Магнитный поток, потокосцепление и ЭДС индукции
Вычислять поток как поверхностный интеграл нормальной составляющей B. Определять потокосцепление как сумму потоков отдельных витков. Знать, когда допустимо Ψ = NΦ. Связать изменение потокосцепления с ЭДС при согласованной ориентации
Предварительные понятия
От поля к напряжению на зажимах
Распределённое магнитное поле само по себе не измеряется вольтметром. Прибор на зажимах катушки показывает напряжение, а оно определяется скоростью изменения одной интегральной величины — потокосцепления. Между полем и показанием вольтметра стоят три шага: поток через поверхность, сумма потоков по виткам, производная по времени. На каждом шаге есть соглашение об ориентации, и каждое из них влияет на знак ответа. Этот урок проходит все три шага с той тщательностью, которой они заслуживают: ошибки в знаке ЭДС и в различении и — одни из самых частых в практике.
Магнитный поток
Магнитный поток
Поток индукции через ориентированную поверхность с единичной нормалью : Единица — вебер, . Поток — скаляр со знаком: смена направления нормали меняет знак .
Поверхность должна быть ориентирована: для поверхности, натянутой на замкнутый контур , направление и направление обхода связывают правилом правого винта (обход против часовой стрелки, если смотреть с конца ). Для однородного поля, перпендикулярного плоской площадке площади , ; в общем случае интеграл приходится вычислять — в лаборатории ниже это делается численной квадратурой.
Поток через контур не зависит от натянутой поверхности
Пусть и — две различные поверхности с одной и той же границей и нормалями, согласованными с обходом . Объединение и — замкнутая поверхность, причём на одной из них согласованная нормаль совпадает с внешней, а на другой — противоположна ей. По теореме Остроградского–Гаусса и : Следовательно, можно говорить о потоке, сцепленном с контуром: он один для всех поверхностей, опирающихся на этот контур. Для электрического смещения в области с зарядами такой независимости нет — там .
То же утверждение получается через векторный потенциал: по теореме Стокса и правая часть вообще не содержит поверхности. Для плоской задачи с контур — длинный прямоугольник глубиной с продольными сторонами в точках (ток «на нас») и (ток «от нас»): торцевые стороны лежат в плоскости и не дают вклада (), а продольные дают в согласии с результатом предыдущего урока. Для проводников конечного сечения усредняют по сечению каждого проводника. Плоская модель при этом игнорирует лобовые части обмотки — это надо помнить, сравнивая расчёт с измерением.
Потокосцепление обмотки
Обмотка из витков — это один длинный проводник, образующий почти замкнутых петель. ЭДС на её зажимах складывается из ЭДС отдельных витков, а каждая из них определяется потоком через свой виток. Поэтому естественная величина для обмотки — сумма потоков.
Потокосцепление
где — поток, сцепленный с -м витком (при одном и том же, согласованном с направлением тока, правиле ориентации для всех витков). Единица — вебер, как и у потока. Через векторный потенциал — интеграл по всему проводнику обмотки.
Приближение равных потоков
Если все витки сцеплены с одним и тем же потоком , то Это выполняется тогда и только тогда, когда через каждый виток проходят одни и те же линии индукции: витки одинаковы по форме и размеру, плотно уложены, а поле не имеет составляющих, замыкающихся между витками. Условия нарушаются при:
- рассеянии — часть линий поля замыкается, пройдя лишь через часть витков (длинная катушка в собственном поле, катушка на сердечнике с зазором);
- разных размерах витков — конические, многослойные и распределённые обмотки, где зависит от радиуса витка;
- большом шаге намотки, когда виток уже не является плоским контуром в однородном поле.
В этих случаях вводят эффективное число витков или считают прямым суммированием.
