Электромагнитная индукция и фазоры
Записать закон Фарадея в дифференциальной и интегральной форме. Ввести комплексные амплитуды и соглашение о временной зависимости. Различать мгновенные, амплитудные, действующие и средние величины
Предварительные понятия
Два языка переменного поля
До сих пор поля в курсе были неподвижны во времени: заряды покоились, токи не менялись. Стоит индукции начать изменяться — и электрическое поле перестаёт быть потенциальным: у него появляются замкнутые линии, циркуляция по контуру становится отличной от нуля, а разность потенциалов между двумя точками начинает зависеть от пути. Это и есть электромагнитная индукция, открытая Фарадеем и записанная Максвеллом в виде уравнения.
Второе, чисто математическое обстоятельство: в энергетике, электромеханике и индукционном нагреве подавляющее большинство процессов — гармонические, с одной частотой (50 Гц, 400 Гц, десятки килогерц). Для них все уравнения линейной теории поля можно освободить от времени, заменив производную умножением на число. Инструмент такой замены — комплексные амплитуды, или фазоры. Весь модуль о гармонических полях, включая вихревые токи и скин-эффект, написан на этом языке, поэтому соглашения о фазорах нужно усвоить до мелочей.
Закон электромагнитной индукции
Пусть — неподвижный замкнутый контур, — любая натянутая на него поверхность, — единичная нормаль к , согласованная с направлением обхода по правилу правого винта (см. поток и потокосцепление). Магнитный поток через : .
Закон Фарадея в интегральной форме
Циркуляция напряжённости электрического поля по неподвижному контуру равна взятой с обратным знаком скорости изменения магнитного потока через любую поверхность, опирающуюся на этот контур: Левая часть называется электродвижущей силой (ЭДС) контура, единица — вольт. Знак «минус» выражает правило Ленца: индуцированное поле стремится препятствовать изменению потока.
Так как контур неподвижен, производную по времени можно внести под знак интеграла. Применив теорему Стокса к левой части, получаем . Поверхность произвольна, значит, равны подынтегральные выражения.
Дифференциальная форма закона Фарадея
Переменное магнитное поле является источником вихрей электрического поля. В статике () получаем , и поле снова потенциально. Дифференциальная форма — локальное утверждение: она связывает величины в одной и той же точке и не требует никакого контура.
Для обмотки из витков, каждый из которых сцеплён с потоком , ЭДС складываются, и , где — потокосцепление. Условие согласованной ориентации (нормаль — по правому винту от направления обхода, в котором отсчитывается ) здесь обязательно: без него знак ЭДС лишён смысла.
ЭДС трансформаторная и ЭДС движения
Поток через контур может изменяться по двум причинам: меняется само поле при неподвижном контуре (трансформаторная ЭДС, именно её описывает ) или контур движется либо деформируется в постоянном поле (ЭДС движения, равная , где — скорость элемента контура). В общем случае движущегося контура полная ЭДС по-прежнему равна , если поток вычислять через поверхность, перемещающуюся вместе с контуром [Тамм]. В этом уроке и во всём модуле контуры неподвижны, и речь идёт только о трансформаторной ЭДС.
Гармонические процессы и комплексные амплитуды
Гармоническая величина задаётся тремя числами: амплитудой , угловой частотой и начальной фазой . В линейной системе, возбуждаемой на одной частоте, все величины имеют одну и ту же , поэтому для каждой из них достаточно хранить пару — то есть одно комплексное число.
Комплексная амплитуда (фазор)
Гармонической величине сопоставляется комплексное число Здесь — мнимая единица, . Модуль фазора — амплитудное значение, аргумент — начальная фаза. Это соглашение курса: фазоры амплитудные, а не действующие, и временной множитель — (а не , как в части физической литературы).
