рейтинг блогов

Прикладное трансформатороведение. Часть 4, капитан Врунгель и мистика

топ 100 блогов afirsov11.11.2022
Прикладное трансформатороведение. Часть 2, чудеса на завитушках) – об индуктивности в цепях переменного тока;
Часть 3 (Прикладное трансформатороведение. Часть 3, емкостная, ещё более чудесатая) – об ёмкости там же.

Касательно упущения – дальше первой части ходить не надо. В ней мы ввели понятие активной энергии и активной мощности, но записав в неё только джоулево тепло, выделяющееся на элементах этой цепи с ненулевым сопротивлением. Промах был тут вот в чём: джоулево тепловыделение безусловно входит в расход активной энергии, но оно отнюдь там не единственно, как можно было бы понять из текста. Вспомним капитана Врунгеля, его рейс с хлыстом на бушприте яхты «Беда» и косяком селёдок перед её форштевнем из Великобритании в Египет.
Прикладное трансформатороведение. Часть 4, капитан Врунгель и мистика
И ценное наблюдение бывалого морского волка по ходу этого процесса: «каждая селёдка – рыба, но не каждая рыба – селёдка!». А автор фактически отождествил рыбу (расход активной энергии) с селёдкой (джоулевым тепловыделением на сопротивлении). Капитан Врунгель хлыстом отгонял хамсу и бычков от подотчётного ему косяка селёдок, а нам предстоит понять, что ещё попадёт в категорию активной мощности, помимо нагрева проводников электрического тока. Кстати, раз уж речь зашла о бравом мореходе, то как не помянуть спасший его от бразильских служителей правопорядка … трансформатор, точнее наклейку с его будки.
Прикладное трансформатороведение. Часть 4, капитан Врунгель и мистика
Пошутили и обратно к делу. За поиском второй компоненты активной мощности далеко ходить не надо, достаточно взять электробритву или фен в руки. В общем, воспользоваться чем-либо, где переменный ток совершает механическую работу, в подавляющей части областей применения устройств полезную, но иногда очень даже наоборот (особенно для трансформаторов). То есть те устройства, где есть электроприводы, частным случаем которых являются электродвигатели. Но, как у нас стало традицией, рассмотрим процесс сначала для постоянного тока в лице электромоторчика для старой игрушки, запитываемого напряжением 4,5 В (одна батарейка «Планета» или три последовательно соединённых полуторавольтовых батарейки любого типа). На якорь (ротор) этого простейшего двигателя намотано много-много витков обмотки, а статор представляет собой постоянный магнит. За счёт сил притяжения и отталкивания, возникающих при взаимодействии магнитного поля статора с возникающим при прохождении тока через обмотку магнитным полем ротора, последний начинает вращаться. Естественно, что обмотка якоря нагревается за счёт джоулева тепловыделения, но если мы надумаем подключить измерительные приборы к нашей цепи и подвести баланс израсходованной мощности, то получим очень даже интересный результат:

От батарейки отбирается электрическая мощность W, которая равна прозведению установившегося в цепи с работающим моторчиком тока (вообще-то он будет «дрожать» около этого значения, но на это мы закроем глаза) на напряжение U этой батарейки.

W = Iр * U, однако если мы у выключенного моторчика «прозвоним» мультиметром обмотку и узнаем её сопротивление R, то обнаружим, что величина W будет больше, чем Iр * Ip * R! Что с точки закона сохранения энергии понятно: часть её идёт на нагрев проводников обмотки, а часть на совершение механической работы по разгону якоря и поддержанию его устойчивого вращения, которому противодействует сила трения в простейших подшипниках скольжения, в которых закреплён якорь (штырь в качестве оси вращения якоря и две дырки в корпусе моторчика для его пропуска, проще говоря). Но при этом впору кричать «караул!» или увериться в чуде: для обмотки перестал действовать закон Ома, ибо после сокращения неравенства на Ip получим U > Ip * R! Материал обмотки и её прочие свойства неизменны, однако выходит так, что её сопротивление в движении получается больше, чем в состоянии покоя. Если кто-то краем уха слышал о специальной теории относительности и всяких интересных изменениях движущихся тел относительно неподвижной системы отсчёта, то может подумать о том, что имеет место что-то в этом роде (среди студенчества бывали прецеденты). На самом деле физика процесса тут совершенно другая, не требующая привлечения релятивистских понятий. Но определённая, хотя и сильно опосредованная связь, между ней и специальной теорией относительности действительно имеется. Но об этом для общего развития позже.

