Основы электронной техники (стр. 9 )

Рис. 7.4. Два проводника с одинаковыми направлениями токов (а) и их резуль­тирующее магнитное поле (6, в).

2. Направления токов в проводниках противоположны. На рис. 7.5(а) показаны магнитные поля для каждого проводника по отдельности. В этом случае в промежутке между проводниками их поля суммируются и здесь результирующее поле (рис. 7.5(б)) максимально.

Рис. 7.5. Два проводника с проти­воположными направлениями токов (а) и их результирующее магнитное поле (б).

Рис. 7.6. Магнитное поле солено­ида.

Магнитное поле соленоида

Соленоид – это цилиндрическая катушка, состоящая из большого числа витков проволоки (рис. 7.6). Когда по виткам соленоида протекает ток, соленоид ведет себя как полосовой магнит с северным и южным полюсами. Создаваемое им магнитное поло ничем не отличается от ноля постоянного магнита. Магнитное поле внутри соленоида можно усилить, намотав катушку на магнитный сердечник из стали, железа или друго­го магнитного материала. Напряженность (величина) магнитного поля соленоида зависит также от силы пропускаемого электрического тока и числа витков.

Электромагнит

Соленоид можно использовать в качестве электромагнита, при этом сер­дечник делается из магнитомягкого материала, например ковкого желе­за. Соленоид ведет себя как магнит только в том случае, когда через катушку протекает электрический ток. Электромагниты применяются в электрических звонках и реле.

Проводник в магнитном поле

На рис. 7.7 изображен проводник с током, помещенный в магнитное поле. Видно, что магнитное поле этого проводника складывается с магнитным полем постоянного магнита в зоне выше проводника и вычитается в зоне ниже проводника. Таким образом, более сильное магнитное поле нахо­дится выше проводника, а более слабое — ниже (рис. 7.8).

Если изменить направление тока в проводнике на обратное, то форма магнитного поля останется прежней, но его величина будет больше под проводником.

Магнитное поле, ток и движение

Если проводник с током поместить в магнитное поле, то на него будет действовать сила, которая пытается передвинуть проводник из области более сильного поля в область более слабого, как показано на рис. 7.8. Направление этой силы зависит от направления тока, а также от направления магнитного ноля.

Рис. 7.7. Проводник с током в магнитном поле.

Рис. 7.8. Результирующее поле-

Величина силы, действующей на проводник с током, определяется как величиной магнитного поля, так и силой гика, протекающего через этот проводник.

Движение проводника, помещенного в магнитное поле, при пропуска­нии через него тока называется принципом двигателя. На этом принципе основана работа электродвигателей, магнитоэлектрических измеритель­ных приборов с подвижной катушкой и других устройств. Если провод ник перемещать в магнитном поле, в нем генерируется ток. Это явление называется принципом генератора. На этом принципе основана работа генераторов постоянного и переменного тока.

Индуцированная ЭДС

До сих пор рассматривалось магнитное поле, связанное только с постоян­ным электрическим током. В этом случае направление магнитного поля неизменно и определяется направлением постоянного дока. При проте­кании переменного тока создается переменное магнитное поле. Если от­дельную катушку поместить в это переменное поле, то в ней будет ин­дуцироваться (наводиться) ЭДС (напряжение). Или если две отдельные катушки расположить в непосредственной близости друг к другу, как показано на рис. 7.9. и приложить переменное напряжение к одной об­мотке (W1), то между выводами второй обмотки (W2) будет возникать новое переменное напряжение (индуцированная ЭДС). Это принцип ра­боты трансформатора.

Рис. 7.9. Индуцированная ЭДС.

Трансформатор

Трансформатор состоит из двух отдельных обмоток, называемых первич­ной и вторичной обмотками. Входное напряжение переменного тока при­кладывается к первичной обмотке и создает изменяющееся магнитное по­ле. Это магнитное поле взаимодействует со вторичной обмоткой, инду­цируя в ней напряжение переменного тока (точнее, ЭДС). Напряжение, индуцируемое во вторичной обмотке, имеет ту же частоту, что и входное напряжение, но его амплитуда определяется соотношением числа витков вторичной и первичной обмоток.