Два пояснения к определению. Мнимую единицу в электротехнике обозначают , а не , потому что буква занята мгновенным током ; это соглашение закреплено в глоссарии. Выбор амплитудных, а не действующих фазоров важен тем, что все формулы для мощности и энергии приобретают множитель , о чём ниже; в литературе по электрическим цепям [Демирчян] фазоры чаще действующие, поэтому при сопоставлении формул проверяйте соглашение.
Определение распространяется на векторные поля покомпонентно: , где — комплексный вектор, каждая декартова компонента которого есть фазор. Фазы компонент могут быть разными: тогда конец вектора описывает в пространстве эллипс, а не отрезок.
Дифференцирование и интегрирование фазоров
Доказательство — прямое дифференцирование: операции и линейны и перестановочны, а . Умножение на поворачивает фазор на : производная опережает исходную величину на четверть периода, интеграл отстаёт.
Поэтому закон Фарадея для гармонических полей читается без времени: , а ЭДС обмотки — . Любое линейное уравнение с постоянными коэффициентами переводится на язык фазоров заменой ; обратный переход — умножение на и взятие вещественной части.
Переход оправдан только для линейных операций: сложения, умножения на вещественную константу, дифференцирования. Произведение двух гармонических величин уже не гармоническое (оно содержит постоянную составляющую и вторую гармонику), поэтому мощность и энергию через фазоры вычисляют особым образом (см. ниже). К нелинейным системам — например, к насыщенному сердечнику — фазоры применимы лишь приближённо, по первой гармонике.
Фазорная диаграмма
Фазор изображают стрелкой на комплексной плоскости: длина — амплитуда, угол с вещественной осью — начальная фаза. Мгновенное значение — это проекция на вещественную ось стрелки, повёрнутой на угол ; удобно считать, что все стрелки диаграммы вращаются с одной угловой скоростью против часовой стрелки, а мы смотрим на «остановленный» кадр при . Сложение гармонических величин одной частоты — это сложение стрелок по правилу параллелограмма; сдвиг на — поворот. Диаграмма позволяет решать задачу о фазах «на глаз»: например, сразу видно, что ЭДС отстаёт от потокосцепления на .
Мгновенные, амплитудные, действующие и средние значения
Действующее значение
Действующим (среднеквадратичным) значением периодической величины с периодом называют Для гармонической величины . Заявленные изготовителем напряжения и токи («220 В», «10 А») — действующие значения; амплитуда сетевого напряжения 220 В равна В.
Действующее значение — это такое постоянное значение тока, которое выделяет в сопротивлении ту же среднюю мощность: . Отсюда и его роль в расчётах потерь.
Средняя мощность через фазоры
Пусть , , где , — амплитудные фазоры. Мгновенная мощность Второе слагаемое колеблется с удвоенной частотой и за период даёт нуль. Средняя (активная) мощность где звёздочка — комплексное сопряжение. Если бы фазоры были действующими, , , множитель исчез бы: . В курсе фазоры амплитудные, поэтому во всех формулах для средней мощности и средней энергии стоит множитель .
Та же конструкция даёт комплексную мощность , где — реактивная мощность, а — полная. Для полей: средняя объёмная плотность потерь Джоуля , средняя плотность энергии магнитного поля в линейной среде . Общее правило: среднее за период от произведения двух гармонических величин равно половине вещественной части произведения фазора одной на сопряжённый фазор другой.
| Величина | Определение | Связь для синусоиды |
|---|---|---|
| Мгновенное значение | функция времени | |
| Амплитуда | наибольшее значение | |
| Действующее значение | среднеквадратичное | |
| Среднее значение | ||
| Средняя мощность |
Пример: ЭДС катушки в переменном поле
ЭДС и действующее напряжение обмотки
Катушка из витков охватывает поток , одинаковый для всех витков, так что . При согласованной ориентации В фазорах: (вещественный, фаза нуль), . ЭДС отстаёт от потока на : когда поток максимален, его скорость изменения — и ЭДС — равна нулю. Амплитуда , действующее значение Это формула трансформаторной ЭДС, по которой рассчитывают число витков обмоток. Числа: Гц, , сечение сердечника см² м², Тл, тогда Вб, В, В; проверка по формуле В.