Но пока только добавим мистики: рукой остановим вращение якоря моторчика. Ого – в цепи значительно возрос ток до величины Is,а в пределах точности измерений у нас получилось равенство: U = Is * R . Закон Ома «вдруг» начал действовать, неужели дело и впрямь в движении? Раскурочим моторчик, вынем из него якорь, выкинем из статора постоянные магниты, уже без них вставим якорь обратно и подадим напряжение на его обмотку. Вращаться якорь не будет, т. е. наличие магнитного поля жизненно необходимо для работы электродвигателя. Ладно, раскрутим уже самостоятельно якорь до тех же оборотов и в том же направлении, что были при работающем моторчике, и замерим сопротивление его обмотки мультиметром. Получится R с точностью до погрешности измерений. Значит одно только движение не является причиной кажущегося нарушения закона Ома. Оно проявляется только при вращении якоря в магнитном поле – что-то важное происходит в этом случае.

Вернём постоянные магниты в моторчик. В детстве у автора после таких манипуляций он работать не желал, так что скорее всего придётся взять однотипный другой. Переведём мультиметр в режим вольтметра и подключим его к выводам обмотки (через коллекторный узел внутри моторчика, естественно), не подключая туда ничего другого. И начнём вращать его якорь в том же направлении, как было при батарейке вместо вольтметра. Ещё раз ого! Вольтметр показывает наличие напряжения на обмотке, внимание, противоположного по знаку тому, который был при подключении батарейки. Кстати, лайфхак для обывателей 404, у которых вдруг обнаружились проблемы с электричеством. Берёте кулер от ненужного более компьютера, присоединяете к нему светодиод (может найтись в том же компьютере) – аккурат в дырки разъёма его выводы лезут и начинайте дуть на крыльчатку или быстро крутить его рукой. Свет появится, проверено личным опытом!

Таким образом, опытным путём мы установили, что при движении проводника в магнитном поле (или движении источника магнитного поля около проводника) в этом самом проводнике появляется электродвижущая сила (ЭДС) которая в случае его разомкнутости образует на его концах некоторую разность потенциалов (т. е. электрическое напряжение), а в случае замкнутости – обуславливает в нём наличие электрического тока. Называется это явление электромагнитной индукцией.
Прикладное трансформатороведение. Часть 4, капитан Врунгель и мистика

Исторический анекдот: британский физик XIX века Майкл Фарадей (в честь его назвали единицу ёмкости фарад в системе СИ) так был одержим идеей превратить магнетизм в электричество, что даже разъезжая с деловыми и светскими визитами (а с определённого момента его удостоили F.R.S., членства в «Королевском обществе», организации видных учёных, почётным и обязывающим ко многому положением), он таскал с собой провод, смотанный в катушку, магнит и что-то вроде гальванометра. Электричество в магнетизм превратил в далёких 1820-х гг. ещё Эрстед, а решить обратную задачу Фарадей смог в 1831 году. Правда следует заметить, что в некоторых частных случаях движения проводника в магнитном поле электромагнитная индукция может не проявляться, что затрудняло учёному достижение поставленной цели.

Поэтому в нашем моторчике изначально создана такая конфигурация проводников и магнитного поля, что явление электромагнитной индукции обязательно в нём произойдёт при вращении его якоря. Возникшая в якоре ЭДС стремится в нашей замкнутой цепи ослабить ток, вызванный батарейкой, потому её называют противоЭДС. И иначе быть не может, потому что в обратном случае усиления за счёт электромагнитной индукции тока батарейки мы получили бы … вечный двигатель. Крутанули стартёром якорь, замкнули его обмотку и пошло-поехало! Но физика таких, уже настоящих, чудес настолько не любит, что законом сохранения энергии запрещает их в принципе. Зато отсутствием противоЭДС объясняется большой ток в обмотках электродвигателя при остановке или медленном вращении его якоря (что в частности, происходит при его пуске, почему его нередко называют пусковым или стартовым током), а её наличием – кажущееся нарушение закона Ома.

Отсутствие противоЭДС при запитанных электродвигателях с невращающимися якорями приходится учитывать при использовании электрической тяги на транспорте. Чтобы исключить повреждения их обмоток вводятся специальные защитные устройства, исключающие там чрезмерный ток при большой силе сопротивления движению транспортного средства. Кажущееся же нарушение закона Ома легко развеивается следующей схемой замещения обмотки нашего моторчика с учётом противоЭДС.
Прикладное трансформатороведение. Часть 4, капитан Врунгель и мистика

В нашем примере батарейка «гонит» через обмотку стартовый ток Is в 450 миллиампер, однако противоЭДС «отвечает» батарейке встречным током в 400 миллиампер и суммарный рабочий ток Ip, который покажет амперметр, окажется равным всего лишь 50 мА, в 9 раз меньше стартового.Соответственно при сопротивлении обмотки в 10 Ом мощность джоулева тепловыделения составляет 25 мВт (Ip * Iр * R). Отбираемая от батарейки полная мощность составит 4,5 В * 50 мА = 225 мВт. За вычетом 25 мВт тепловых потерь из 225-ти 200 мВт уходят на вращение якоря и совершение полезной работы. Можно к штырю якоря приделать крыльчатку и вентилятор готов!

