Меню

Электромагнитные силы при переменном токе

Электромагнит переменного тока

Всем известно, что простейший электромагнит постоянного тока представляет собой соленоид с металлическим сердечником, по катушке которого пропущен электрический ток. Электромагнит переменного тока имеет существенные отличия, как в принципе действия, так и по другим параметрам.

Применение электромагнитов

Питание обмотки данного типа магнитов производится переменным током. Поскольку он является переменным, то направление и величина магнитного потока, также периодически изменяются. При этом, сила притяжения действует в одном направлении и изменяется только ее величина. Поэтому, происходит пульсация силы притяжения от нулевого до наивысшего значения, частота которой в два раза выше частоты питающего напряжения.

Электромагнит переменного тока

Для того, чтобы лучше понять разницу между двумя видами электромагнитов, следует рассматривать их в сравнении. Таким образом, можно наиболее точно определить целесообразность их применения в той или иной сфере.

При одинаковых сечениях полюсов, среднее значение силы при постоянном токе, в два раза больше, чем сила при переменном. Это касается всех конструкций, с различным количеством фаз. Иначе говоря, сталь, используемая в магните постоянного, дает эффект, в два раза больший, чем при питании от переменного.

Поэтому, при одинаковых параметрах хода якоря и силы тяги, электромагнит переменного тока имеет значительно больший вес, поскольку имеет место повышенный расход содержащихся в нем материалов. Здесь же следует учитывать и реактивную мощность, напрямую связанную со значением физической работы, которую должен выполнить электромагнит.

Особенности электромагнитов переменного тока

Быстродействие электромагнитов переменного напряжения существенно превышает аналоги постоянного. Это связано с тем, что постоянное значение времени магнита, совпадает со значением единичного полного периода тока. При этом, электродвижущая сила самоиндукции, которая возникает во время движения якоря, гораздо меньше, чем прилагаемое напряжение. Соответственно, при выполнении одной и той же работы, электромагнит потребляет меньшее количество электроэнергии.

Очень часто возникает необходимость принятия мер по предотвращению излишних потерь из-за вихревых токов. В связи с этим, при переменном, магнитопроводы изготавливаются в разрезном или шихтованном варианте. При этом, ухудшается процесс заполнения магнитопровода сталью, и все это вызывает отдельные технологические и конструктивные недостатки. Кроме того, при вихревых токах, увеличивается нагрев самого магнита.

Области применения таких электромагнитов самые различные. Самое главное условие – наличие переменного тока необходимой мощности и частоты. При соблюдении этих условий, электромагниты успешно используются в стационарных условиях промышленных предприятий.

Источник



Основные понятия про электромагниты

Существуют определенные природные материалы и объекты, которые сами по себе обладают магнитными свойствами. Их называют естественными магнитами. Примерами естественного магнитного материала могут служить железные руды, насыщенные магнитными свойствами. Примером же естественного магнитного объекта выступает наша с вами планета Земля.

Естественные, они же постоянные, магниты обладают высокой остаточной магнитной индукцией, что позволяет им сохранять магнитные свойства на протяжении длительного времени.

Однако, более широкое распространение в промышленности, медицине и других отраслях нашли электромагниты — электрические аппараты, в которых магнитным полем можно управлять. В электроэнергетике применяются, кроме прочего, в реле, выключателях, генераторах.

При определенных условиях магнитные поля способны создавать поля электрические. Верно и обратное утверждение. В этом и кроется суть электромагнитов.

Классификация электромагнитов

Принято классифицировать электромагниты (ЭМ) по способу питания на электромагниты постоянного и переменного тока. ЭМ постоянного тока в свою очередь классифицируются на постоянного тока нейтральные и поляризованные. Также существуют ЭМ выпрямленного тока.

В нейтральных электромагнитах постоянного тока магнитный поток создается обмоткой постоянного тока. Величина магнитного потока зависит лишь от обмотки, не зависит от направления. Если величина тока равна нулю, то магнитный поток и сила притяжения также опускаются практически до величины нуля.