Если входное напряжение на выводах первичной обмотки = V1

выходное напряжение на выводах вторичной обмотки = V2

число витков первичной обмотки = T1

число витков вторичной обмотки = T2

то

Кроме того, I1/ I2 = T1/ T2, где I1 и I2 – токи первичной и вторичной обмоток соответственно.

Коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора

Приведенные выше соотношения предполагают, что трансформатор имеет 100%-ный КПД, т. е. полностью отсутствуют какие-либо потери мощно­сти. Следовательно,

Входная мощность I1·V1 = Выходная мощность I2·V2.

На практике трансформаторы имеют КПД около 96-99%. Для увели­чения КПД трансформатора его первичная и вторичная обмотки наматы­ваются на одном магнитном сердечнике (рис. 7.10).

Повышающий и понижающий трансформаторы

Повышающий трансформатор вырабатывает на выходе (во вторичной об­мотке) более высокое напряжение, чем приложено на входе (к первичной обмотке). Для этого число витков вторичной обмотки делается больше числа витков первичной обмотки.

Понижающий трансформатор вырабатывает на своем выходе меньшее напряжение, чем на входе, поскольку его вторичная обмотка имеет мень­шее число витков по сравнению с первичной.

Коэффициент приведения сопротивления

Трансформатор, изображенный на рис. 7.11, имеет в цепи вторичной об­мотки нагрузочный резистор r2. Сопротивление r2 можно пересчитать или, как говорят, привести к первичной обмотке, т. е. к сопротивле­нию трансформатора r1 со стороны первичной обмотки. Отношение r1/ r2 называется коэффициентом приведения сопротивления. Этот коэффи­циент можно рассчитать следующим образом. Поскольку r1 = V1 / I1 и r2 = V2 / I2, то

Рис. 7.10. Трансформатор.

Рис. 7.11. Коэффициент приведе­ния

сопротивления

r1/ r2 = Т12/ Т22 = n2.

Рис. 7.12. Автотрансформатор.

Рис. 7.13. Автотрансформатор с не­сколькими отводами.

Но V1 / V2 = T1 / T2 = n и I2 / I1 = T1 / T2 = n, поэтому

r1 / r2 = n2

Например, если сопротивление нагрузки r2 = 100 Ом и отношение чи­сла витков обмоток (коэффициент трансформации) T1 / T2 = п = 2 : 1, то со стороны первичной обмотки трансформатор можно рассматривать как резистор с сопротивлением r1 = 100 Ом · 22 = 100 · 4 = 400 Ом.

Автотрансформатор

Трансформатор может иметь одну-единственную обмотку с одним отво­дом от части витков этой обмотки, как показано на рис. 7.12. Здесь T1 — число витков первичной обмотки и T2 — число витков вторичной обмотки. Напряжения, токи, сопротивления и коэффициент трансформации опре­деляются теми же формулами, которые применимы к обычному транс­форматору.

На рис. 7.13 показан еще один трансформатор с единственной обмот­кой, в котором сделано несколько отводов от этой обмотки. Все соотношения для напряжений, токов и сопротивлений по-прежнему определяются коэффициентом трансформации (V1/Va = Т1/Тa, V1/Vb = Т1/Тb и т. д.).

Трансформатор с отводом от средней точки вторичной обмотки

На рис. 7.14 изображен трансформатор с отводом от середины его вторич­ной обмотки. С верхней и нижней половин вторичной обмотки снимаются выходные напряжения Va и Vb, Отношение входного напряжения (на пер­вичной обмотке) к каждому из этих выходных напряжений определяется отношением числа витков, причем

V1/Va = Т1/Тa V1/Vb = Т1/Тb

где Т1, Тa и Тb — число витков первичной, вторичной а и вторичной b обмоток соответственно. Поскольку отвод сделан от середины вторичной обмотки, напряжения Va и Vb равны по амплитуде. Если средняя точка заземлена, как в схеме на рис. 7.14, то выходные напряжения, снимаемые с двух половин вторичной обмотки, находятся в противофазе.

Пример

Обратимся к рис. 7.15. (а) Рассчитайте напряжение между выводами В и С трансформатора, (б) Если между выводами А и В намотано 30 витков, то сколь­ко всего витков имеет вторичная обмотка трансформатора?

Решение

a)  VBC = VAD – VAB – VCD = 36 В – 6 В – 12 В = 18 В.

Число витков между А и В

b) VAB / VAD == ———————————————

Число витков между А и D