Трансформатор на холостом ходу
Если к первичной обмотке ( витков) приложено напряжение , а сопротивлением обмотки можно пренебречь, то напряжение уравновешивает ЭДС: . Отсюда : поток отстаёт от напряжения на , а его амплитуда задаётся напряжением и частотой, а не током — ток холостого хода лишь таков, каков нужен для создания этого потока по кривой намагничивания сердечника. Во вторичной обмотке при той же ориентации, поэтому — напряжения синфазны (или противофазны при обратной ориентации витков), а их отношение равно отношению чисел витков [Бессонов].
Распространённые заблуждения
- Сложение действующих значений. Если и сдвинуты по фазе, действующее значение суммы не равно сумме действующих значений. Складывать можно только фазоры (как комплексные числа) или мгновенные значения; действующее значение берётся у результата.
- Фазор — «вектор в пространстве». Фазор — комплексное число, изображающее фазу и амплитуду скалярной функции времени. Стрелка на фазорной диаграмме ничего не говорит о направлении поля в пространстве. У векторного поля три компоненты, и у каждой свой фазор.
- Пропущенная половина. Запись верна только для действующих фазоров. С амплитудными фазорами курса она завышает мощность вдвое. Ту же ошибку делают, записывая плотность потерь как вместо .
- Смена знака временной зависимости. При соглашении производная переходит в , индуктивное сопротивление становится отрицательным, а знак глубинного фазового сдвига в скин-эффекте меняется. Смешивать источники с разными соглашениями нельзя без пересчёта.
- Фазоры для нелинейных процессов. Если ток содержит высшие гармоники (насыщение), один фазор его не описывает; формулы вида дают лишь мощность первой гармоники.
Вопросы и упражнения
- Ток А. Запишите фазор и фазор производной ; найдите амплитуду и фазу производной. Чему равно действующее значение тока?
- Два тока одной частоты: А и А, текут в одном проводнике. Найдите амплитуду и действующее значение суммарного тока. Сравните с «арифметической» суммой действующих значений и объясните расхождение.
- Обмотка из витков, мВб, Гц. Найдите амплитудное и действующее значения ЭДС. Как они изменятся при Гц и том же ?
- В, А (амплитудные фазоры). Найдите активную, реактивную и полную мощность. Отстаёт ток от напряжения или опережает?
- Покажите, что среднее за время произведения двух гармонических величин разных частот равно нулю. Что это означает для потерь от двух гармоник тока в одном сопротивлении?
- В области с переменным взяты две точки и . Используя интегральный закон Фарадея, объясните, почему показание вольтметра, подключённого к этим точкам, зависит от того, как проложены его провода.
1. А; производная А/с — амплитуда 1570 А/с, фаза . Действующее значение А. 2. А: амплитуда А, действующее значение А. Сумма действующих значений А неверна: токи сдвинуты на четверть периода и их максимумы не совпадают. 4. Вт, вар, В·А. Фаза тока меньше фазы напряжения : ток отстаёт (индуктивный характер нагрузки).Ответы к пунктам 1, 2 и 4
Итоги
- Закон Фарадея: локально и для неподвижного контура; ЭДС обмотки при согласованной ориентации.
- Фазор задаёт гармоническую величину ; в курсе фазоры амплитудные, временная зависимость , мнимая единица — .
- Производная по времени переходит в умножение на (поворот на ); закон Фарадея для гармонических полей: .
- Действующее значение ; средняя мощность с амплитудными фазорами (и с действующими); среднее от произведения — половина вещественной части произведения на сопряжённый фазор.
- ЭДС отстаёт от потока на ; .
Далее — вихревые токи, скин-эффект и потери: как переменное поле проникает в проводник и почему оно там быстро затухает.