Поляризованные ЭМ постоянного тока характеризуются наличием двух независимых магнитных потоков — рабочего и поляризующего. Поляризующий поток создается постоянными магнитами или электромагнитами. Рабочий же поток создается под действием намагничивающей силы рабочей обмотки. При отсутствии тока на якорь магнита будет действовать сила притяжения от поляризующего потока. В отличие от нейтральных, в поляризованных электромагнитах их действие зависит не только от величины рабочего потока но и от его направления.

В электромагнитах переменного тока обмотка питается от источника переменного тока. Величина и направление магнитного потока изменяется во времени от нуля до максимума.

Далее другие возможные классификации

  • с последовательными (мало витков большого сечения) и параллельными (много витков малого сечения) обмотками
  • работающие в длительном, кратковременном или прерывистом режимах
  • быстродействующие, замедленно действующие и нормально действующие
  • с внешним притягивающим якорем, со втягивающимся якорем, с внешним поперечно движущимся якорем
Читайте также:  Как рассчитать мощность тока в частном доме

Устройство электромагнитов

Несмотря на обширное, судя по описанной выше классификации, количество разнообразных вариантов электромагнитов, существуют определенные однотипные узлы, которые встречаются у всех ЭМ.

  • Катушка с расположенной на ней намагничивающей обмоткой
  • Подвижная часть электромагнита — якорь
  • Неподвижная часть — ярмо и сердечник

Между якорем и неподвижными частями существуют воздушные промежутки. Так вот, воздушные промежутки бывают полезными и паразитными. Полезные промежутки располагаются по возможному пути движения якоря. Паразитные промежутки лежат за пределами движения якоря.

Также существует понятие полюса. Полюсами называют поверхности магнитопровода, которые ограничивают полезный воздушный промежуток.

Конструктивные формы электромагнитов переменного тока не имеют множества вариантов, за счет того, что сердечник набирается из листов электротехнической стали. Это необходимо для борьбы с вихревыми токами.

Как работает электромагнит

Сам цикл работы ЭМ представляет собой следующую последовательность действий. Сначала в обмотку подается ток такой величины, при которой магнитные силы станут больше, чем силы удерживающие якорь в покое.

Далее произойдет отрыв якоря из состояния покоя и движение якоря в конечную точку полезного промежутка. Это первый этап.

На втором этапе якорь ЭМ подтянут и через него протекает ток. Как известно, ток создает термическое воздействие с течением времени. Поэтому время работы не должно превышать допустимое. На этом этапе сила тяги электромагнита максимальная.

Последний, Третий этап — аналогичен первому — ток уменьшается до нуля, магнитные силы становятся меньше сил, возвращающих якорь в состояние покоя, якорь отпадает. Далее электромагнит остывает.

Если характер его работы периодически повторяющийся, то за время до следующего цикла, ему необходимо успеть остыть.

Сравнение ЭМ постоянного и переменного тока

При выборе между электромагнитами на постоянном или переменном токе следует учитывать следующие особенности:

    Сила тяги. При одинаковом сечении полюсов средняя величина силы тяги в ЭМ на переменном токе (“ЭМ

тока”) будет вдвое меньше, чем в аналогичном на постоянном токе. То есть железо более эффективно используется в ЭМ на постоянном токе (“ЭМ = тока”)

  • Вес. Если же заданными константами являются сила тяги и ход якоря, то для получения электромагнита переменного тока потребуется вдвое больше железа и размеров, чем для ЭМ постоянного тока
  • Реактивная мощность. Если необходимо уменьшить потребляемую мощность “ЭМ = тока”, то достаточно увеличить его размеры. В случае же с “ЭМ

    тока” потребляемая при пуске реактивная мощность не может быть уменьшена путем увеличения размеров ЭМ
    Вихревые токи. В случае с “ЭМ

    тока” магнитопроводы выполняют шихтованными и разрезными для уменьшения влияния вихревых токов. Само же наличие потерь на вихревые токи и перемагничивание вызывает увеличение потребления электроэнергии и лишний нагрев. В случае же с “ЭМ = тока” данный пункт отсутствует

  • Быстродействие. Если взять ЭМ постоянного и переменного тока, то вторые будут более быстродействующие. Однако для “ЭМ = тока” внедряют специальные меры, которые могут сделать их более быстродействующими. При этом “ЭМ = тока” будут потреблять меньше энергии
  • Однако, в промышленности, вышеописанные недостатки “ЭМ

    тока” не вызывают особых препятствий на пути их использования.

