может представить ученику довольно рудиментарный генератор. Подготовьте этот генератор сначала в своей школе или в вашем доме и протестируйте его перед тем, как использовать его в классе. Для каждого, чтобы посмотреть, как их работа демонстрируется для групп с небольшим количеством студентов, например, разделите класс на группы из 8 членов и повторите демонстрацию, посетив все группы.
Предпочтительно, если можно приобрести материал, распределите один комплект для каждой группы из 4 студентов, сориентируйте группы для сборки и тестирования генератора. Для каждой сборки требуется следующий материал. Одна катушка из медной проволоки или около 1 метра тонкой эмалированной медной проволоки. Чувствительный гальванометр или мультиметр с низким напряжением, десятые или сотые доли шкалы. Если у вас есть катушка, как в анимации закона Фарадея, используйте ее, соединяя ее концы с терминалами вольтметра. Если это медный провод, соскребайте два конца провода, используя кусочек наждачной бумаги или резкий материал для электрического контакта с клеммами мультиметра. Оберните провод вокруг винта или гвоздя, всегда удерживая один против предыдущего, не перекрывая его. Они должны сделать не менее 20 оборотов, 20 поворотов с болтом: при необходимости будет восстановлен новый слой витков, всегда поддерживая одно и то же направление намотки для всех поворотов, тем интенсивнее будет ток. Рисунок 01. При использовании мультиметра используйте шкалу микровольт. Затем просто перемещайте магнит с последовательным приближением и удалением одного из магнитных полюсов вблизи винта, сердечника катушки и наблюдайте, что происходит с указателем гальванометра. Поверните магнит на 180 градусов, чтобы повернуть полюс и повторить движения, рис. 02.
- Магнит любой формы.
- Гвоздь должен увеличить напряженность магнитного поля внутри катушки.
Технические показатели электрических машин и их надежность в значительной мере зависят не только от правильной конструкции и расчета, но и от правильного выбора магнитных и изолирующих материалов, их свойств и качеств, а также от материалов конструктивных элементов, обеспечивающих требуемую механическую проч ность.
Применяемые в электропромышленности материалы делятся на три группы: конструктивные, активные и электроизоляционные.
В обоих случаях, что наблюдается в вольтметре? Наблюдаются ли какие-либо изменения в наблюдениях, когда мы меняем положение магнита путем инвертирования его полюсов? Итак, что можно сделать из этого опыта? По мере приближения магнита катушка увеличивает магнитный поток внутри себя и при его удалении уменьшает поток.
В обоих случаях стрелка гальванометра перемещается, но когда полюс магнита приближается к указателю, он отклоняется на одну сторону и когда один и тот же полюс отклоняется, отклоняется в направлении против часовой стрелки. Изменяя полюс магнита, он также изменяет направление движения указателя.
Конструктивные и активные материалы. Из конструктивных материалов изготовляются части машины, несущие механическую нагрузку. В электромашиностроении применяются в основном те же конструктивные материалы, что и в общем машиностроении. К ним относятся сталь, чугун, цветные металлы и пластмассы.
Активные материалы служат для проведения магнитного потока машины и электрического тока и делятся на токопроводящие и магнитопроводящие.
Затем вы можете представить следующее моделирование о работе двигателя и генератора электрического тока, доступного по следующей ссылке. При представлении вышеуказанной анимации, свидетельствующей о работе и сборе генератора, вы можете собрать довольно рудиментарный генератор, но эквивалентный тому, что подтверждается анимацией. Учитель должен сначала собрать и протестировать устройство, что довольно просто, но чтобы не удивляться во время урока. Для сборки устройства требуются следующие материалы.
Один метр медной проволоки диаметром около 1 мм. Магнит любой формы, например, цилиндрический, взятый из затуманенного громкоговорителя. Деревянная доска, служащая базой в сборке. Гальванометр или вольтметр, чувствительный к малым напряжениям. Два куска полого цилиндра взяты снаружи уже отбрасываемой шариковой ручкой.
В качестве основного токопроводящего материала до последнего времени использовалась медь, которая сравнительно недорога, имеет малое электрическое сопротивление, хорошо сваривается и обладает хорошими антикоррозийными свойствами. Однако медь дефицитна, поэтому в последние годы в качестве проводникового материала начали применять более дешевый и широко распространенный алюминий. Его достоинствами являются низкий удельный вес, более высокая проводимость на единицу веса, легкость механической обработки и хорошие антикоррозийные свойства. Недостатком алюминия является повышенное удельное электрическое сопротивление и плохая свариваемость. Вследствие повышенного удельного электрического сопротивления машины с алюминиевыми обмотками имеют большие габариты. В электромашиностроении широко применяют различные медные сплавы, например латунь, фосфористую бронзу и т. д.