Коническая катушка в однородном поле
витков, радиусы растут от мм до мм с шагом 1 мм, однородное поле Тл вдоль оси. Поток витка , и где мм². Для сравнения: Вб — в 2,2 раза меньше; Вб — в 1,65 раза больше. Оценка по среднему радиусу 14,5 мм даёт Вб — на 3,8 % ниже точного значения, потому что . Для конической обмотки понятие «поток катушки» неоднозначно, а потокосцепление определено однозначно.
Закон электромагнитной индукции
Закон Фарадея для контура
ЭДС, индуцируемая в замкнутом контуре , равна взятой с обратным знаком скорости изменения сцепленного с ним потока: Соглашение об ориентации. Выбирается положительное направление обхода контура (для обмотки — положительное направление тока ). Нормаль к поверхности, через которую считается , берётся по правилу правого винта относительно этого обхода. ЭДС положительна, если она стремится создать ток в положительном направлении.
При таком соглашении знак «минус» выражает правило Ленца. Пусть поток растёт, . Тогда : ЭДС гонит ток против положительного направления обхода. Такой ток по правилу правого винта создаёт собственное поле, направленное против , то есть против нарастающего внешнего потока. Индуцированный ток препятствует изменению потока, которое его породило — вот содержание знака «минус», а не утверждение, что «ЭДС отрицательна».
Полезно разобраться и с другой записью, встречающейся в теории цепей: напряжение на индуктивности — со знаком плюс. Противоречия нет: — это напряжение, которое внешний источник должен приложить к катушке, чтобы преодолеть ЭДС самоиндукции, . Знак зависит от того, рассматриваем ли мы катушку как источник () или как приёмник (). В поле же — дифференциальная форма того же закона с тем же минусом.
Гармонический режим
ЭДС при синусоидальном потоке
Пусть одинаковых витков площади пронизываются однородным полем , нормальным к плоскости витков. Тогда и Амплитуда ЭДС ; ЭДС отстаёт по фазе от потокосцепления на четверть периода (в комплексной форме ). Действующее значение поскольку . Это «формула трансформаторной ЭДС».
Из неё видно, что ЭДС пропорциональна частоте и амплитуде потока, но не самому потоку в данный момент: в моменты, когда максимально, , а когда проходит через нуль, максимальна. Отсюда же следует связь между напряжением и индукцией в сердечнике трансформатора: при заданном напряжении и числе витков амплитуда потока фиксирована, и индукция определяется сечением.
Число витков трансформатора
Сердечник с сечением см² м², допустимая амплитуда индукции Тл, Гц, требуемое действующее напряжение обмотки В. Величина «вольт на виток» — удобный параметр сердечника: все обмотки на нём имеют одинаковую ЭДС на виток (если пренебречь рассеянием).
Виток в поле прямого провода
Прямоугольный контур длиной м лежит в одной плоскости с длинным проводом; ближняя сторона на расстоянии см, дальняя — см. Поле , поток При , А, Гц: Вб, мВ. Тот же поток получается как с — проверка формулы для плоских задач. Это простейшая модель наводки от силовой шины на соседнюю петлю.
Лаборатория
Лаборатория позволяет пройти всю цепочку от поля к ЭДС. Источник поля — либо однородное с задаваемыми модулем и направлением, либо поле кругового витка с током, вычисляемое аналитически через эллиптические интегралы. Поверхность интегрирования — диск, у которого меняются радиус, положение на оси и ориентация нормали; поток через него находится численной квадратурой. Обмотка задаётся числом витков , радиусом первого витка , шагом, конусностью (радиус растёт от витка к витку: ), положением и ориентацией оси. Выводятся в центре диска, поток через диск, потоки отдельных витков , потокосцепление , для сравнения и относительное отклонение. В гармоническом режиме всё поле умножается на (задаются частота и фаза , есть анимация); выводятся , амплитуда и действующее значение , строятся графики и за период; стрелка на обмотке показывает положительное направление обхода.
Открыть опыт: Поток и потокосцепление
Что проверить:
- Поверните нормаль диска на к однородному полю — поток обратится в нуль; на — сменит знак при той же величине.
- В поле кругового витка сравните поток через диск того же радиуса на оси и в стороне от неё: поле неоднородно, и .