    Сохраните в закладки или поделитесь с друзьями

    Источник

    Физика. 11 класс

    Конспект урока

    Физика, 11 класс

    Урок 8. Переменный электрический ток

    Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

    1) Свойства переменного тока;

    2) Понятия активного сопротивления, индуктивного и ёмкостного сопротивления;

    3) Особенности переменного электрического тока на участке цепи с резистором;

    4) Определение понятий: переменный электрический ток, активное сопротивление, индуктивное сопротивление, ёмкостное сопротивление.

    Глоссарий по теме

    Переменный электрический ток — это ток, периодически изменяющийся со временем.

    Сопротивление элемента электрической цепи (резистора), в котором происходит превращение электрической энергии во внутреннюю называют активным сопротивлением.

    Действующее значение силы переменного тока равно силе такого постоянного тока, при котором в проводнике выделяется то же количество теплоты, что и при переменном токе за то же время.

    Величину ХC, обратную произведению ωC циклической частоты на электрическую ёмкость конденсатора, называют ёмкостным сопротивлением.

    Величину ХL, равную произведению циклической частоты на индуктивность, называют индуктивным сопротивлением.

    Основная и дополнительная литература по теме урока:

    Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. Физика.11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2014. – С. 86 – 95.

    Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. — М.: Дрофа, 2014. – С. 128 – 132.

    Степанова. Г.Н. Сборник задач по физике. 10-11 класс. М., Просвещение 1999 г.

    Е.А. Марон, А.Е. Марон. Контрольные работы по физике. М., Просвещение, 2004

    Читайте также:  Что является химическим источником тока

    Основное содержание урока

    Сейчас невозможно представить себе нашу цивилизацию без электричества. Телевизоры, холодильники, компьютеры – вся бытовая техника работает на нем. Основным источником энергии является переменный ток.

    Электрический ток, питающий розетки в наших домах, является переменным А что это такое? Каковы его характеристики? Чем же переменный ток отличается от постоянного? Об этом мы поговорим на данном уроке.

    В известном опыте Фарадея при движении полосового магнита относительно катушки появлялся ток, что фиксировалось стрелкой гальванометра, соединенного с катушкой. Если магнит привести колебательное движение относительно катушки, то стрелка гальванометра будет отклоняться то в одну сторону, то в другую – в зависимости от направления движения магнита. Это означает, что возникающий в катушке ток меняет свое направление. Такой ток называют переменным.

    Электрический ток, периодически меняющийся со временем по модулю и направлению, называется переменным током.

    Переменный электрический ток представляет собой электромагнитные вынужденные колебания. Переменный ток в отличие от постоянного имеет период, амплитуду и частоту.

    Сила тока и напряжение меняются со временем по гармоническому закону, такой ток называется синусоидальным. В основном используется синусоидальный ток. Колебания тока можно наблюдать с помощью осциллографа.

    Если напряжение на концах цепи будет меняться по гармоническому закону, то и напряженность внутри проводника будет так же меняться гармонически. Эти гармонические изменения напряженности поля, в свою очередь вызывают гармонические колебания упорядоченного движения свободных частиц и, следовательно, гармонические колебания силы тока. При изменении напряжения на концах цепи, в ней с очень большой скоростью распространяется электрическое поле. Сила переменного тока практически во всех сечениях проводника одинакова потому, что время распространения электромагнитного поля превышает период колебаний.

    Рассмотрим процессы, происходящие в проводнике, включенном в цепь переменного тока. Сопротивление проводника, в котором происходит превращение электрической энергии во внутреннюю энергию, называют активным. При изменении напряжения на концах цепи по гармоническому закону, точно так же меняется напряженность электрического поля и в цепи появляется переменный ток.