Кусок провода электричества. Порядок монтажа генератора. Сборка генератора, аналогичная приведенной выше в анимации, довольно проста и схематична на рисунке 03. Сначала очистите от 2 до 3 дюймов провода с обоих концов, используя наждачную бумагу или острый инструмент, чтобы не пострадать.
Затем сверните нить на несколько оборотов диаметром около 5 см, удерживая на расстоянии 5 см от каждого конца и таким образом, чтобы эти концы были диаметрально противоположными, как показано на рисунке 03. В этом положении закрепите концы на бобине, поворачивается, используя кусок крепированной ленты или обертывая витки самой нитью. Концы провода должны храниться в том же направлении, что и диаметр витков.
К токопроводящим элементам следует отнести также щетки, при помощи которых осуществляется съем тока с вращающихся обмоток через контактные кольца или коллектор. Щетки обычно изготовляются на основе графита, угля или меди. Основным магнитопроводящим материалом является листовая легированная электротехническая сталь, содержащая от 2 до 5%
кремния. Присадка кремния уменьшает потери на гистерезис. Вследствие увеличения удельного электрического сопротивления стали уменьшаются потери на вихревые токи. Сталь становится устойчивой к окислению и старению, но делается более хрупкой. В последние годы широко используется холоднокатаная текстуро-ванная сталь с более высокими магнитными свойствами в направлении проката. Сердечник магнитопровода выполняется в виде пакета, собранного из листов штампованной стали. Толщина стального листа от 0,5 до 0,15 мм.
Для проведения постоянного магнитного потока широко используется стальное литье и чугун.
Электроизоляционные материалы. Электроизоляционные материалы применяются для электрической изоляции токоведущих частей машины. Изоляция обмоточных проводников машины в значительной мере определяет ее технико-экономические показатели и эксплуатационные качества. От толщины изоляции существенно зависят габариты и вес машины. Применяемые изоляционные материалы должны иметь высокую электрическую прочность, быть на-грево-, влаго- и химически стойкими. Изоляция должна также обладать высокими удельными сопротивлениями и малыми диэлектри- . ческими потерями. От твердых материалов требуется достаточная механическая прочность.
По условию нагревостойкости твердые электроизоляционные материалы делятся на семь классов. Наибольшее распространение до последнего времени имели материалы класса А, к которому относятся пропитанные бумага, картон, дерево, хлопчатобумажные и шелковые ткани и ленты. Материалы пропитываются с целью улучшения электрической прочности и теплопроводности, а также для уменьшения гигроскопичности. Пропитывающими веществами могут служить трансформаторное масло, масляные лаки и битумные составы. Допустимая температура нагрева для материалов этого класса составляет 105° С. При отсутствии пропитки эти изоляционные материалы принадлежат к классу У , их допустимая температура нагрева 90° С.
В последнее время начинают широко применять синтетические изоляционные материалы, которые имеют малую толщину и высокие электрические и механические показатели. Синтетические органические пленки типа лавсан, пластмассы с органическим наполнителем и слоистые пластики принадлежат к электроизоляционным материалам класса Е, допустимая температура нагрева которых 120° С.
К материалам класса В принадлежат изделия из слюды, асбеста и стеклянного волокна, содержащие для их связывания и пропитки органические лаки и смолы повышенной нагревостойкости, а также изделия из пластмассы с неорганическим наполнителем. К этому классу относятся такие высококачественные материалы, как микалента и микафолий, изготовляемые из пластинок слюды,
склеенных между собой и наклеенных на бумагу. Они хорошо удовлетворяют всем требованиям, предъявляемым к изоляционным материалам, но относительно дороги. Предельно допустимая температура нагрева для материалов класса В 130° С.
В последнее время получает широкое распространение синтетическая изоляция типа термопластик, изготовленная на слюдяной основе с применением термоактивного полиэфиро-стирольного компаунда. Электроизоляционные и механические свойства термопластика выше, чем микаленты, но он имеет более сложную технологию изготовления. Изделия из слюды, асбеста и стеклянного волокна, на основе синтетических пропитывающих составов, принадлежат к электроизоляционным материалам класса F, их допустимая температура нагрева 155° С. Те же материалы, применяемые в сочетании с кремнийорганическими связывающими и пропитывающими веществами, принадлежат к классу Н , допустимая температура нагрева которого 180° С. Кремнийорганическая изоляция является особенно перспективной, хотя она в настоящее время относительно дорога.
К материалам класса С относятся изделия из слюды, стекла, стекловолокна, фарфора и других неорганических материалов без примеси органических связывающих веществ. Допустимая температура для материалов этого класса не ограничивается.