- Задайте конусность обмотки и наблюдайте, как расходятся и ; отключите конусность — они совпадут.
- В гармоническом режиме убедитесь, что обращается в нуль в максимумах и достигает амплитуды при переходе через нуль. Разверните ось обмотки на (угол места вместо ) — положительное направление обхода сменится, и вместе с поменяют знак.
Поток, потокосцепление и индуктивность
Для контура в собственном поле пропорционально току (в линейной среде): , где — собственная индуктивность; для двух контуров — взаимная индуктивность. Через векторный потенциал ; для плоской обмотки с витками и глубиной при усреднении по сечениям прямого и обратного проводников Систематическое изложение этих величин — в уроке об интегральных величинах, расчётные формулы для многих конфигураций — в справочнике [Калантаров].
Распространённые заблуждения
- «Поток через катушку». Поток определён для поверхности, а не для тела. Выражение имеет смысл лишь после указания поверхности (или контура, на который она натянута). Для обмотки с рассеянием разные витки сцеплены с разными потоками, и единственная корректная величина — .
- «ЭДС пропорциональна потоку». ЭДС пропорциональна скорости изменения потокосцепления. Сильное постоянное поле не даёт ЭДС вовсе; слабое, но быстро меняющееся — даёт большую. Поэтому растёт с частотой.
- « всегда». Это приближение, верное для плотной обмотки одинаковых витков без рассеяния. Для конической катушки из примера ошибка превышает 100 %.
- Знак ЭДС. Минус в — утверждение о направлении относительно выбранного обхода, а не о том, что ЭДС «отрицательна». Без явного указания положительного направления обхода и нормали знак не определён. Напряжение на индуктивности — та же физика в другом соглашении.
- «Поток зависит от формы поверхности». Для поля — нет, в силу . Это позволяет выбирать поверхность, удобную для расчёта (например, плоскую), но нужно следить, чтобы её граница была в точности нужным контуром.
Вопросы и упражнения
- Квадратная рамка со стороной 20 см вращается с частотой 50 об/с в однородном поле Тл вокруг оси, лежащей в её плоскости перпендикулярно полю. Найдите для витков и амплитуду ЭДС.
- Цилиндрическая катушка радиуса из витков находится в однородном поле , направленном под углом к её оси. Запишите . Почему шаг намотки в этом случае не влияет на результат?
- Две концентрические обмотки на одном стержне без рассеяния: , . Поток мВб при Гц. Найдите действующие ЭДС обеих обмоток и их отношение.
- Обмотка намотана в два слоя: 20 витков радиуса 10 мм и 20 витков радиуса 12 мм в однородном осевом поле. Найдите , где — поток внутреннего витка.
- Докажите, что при изменении направления обхода контура на противоположное ЭДС меняет знак, а правило Ленца остаётся в силе.
- В плоской модели длиной две шины сечением с токами . Поясните, почему для вычисления нужно усреднять по сечению шины, а не брать значение в её центре, и в каком случае разница существенна.
1. с м², с⁻¹: Вб, В, В. 3. В; В; отношение — коэффициент трансформации. 4. , , вместо .Ответы к пунктам 1, 3 и 4
Итоги
- Магнитный поток определён для ориентированной поверхности; благодаря он одинаков для всех поверхностей с общей границей, и можно говорить о потоке, сцепленном с контуром: .
- Потокосцепление обмотки ; приближение верно лишь для одинаковых плотно уложенных витков без рассеяния.
- Закон Фарадея требует согласованной ориентации обхода и нормали; знак «минус» — это правило Ленца.
- В гармоническом режиме , ; ЭДС отстаёт от потокосцепления на и растёт с частотой.
- В плоских задачах потокосцепление вычисляется через разность в прямом и обратном проводниках.
Далее — магнитные цепи, насыщение и постоянные магниты: как свести расчёт потока в сердечнике с зазором к закону Ома для магнитной цепи и когда это допустимо.