    При наличии такого сопротивления колебания силы тока и напряжения совпадают по фазе в любой момент времени.

    𝒾 — мгновенное значение силы тока;

    m— амплитудное значение силы тока.

    – колебания напряжения на концах цепи.

    Колебания ЭДС индукции определяются формулами:

    При совпадении фазы колебаний силы тока и напряжения мгновенная мощность равна произведению мгновенных значений силы тока и напряжения. Среднее значение мощности равно половине произведения квадрата амплитуды силы тока и активного сопротивления.

    Часто к параметрам и характеристикам переменного тока относят действующие значения. Напряжение, ток или ЭДС, которая действует в цепи в каждый момент времени — мгновенное значение (помечают строчными буквами — і, u, e). Однако оценивать переменный ток, совершенную им работу, создаваемое тепло сложно рассчитывать по мгновенному значению, так как оно постоянно меняется. Поэтому применяют действующее, которое характеризует силу постоянного тока, выделяющего за время прохождения по проводнику столько же тепла, сколько это делает переменный.

    Действующее значение силы переменного тока равно силе такого постоянного тока, при котором в проводнике выделяется то же количество теплоты, что и при переменном токе за то же время.

    Um — амплитудное значение напряжения.

    Действующие значения силы тока и напряжения:

    Электрическая аппаратура в цепях переменного тока показывает именно действующие значения измеряемых величин.

    Конденсатор включенный в электрическую цепь оказывает сопротивление прохождению тока. Это сопротивление называют ёмкостным.

    Величину ХC, обратную произведению циклической частоты на электрическую ёмкость конденсатора, называют ёмкостным сопротивлением.

    Ёмкостное сопротивление не является постоянной величиной. Мы видим, что конденсатор оказывает бесконечно большое сопротивление постоянному току.

    Если включить в электрическую цепь катушку индуктивности, то она будет влиять на прохождение тока в цепи, т.е. оказывать сопротивление току. Это можно объяснить явлением самоиндукции.

    Величину ХL, равную произведению циклической частоты на индуктивность, называют индуктивным сопротивлением.

    Если частота равна нулю, то индуктивное сопротивление тоже равно нулю.

    При увеличении напряжения в цепи переменного тока сила тока будет увеличиваться так же, как и при постоянном токе. В цепи переменного тока содержащем активное сопротивление, конденсатор и катушка индуктивности будет оказываться сопротивление току. Сопротивление оказывает и катушка индуктивности, и конденсатор, и резистор. При расчёте общего сопротивления всё это надо учитывать. Основываясь на этом закон Ома для переменного тока формулируется следующим образом: значение тока в цепи переменного тока прямо пропорционально напряжению в цепи и обратно пропорционально полному сопротивлению цепи.

    Читайте также:  Общая сила тока при последовательном соединении находится

    Если цепь содержит активное сопротивление, катушку и конденсатор соединенные последовательно, то полное сопротивление равно

    Закон Ома для электрической цепи переменного тока записывается имеет вид:

    Преимущество применения переменного тока заключается в том, что он передаётся потребителю с меньшими потерями.

    В электрической цепи постоянного тока зная напряжение на зажимах потребителя и протекающий ток можем легко определить потребляемую мощность, умножив величину тока на напряжение. В цепи переменного тока мощность равна произведению напряжения на силу тока и на коэффициент мощности.

    Мощность цепи переменного тока

    Величина cosφ – называется коэффициентом мощности

    Коэффициент мощности показывает какая часть энергии преобразуется в другие виды. Коэффициент мощности находят с помощью фазометров. Уменьшение коэффициента мощности приводит к увеличению тепловых потерь. Для повышения коэффициента мощности электродвигателей параллельно им подключают конденсаторы. Конденсатор и катушка индуктивности в цепи переменного тока создают противоположные сдвиги фаз. При одновременном включении конденсатора и катушки индуктивности происходит взаимная компенсация сдвига фаз и повышение коэффициента мощности. Повышение коэффициента мощности является важной народнохозяйственной задачей.

