plik


Z. Kkol-Notatki do WykBadu z Fizyki WykBad 23 23. Indukcja elektromagnetyczna, energia pola magnetycznego 23.1 Indukcyjno[ 23.1.1 Transformator Gdy dwie cewki s nawinite na tym samym rdzeniu (czsto jedna na drugiej) to prd zmienny w jednej wywoBuje SEM indukcji w drugiej. N1 - liczba zwojw w cewce pierwotnej, N2 - liczba zwojw w cewce wtrnej dB U2 = -N2 d t oraz dB U1 = -N1 d t Stosunek napi U N2 2 = (23.1) U1 N1 Wida, |e regulujc ilo[ zwojw w cewkach mo|emy zamienia maBe napicia na du|e i odwrotnie. PrzykBad 1 Obliczmy straty mocy w linii przesyBowej o oporze 10 &! przesyBanej z generatora 10 MW gdy napicie wynosi 1.5104 oraz 105 V. P = IU Pstrat = I2 R = (P/U)2 R Pstrat1 = 4.4 MW (44%) Pstrat2 = 0.1 MW (1%) 23.1.2 Indukcyjno[ wBasna Gdy nat|enie prdu przepBywajcego przez cewk zmienia si to zmienia si te| strumieD przez ka|dy zwj tej cewki wic zgodnie z prawem indukcji Faradaya induku- je si SEM. T siB elektromotoryczn nazywamy siB elektromotoryczn samoindukcji. d  = -N (23.2) d t Wielko[ N jest caBkowitym strumieniem zawartym w obwodzie i nosi nazw strumie- nia skojarzonego. StrumieD skojarzony jest proporcjonalny do prdu pByncego przez cewk. N = LI (23.3) 23-1 Z. Kkol-Notatki do WykBadu z Fizyki StaBa proporcjonalno[ci L = N/I (23.4) nazywana jest indukcyjno[ci. Zr|niczkowanie(po czasie) rwnania (23.3) daje d d I N = L d t d t Std d I  = -L (23.5) d t Jednostk L jest henr. 1 H = 1 Vs/A Jako przykBad obliczmy indukcyjno[ cewki o dBugo[ci l0 i N zwojach. StrumieD przez ka|dy zwj wynosi  = BS gdzie B dla cewki wynosi B = 0nI = 0I(N/l0) Zatem NS  = 0 I l0 Indukcyjno[ L otrzymujemy mno|c strumieD przez N/I 2 N S L = 0 (23.6) l0 Zauwa|my, |e L zale|y tylko od geometrii. 23.1.3 Indukcja wzajemna Omawiajc transformator pokazywali[my, |e dwie cewki mog oddziaBywa na sie- bie. Prd zmienny w jednej wywoBywaB SEM w drugiej. Tym razem strumieD przecho- dzcy przez cewk 2 jest proporcjonalny do prdu pByncego przez cewk 1. N221 = M21I1 StaB proporcjonalno[ci M21 nazywamy indukcj wzajemn. R|niczkujc to rwnanie otrzymujemy d21 d I1 N2 = M 21 d t d t Std 23-2 Z. Kkol-Notatki do WykBadu z Fizyki d I1  = -M 2 21 d t Je|eli zmieniamy prd I2 to analogicznie d I2 1 = -M12 d t Mo|na pokaza (ale w skomplikowany sposb), |e M12 = M21 = M Podobnie jak L tak samo M zale|y tylko od geometrii ukBadu. 23.2 Obwody RC i RL, staBe czasowe Zaczniemy teraz zajmowa si prdami zmieniajcymi si w czasie. 23.2.1 Obwd RC Rozpatrzmy jaki prd popBynie w obwodzie po zamkniciu wyBcznika do pozy- cji (a). R a b  C Korzystamy z prawa Kirchoffa. q  = IR + (23.7) C W rwnaniu tym s dwie niewiadome I oraz q. Ale mo|emy skorzysta ze zwizku I = dq/dt. Otrzymujemy rwnanie r|niczkowe dq q  = R + dt C Szukamy rozwizania q(t). Ma ono posta q = C(1- e-t / RC ) (23.8) 23-3 Z. Kkol-Notatki do WykBadu z Fizyki Mo|emy sprawdzi czy funkcja ta jest rozwizaniem rwnania r|niczkowego poprzez jej podstawienie do tego rwnania. Prd obliczamy r|niczkujc dq/dt dq  I = = e-t / RC dt R Rysunki przedstawiaj zale|no[ q(t) oraz I(t). C I q /R t t Je|eli teraz przeBczymy wyBcznik do pozycji (b) to bdziemy rozBadowywa konden- sator. Teraz w obwodzie nie ma  i prawo Kirchoffa przyjmuje posta q d q q IR + = 0 czyli R + = 0 C d t C Rozwizanie ma posta q = q0e-t / RC (23.9) gdzie q0 jest Badunkiem pocztkowym na kondensatorze. Nat|enie prdu przy rozBadowaniu wynosi d q q0 I = = - e-t / RC d t RC W rwnaniach opisujcych Badowanie i rozBadowanie kondensatora wielko[ RC ma wymiar czasu i jest nazywana staB czasow obwodu. Opisuje ona fakt, |e Badunek na kondensatorze nie osiga od razu warto[ci koDcowej lecz zbli|a si do niej wykBadni- czo. Podobnie przy rozBadowaniu. 