Электромагнетизм и электромагнитная индукция

Магнитное поле электрического тока. Электрический ток возбуждает в окружающем его пространстве магнитное поле. Основной величиной, характеризующей магнитное поле в любой его точке, является магнитная индукция.

Один и тот же контур с током создает магнитные поля с различной интенсивностью в зависимости от среды.

 

· Единицы магнитных величин

Напряженность магнитного поля Н измеряется в амперах на метр А/м. Один ампер на метр - это напряженность магнитного поля, возбужденного током 12,566 А прямого, бесконечно длинного проводника на расстоянии 2 М от его оси.

Магнитный поток Ф измеряется в веберах (Вб). Одному веберу равен магнитный поток, при убывании которого до нуля за одну секунду в контуре, возникает ЭДС индукции, равная одному вольту Вб = В·с

Магнитная индукция - в теслах (Тл). 1 тесла - это индукция такого равномерного магнитного поля, в котором магнитный поток через площадь в 1 м² равен одному веберу Тл = Вб/м².

Абсолютная магнитная проницаемость m и магнитная постоянная m_o измеряется в Ом·секундах на метр. m=В/н, то абсолютная магнитная проницаемость в

Индуктивность в генри (Гн).

В контуре с током 1 А создается сцепленный с этим контуром поток в 1 Вебер

Гн = Вб/А = В·с/А = Ом·с

 

· Виды сопротивлений в электрической цепи переменного тока

В цепях постоянного тока все проводники обладают электрическим сопротивлением, на преодоление которого затрачивается определенное количество электрической энергии. В цепях переменного тока имеют место и другие виды сопротивлений, различающиеся своей физической природой. Эти сопротивления можно разделить на две основные группы: активные и реактивные.

В активных сопротивлениях при включении в цепь переменного тока электрическая энергия преобразуется в другой вид (теплоту).

Активным сопротивлением обладают провода электрических линий, обмотки электрических машин и аппаратов, т.е. те же элементы, которые имеют и омическое сопротивление.

В реактивных сопротивлениях электрическая энергия, вырабатываемая источниками, не расходуется. При включении в цепь переменного тока индуктивности изменяющийся ток индуктирует в ней э.д.с. самоиндукции и возникает процесс передачи энергии в индуктивность и обратно.

Следует отметить, что катушки индуктивности потребляют некоторую энергию от источника переменного тока из-за наличия активного сопротивления проводов, из которых выполнена эта катушка. Эта энергия превращается затем в тепловую. Катушки трансформаторов, обмотки электрических машин при прохождении по ним электрического тока нагреваются и выделяют тепло в окружающее пространство. Поэтому такие электроустановки стараются интенсивно охлаждать воздухом, маслом и т.д.

Включенный в цепь переменного тока конденсатор также относится к реактивной нагрузке. Он как и индуктивность не потребляет электроэнергии от источника. Если в цепи постоянного тока зарядится одна пластина положительно, то при полной зарядке цепь разорвется и ток по цепи не пойдет.

В цепях переменного тока емкость заряжается то положительной волной полупериода, то отрицательной и чем выше частота тем большее прохождение тока. При включении в цепь переменного тока емкости ток опережает по фазе напряжение на угол 90 или же, что напряжение отстает по фазе от тока на угол 90. Следует так же отметить, что в конденсаторах возникают потери мощности, вследствие чего они потребляют от источника некоторую электрическую энергию, это вызвано тем, что в диэлектрике под действием переменного электрического поля возникают токи, нагревающие диэлектрик. При стандартной частоте 50 Гц, используемой в промышленных электрических сетях переменного тока, потери в конденсаторах настолько малы, что их обычно не учитывают.

 

· Коэффициент мощности

Приемник подключенный к источнику переменного тока отбирает от источника активную и реактивную мощности. В переменных цепях в некоторые моменты времени ток и напряжение имеют разный знак и мощность принимает отрицательное значение. Эти означает, что в такие периоды времени приемник электрической энергии, например двигатель переменного тока, возвращает часть полученной электроэнергии обратно источнику, в результате уменьшается средняя мощность, передаваемая от источника к приемнику.

Средняя мощность, которая поступает от источника к приемнику на переменном токе будет:

P = P_cp = U  I cos j

Эту величину и называют мощностью переменного тока или активной мощностью.

А для оценки величины реактивной мощности пользуются её максимальным значением, которая равна:

Q = U хI хsin j

Активная мощность измеряется в ваттах (Вт) или киловаттах (кВт), реактивная - в вольт-амперах реактивных (Вар) или киловольт-амперах (кВар). Реактивная мощность в цепи переменного тока возникает только при включении в эту цепь накопителей энергии, таких как индуктивность или емкость.

Циркуляция реактивной мощности от источника к приемникам загружает генераторы переменного тока и электрические сети реактивными токами, не создающими полезной работы и тем самым не дает возможности использовать их для выработки и передачи потребителям активной мощности. Поэтому в производственных условиях стремятся по возможности уменьшить величину реактивной мощности.

Каждый генератор и трансформатор может длительно отдавать только вполне определенную мощность, зависящую от номинального тока и номинального напряжения. Произведение действующих значений тока и напряжения носит название полной мощности.

S = U х I

Полную мощность измеряют в вольт-амперах (ВА) или киловольт-амперах (кВа).

Активная мощность зависит не только от силы тока и напряжения, но и от cos j и поэтому cos j называют коэффициентом мощности.

cos j = (P/U)хI = P/S = P / Ö (P² + Q²)

По величине cos j можно судить о степени использования мощности источника электрической энергии данным приемником или электрической цепью. При повышении cos j уменьшается сила тока в цепи, снижаются потери мощности в проводах и обеспечивается возможность дополнительной загрузки источника и электрической сети, т.е. лучшего их использования.

На всех предприятиях и во всех отраслях народного хозяйства стремятся повышать коэффициент мощности.

Величина коэффициента мощности электрических установок переменного тока различна. Для осветительной сети коэффициент мощности принимают за единицу. В двигателях переменного тока эта величина зависит от нагрузки. При номинальной расчетной нагрузке двигателя коэффициент мощности обычно равен 0.8 - 0.9, а у крупных двигателей коэффициент мощности резко снижается (на холостом ходу до 0.25 - 0.3).

Повышение значения cos j достигают различными способами. Основной из них - включение параллельно приемникам электрической энергии специальных устройств, называемых компенсаторами. В качестве компенсаторов чаще всего используют конденсаторы (статические), но могут быть применены также синхронные электрические машины (вращающиеся компенсаторы).

При включении компенсатора источник и электрическая сеть разгружаются от реактивной энергии. В результате этого достигается существенное повышение использования генераторов переменного тока и электрических сетей и уменьшение потерь энергии.