    Разбор типовых тренировочных заданий

    1. Рамка вращается в однородном магнитном поле. ЭДС индукции, возникающая в рамке, изменяется по закону e=80 sin 25πt. Определите время одного оборота рамки.

    Дано: e=80 sin 25πt.

    Колебания ЭДС индукции в цепи переменного тока происходят по гармоническому закону

    Согласно данным нашей задачи:

    Время одного оборота, т.е. период связан с циклической частотой формулой:

    Подставляем числовые данные:

    2. Чему равна амплитуда силы тока в цепи переменного тока частотой 50 Гц, содержащей последовательно соединенные активное сопротивление 1 кОм и конденсатор емкости С = 1 мкФ, если действующее значение напряжения сети, к которой подключен участок цепи, равно 220 В?

    Напишем закон Ома для переменного тока:

    Для амплитудных значений силы тока и напряжения, мы можем записать Im=Um/Z?

    Полное сопротивление цепи равно:

    Подставляя числовые данные находим полное сопротивление Z≈3300 Ом. Так как действующее значение напряжения равно:

    то после вычислений получаем Im ≈0,09 Ом.

    2. Установите соответствие между физической величиной и прибором для измерения.

    Источник

    ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

    Широкое распространение имеют электромагниты, питание которых осуществляется от источников переменного тока.

    Магнитный поток, создаваемый обмоткой, по которой проходит переменный ток, периодически меняется по величине и направлению (переменный магнитный поток), в результате чего сила электромагнитного притяжения пульсирует от нуля до максимума с удвоенной частотой по отношению к частоте питающего тока. (В ряде случаев эта пульсация весьма полезна. Так, благодаря такой характеристике электромагниты переменного тока находят широкое применение в конструкциях вибраторов, электромагнитных молотков и т.д.).

    Однако для тяговых электромагнитов снижение электромагнитной силы ниже определенного уровня недопустимо, т.к. это приводит к вибрации якоря, а в определенных случаях и к прямому нарушению нормальной работы.

    Поэтому в тяговых электромагнитах, работающих при переменном магнитном потоке, приходится прибегать к специальным мерам для уменьшения глубины пульсации силы.

    Основным способом уменьшения пульсации суммарной силы, действующей на якорь электромагнита с переменным магнитным потоком, является применение магнитных систем с расщепленными путями магнитного потока, по каждому из которых проходят переменные магнитные потоки, сдвинутые по фазе друг относительно друга.

    (В электромагнитах, имеющих однофазную обмотку это достигается применением специальных экранирующих обмоток, которые иногда называют короткозамкнутыми витками. Кроме того, имеются двухфазные и трехфазные электромагниты).

    В последнее время благодаря появлению компактных экономичных полупроводниковых вентилей широкое распространение получают электромагниты переменного тока с встроенными выпрямителями.

    В этом случае магнитная система обтекается не переменным, а пульсирующим магнитным потоком, причем пульсация сглаживается за счет индуктивности обмотки электромагнита.

    Электромагниты переменного тока, так же как и электромагниты постоянного тока состоят из следующих основных частей: катушка, сердечник, якорь.

    Воздушные промежутки, в которых возникает полезная сила называются рабочими, воздушные промежутки, в которых не возникает усилия в направлении возможного перемещения якоря, являются паразитными.

    В зависимости от расположения якоря относительно остальных частей электромагнита различают электромагниты с втягивающимся якорем и электромагниты с внешним притягивающимся якорем.

    Для уменьшения потерь на вихревые токи и перемагничивание, магнитные системы электромагнитов переменного тока выполняют из тонколистовой стали с высоким удельным электрическим сопротивлением.

    ВИБРАЦИЯ ЯКОРЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

    По формуле Максвелла определяем тяговое усилие

    (Если поток выразить в веберах, площадь в м 2 , → сила будет выражена в ньютонах).

    Тяговое усилие изменяется по закону:

    Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

    Источник