С переменным током гораздо сложнее будет, ибо теперь u(t) более не константа, да и индуктивность обмотки отъест свою бесполезную долю мощности от источника питания. Для промышленного гармонического тока добавляется свой ворох проблем: синхронизация электрических машин и питающих сетей между собой, нелинейная завимость i(t) от u(t), отчего в сети появляются напряжения и токи на частотах 100 Гц, 150 Гц и т. д., кратных от основной. И то, и другое может повредить оборудование вплоть до механического разрушения подвижных частей машин и чрезмерных токов в их обмотках, которые столь же эффективно и навсегда выводят оборудование из строя, вплоть до пожаров и взрывов. Однако при правильном применении техники (а нечего зачем-то предварительно раскрученный электродвигатель переменного тока к сети подключать!) справедливо следующее: при совершении переменным током механической работы, затраченная на это мощность является активной. Т. е. расход энергии на механическую работу, как и джоулево тепловыделение, не нарушает пропорциональность (а для гармонического тока, следовательно, синфазность) u(t) и i(t).

По умолчанию мы предполагали, что совершение промышленным переменным током механической работы является желанной целью. Для электровоза и электробритвы это действительно так, но вот для трансформатора… Если на подстанции или электростанции приблизиться к мощному такому агрегату, то можно услышать довольно противное низкочастотное гудение, а то и ощутить вибрацию. Переменные магнитные поля заставляют вибрировать и тем самым издавать звук сердечник трансформатора, набранный из многих тонких листов ферромагнитного материала, разделённых изолирующими прокладками (следствие борьбы против вихревых токов в сердечнике, ещё одной «напасти» электротехники переменного тока). Ничем хорошим такая вибрация для трансформатора не кончается, расшатывая его конструкцию в течение десятков лет – этот факт стоит запомнить: отработавшее лет 30 устройство уже не эквивалентно новому хотя бы по этой причине, а ведь есть и деструктивные факторы помимо этого.

Подведём уже окончательный итог по активной энергии и мощности в цепях переменного тока. Они включают в себя и джоулево тепловыделение, и совершение механической работы. И то, и другое, может быть как полезным, так и вредным обстоятельством. В следующей «серии» посмотрим, как активная нагрузка соединяется в энергетике с индуктивной и емкостной.

И в завершение этой части про связь нашего моторчика со специальной теорией относительности. Явление электромагнитной индукции, которое играет большУю роль в электродвигателе для детской игрушки, и ещё бОльшую в генераторах на тепловых, гидро-, атомных и ветряных электростанциях, в трансформаторах, описывается одним из уравнений Максвелла. Сам Максвелл, кстати, использовал довольно путаную формулировку своего творения, к современному виду набор уравнений его имени был приведён трудами других учёных. А небезызвестный Альберт Эйнштейн, опираясь на неизменность уравнений Максвелла в любых инерциальных системах отсчёта, сделал две вещи:

1) вывел в своей работе уже известные к тому моменту преобразования Лоренца (через них выражаются те самые кажущиеся изменения длины движущихся с высокой скоростью предметов);
2) изящно построил полностью подтвердившуюся на практике (в т. ч. с предсказанием новых явлений) специальную теорию относительности. Этого не смогли сделать в достаточном виде ни Лоренц, ни работавший в той же области Пуанкаре. Поэтому и известность, и степень оценки научного величия у этих господ достаточно сильно различаются.

Оставить комментарий

Архив записей в блогах:
Российский телеканал «Звезда»: «Вот уникальное видео – кадры сняты во время испытаний» (2015). Смотреть с 15:15 по 15:55 а потом про испытания ракет норвежских ВМС (2013) via ...
"С 1 июля 2015 года заключить договоры ОСАГО в электронном виде смогут лишь те водители, чьи данные есть в базе РСА, то есть в начальный период будет доступна лишь пролонгация действующего договора ОСАГО". Он также отметил, что остальные автовладельцы смогут воспользоваться новой услугой л ...
… всем доБрой и боДрой субботы   я к вам в кошерный день с некоршерным мясом   зато в компании с бататом и лисичками свинина была просто delight   рецепт еще прошлым летом был готов   показать не успела тогда   и сорняк голубые ...
"Эмигрант. 20-е годы". Результатом недоволен. Получилось в некотором роде в стиле Анненкова, а я не люблю подражательства. ...
Почему Кремль носится со сверхбогатыми, как с яйцами Фаберже На фото: бывший исполнительный председатель Alibaba Джек Ма во время посещения конференции Forbes Global CEO в Сингапуре. Джек Ма первый ...