23.2.2 Obwd RL Analogicznie opznienie w narastaniu i zanikaniu prdu pojawia si w obwodzie RL przy wBczaniu lub wyBczaniu zrdBa SEM. 23-4 Z. Kkol-Notatki do WykBadu z Fizyki R a b  L Gdyby nie byBo cewki prd osignBby natychmiast warto[ /R. Dziki cewce w obwo- dzie pojawia si dodatkowo SEM samoindukcji L, ktra zgodnie z reguB Lenza prze- ciwdziaBa wzrostowi prdu (po wBczeniu) co oznacza, |e jej zwrot jest przeciwny do . Z prawa Kirchoffa otrzymujemy d I  - IR - L = 0 (23.10) d t Poszukujemy rozwizania tego rwnania r|niczkowego w postaci I(t). Ma ono posta  I = (1- e-Rt / L ) (23.11) R Sprawdzamy poprzez podstawienie do rwnania. Napicie na oporniku i cewce pokaza- ne jest na rysunkach poni|ej.  V L V R  t t Narastanie prdu w obwodzie jest opisane staB czasow L = L/R. Je|eli przeBcznik ustawimy w pozycji (b) to wyBczmy zrdBo SEM i otrzymamy d I L + IR = 0 (23.12) d t z rozwizaniem  I = e-Rt / L (23.12) R 23-5 Z. Kkol-Notatki do WykBadu z Fizyki 23.3 Energia, a pole magnetyczne PozostaDmy przy obwodzie RL. Z prawa Kirchoffa otrzymali[my d I  = IR + L d t Mno|c to rwnanie przez I dostajemy d I 2 I = I R + LI d t Interpretacja tego rwnania z punktu widzenia pracy i energii jest nastpujca: " lewa strona rwnania przedstawia szybko[ (moc = I tj dq/dt) z jak zrdBo prze- kazuje do obwodu energi q. " pierwszy wyraz po prawej stronie to szybko[ (moc) wydzielania ciepBa na oporze R. " drugi wyraz po prawej stronie to szybko[ z jak energia gromadzi si w polu ma- gnetycznym. To ostatnie mo|emy zapisa jako dWB dI = LI d t dt czyli dWB = LIdI Po scaBkowaniu otrzymujemy 1 2 WB = LIdI = LI (23.13) B +"dW = +" 2 Rwnanie okre[la caBkowit energi magnetyczn zawart w cewce o indukcyjno[ci L przez, ktr pBynie prd I. Porwnajmy to z energi naBadowanego kondensatora 1 q2 WC = (23.14) 2 C 23.4 Gsto[ energii a pole magnetyczne Rozpatrzmy solenoid o dBugo[ci l i powierzchni przekroju S czyli o objto[ci lS. Tak wic gsto[ energii 23-6 Z. Kkol-Notatki do WykBadu z Fizyki WB wB = lS Poniewa| 1 2 WB = LI 2 wic 2 1 LI wB = 2 lS Przypomnijmy, |e 2 N S N L = 0 oraz B = 0In = 0I l l co w poBczeniu daje wyra|enie 1 B2 wB = (23.15) 2 0 opisujce gsto[ energii zawartej w ka|dym punkcie przestrzeni w ktrej jest indukcja magnetyczna B. PrzykBad 2 DBugi koncentryczny kabel skBada si z cylindrycznych przewodnikw o promieniach a i b. Obliczmy energi zawart w polu magnetycznym kabla na odcinku o dBugo[ci l0 oraz jego indukcyjno[. dr b r + a - Stosujc prawo Ampera dla przestrzeni pomidzy cylindrami otrzymamy 2rB = 0I czyli 0I B = 2r Gsto[ energii w punktach pomidzy przewodami 23-7 Z. Kkol-Notatki do WykBadu z Fizyki 2 2 0I 0I 1 B2 1 wB = = = 2 2 2 0 20 2r 8 r Rozpatrzmy teraz cienk (dr) warstewk pomidzy cylindrami. Objto[ tej warstewki wynosi: dV = 2rdrl0 dla odcinka kabla o dBugo[ci l0. Energia w tej objto[ci wynosi wic 2 2 0I 0I l0 d r dW = wB dV = 2r d rl0 = 2 2 8 r 4 r Sumujc (caBkujc) po caBej objto[ci obliczamy caBkowit energi W 2 2 0I l0 b 0I l0 b d r W = = = ln +"dW 4 +" r 4 a a Indukcyjno[ znajdziemy z zale|no[ci 1 2U 2 U = LI czyli L = 2 2 I 0l0 b L = ln 2 a L zale|y tylko od czynnikw geometrycznych. 23-8

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Sieci komputerowe wyklady dr Furtak
Wykład 05 Opadanie i fluidyzacja
WYKŁAD 1 Wprowadzenie do biotechnologii farmaceutycznej
mo3 wykladyJJ
ZARZĄDZANIE WARTOŚCIĄ PRZEDSIĘBIORSTWA Z DNIA 26 MARZEC 2011 WYKŁAD NR 3
Wyklad 2 PNOP 08 9 zaoczne
Wyklad studport 8
Kryptografia wyklad
Budownictwo Ogolne II zaoczne wyklad 13 ppoz
wyklad09
Sporzadzanie rachunku przepływów pienieżnych wykład 1 i 2
fcs wyklad 5
Wyklad08 Zaopatrz wWode
Wyklad3

więcej podobnych podstron