Преобразование механической энергии в электрическую и обратно. Лекция 2

На законах электромагнитной индукции и электромагнитных сил основано действие электрических машин - генераторов, преобразующих механическую энергию в электрическую, и двигателей, преобразующих электрическую энергию в механическую.
Обратимся к рис. В магнитном поле между полюсами N и S помещен прямолинейный проводник. Если при помощи внешней механической силы F передвигать этот проводник перпендикулярно магнитным линиям поля, то в нем будет индуктироваться э.д.с. Е = Blυ.

Если концы проводника замкнуты на внешнее сопротивление, то по цепи потечет ток I, совпадающий по направлению с э.д.с. Е.
Напишем уравнение 2-го закона Кирхгофа для этой цепи:
E = U + I ⋅ r, (a)
где U - напряжение на зажимах, в;
r - сопротивление проводника, ом;
I ⋅ r - падение напряжения в проводнике, в.

Умножая почленно выражение (а) на I, получим
E ⋅ I = UI + I2r.
Так как Е = Blυ, то
Blυ ⋅ I = UI + I2r.
Учитывая, что ВIl = F и Fυ = Рмех, имеем
Рмех = Pэл + ΔР, (б)
где Рмех = E ⋅ I - механическая мощность, преобразуемая в электрическую;
Рэл = UI - электрическая мощность, отдаваемая во внешнюю цепь;
ΔP = I2r - потери мощности (в виде тепла) в сопротивлении проводника. Рассмотрим теперь процесс преобразования электрической энергии в механическую.

Пусть прямолинейный проводник АВ (рис. ), по которому проходит ток I от источника напряжения, помещен во внешнее магнитное поле, образованное магнитом N - S. Если проводник неподвижен, то энергия источника напряжения расходуется исключительно на нагрев проводника:
A = UIt = I2rt дж.

Затрачиваемая мощность будет равна
Pэл = UI = I2r вт,
откуда определяем ток в цепи:
I = U/r. (а)

Однако известно, что проводник с током, помещенный в магнитное поле, будет испытывать действие силы F со стороны поля, стремящейся перемещать проводник в магнитном поле в направлении, определяемом правилом левой руки. При своем движении проводник будет пересекать магнитные линии поля и в нем, по закону электромагнитной индукции, возникнет индуктированная э.д.с. Направление этой э.д.с., определенное по правилу правой руки, будет обратным току I. Назовем ее обратной э.д.с. Eобр. Величина Eобр согласно закону электромагнитной индукции будет равна
Eобр = Blυ.

По второму закону Кирхгофа, для замкнутой цепи имеем
U - Eобр = Ir
или
U = Eобр + Ir, (б)
откуда ток в цепи

Сравнивая выражения (а) и (в), видим, что в проводнике, движущемся в магнитном поле при одних и тех же значениях U и r, ток будет меньше, чем в неподвижном проводнике.
Умножая почленно выражение (б) на I, получим
UI = EобрI + I2r.
Так как Eобр = Blυ, то
UI = BlυI + I2r.
Учитывая, что BlI = F и Fυ = Рмех, имеем
UI = Fυ + I2r
или
Pэл = Pмех + ΔP.