電磁感應(yīng)現(xiàn)象在手搖三相發(fā)電機演示實驗中的應(yīng)用

1、目 錄摘 要1關(guān)鍵詞1Abstract1Keywords11引言12電磁感應(yīng)現(xiàn)象12.1電磁感應(yīng)現(xiàn)象定義12.2電磁感應(yīng)現(xiàn)象的實質(zhì)23手搖三相交直流發(fā)電機演示實驗23.1原理簡析23.2演示儀簡介及部件原理詳述23.3三相電流產(chǎn)生機制理論分析24三相電路組成結(jié)構(gòu)分析34.1三相電源的星形聯(lián)接34.2三相電源的三角形聯(lián)接44.3三相負(fù)載的星形聯(lián)接44.4三相負(fù)載的三角形聯(lián)結(jié)55實驗時遇到的問題解析55.1實驗時微噪產(chǎn)生及原因55.2實驗儀選用單極勵磁繞組的原因55.3實驗過程中接通電源的瞬間及電源誤接交流燈泡發(fā)光65.4實驗時電壓6V時為何轉(zhuǎn)子吸到定子上66提出演示實驗方案6參考文獻(xiàn)6電磁感應(yīng)現(xiàn)

2、象在手搖三相發(fā)電機演示實驗中的應(yīng)用物理學(xué)院物理學(xué)專業(yè)08.2班王吉國摘 要：本文分析了手搖三相發(fā)電機演示實驗的工作原理，解釋了電磁感應(yīng)現(xiàn)象在本實驗中的應(yīng)用，結(jié)合本實驗室現(xiàn)有儀器從中詳述三相電路組成部分，其中著重分析了三相電路的電源聯(lián)接方式和負(fù)載的聯(lián)接方式以及線電壓和相電壓與線電流和相電流之間的關(guān)系，從而揭示了演示實驗中的能量轉(zhuǎn)化方式進(jìn)一步通過了實驗演示步驟及演示過程對實驗中遇到的問題進(jìn)行理論分析與解釋,基于節(jié)能理念探尋最佳演示方案，并對實驗結(jié)果進(jìn)行理論修正，從而得到研究的實際意義關(guān)鍵詞：電磁感應(yīng)現(xiàn)象；三相電路；實驗疑問；分析；實驗方案 The Electromagnetic Induction

3、 Phenomenon in Hand Three-phase Generator Experimental Demonstration of ApplicationWang jiguo Class 2, Grade 2008 Physics MajorSchool of PhysicsAbstract: This paper analyzes the hand three-phase generator experimental demonstration of working principle, explaining the electromagnetic induction pheno

4、menon in the application of this experiment, combined with the laboratory instruments from existing described the three-phase circuit component which focuses on analyzing the power of the three-phase circuit connection mode and a load and line voltage. This way and phase voltage and current line of

5、the relationship between the line and reveals experiment of energy conversion way. Further through the experiment demonstration of the experimental process steps and demonstrates the problems in the theory analysis and explanation, based on energy conservation idea for best demo program and the expe

6、rimental results are theory point correction, and get the practical significance of the study.Keywords: electromagnetic induction phenomenon; the three-phase circuit; the experiment doubt; analysis; experiment scheme1引言自一八二零年奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng),從此人們開始進(jìn)行相關(guān)的實驗探索,一八三一年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象,以后人們應(yīng)用電磁感應(yīng)現(xiàn)象制作成了發(fā)電機和感應(yīng)加速器等,其中最

7、具影響力的是發(fā)電機2電磁感應(yīng)現(xiàn)象 2.1電磁感應(yīng)現(xiàn)象定義電磁感應(yīng)是利用磁場產(chǎn)生電流的現(xiàn)象,相應(yīng)的電流叫感應(yīng)電流能夠產(chǎn)生電流的方式有很多種,從本質(zhì)上講,有兩類:一類是由于磁場與回路相對運動引起的,另一類是由于磁場的變化引起的它們的共同點是使回路中的磁通量發(fā)生變化電磁感應(yīng)現(xiàn)象中首先產(chǎn)生的是感應(yīng)電動勢,相比之下感應(yīng)電動勢比感應(yīng)電流更能反映電磁感應(yīng)現(xiàn)象的實質(zhì),它不受回路是否閉合以及電阻大小的影響,且法拉第的電磁感應(yīng)定律表示出了電動勢與磁通量的變化率的正比關(guān)系,再結(jié)合楞次定律可得到電磁感應(yīng)現(xiàn)象的定律的統(tǒng)一表述：閉合回路中,感應(yīng)電動勢與回路中磁通量的變化率的負(fù)值成正比,即=（表示感應(yīng)電動勢,單位為伏特,單

8、位是秒,表示磁通量,單位為待定）12.2電磁感應(yīng)現(xiàn)象的實質(zhì) 導(dǎo)體運動和磁場變化都可以產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,即有電動勢產(chǎn)生時,存在靜電力推動電荷做功研究表明：磁場B一定,導(dǎo)體運動時,實質(zhì)上是非靜電力洛倫茲力,相應(yīng)的感應(yīng)電動勢叫動生電動勢導(dǎo)體不動,磁場B變化時,實質(zhì)上靜電力是感生電場力,相應(yīng)的電動勢叫做感生電動勢3手搖三相交直流發(fā)電機演示實驗 3.1原理簡析本實驗即為動生電動勢產(chǎn)生三相電,由直流電源提供穩(wěn)恒磁場,勵磁繞組由轉(zhuǎn)軸帶動旋轉(zhuǎn)切割磁場產(chǎn)生感生電動勢,產(chǎn)生電流從而達(dá)到發(fā)電的目的3.2演示儀簡介及部件原理詳述 定子：它由機座支架,定子沖片和定子線圈組成發(fā)電機機座支架即轉(zhuǎn)子支架,它起支撐磁極轉(zhuǎn)子的作用

9、其上還安裝有電刷,以便將勵磁電能引入磁極繞組定子沖片由硅鋼片疊成,以便為定子線圈產(chǎn)生磁能提供通路；其內(nèi)壁有槽,槽中鑲嵌著三個線圈,即定子線圈,為了清楚地顯示三相發(fā)電機的基本工作原理,三個線圈外包著黃、綠、紅三色彩綢以資識別線圈采用直徑0.35mm的漆包線,每個線圈繞300匝組成形狀、尺寸和匝數(shù)都相同而軸線相差120的三個繞組,這樣在發(fā)電機工作時可以形成頻率一致、幅值相等、相位相差120的交流電 磁極轉(zhuǎn)子：它由轉(zhuǎn)子（磁極）轉(zhuǎn)軸、滾珠軸承、滑環(huán)和勵磁繞組組成勵磁繞組采用直徑0.53mm的漆包繞線400匝磁極轉(zhuǎn)子由電刷接入穩(wěn)恒直流電源后通過機械轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動為三相電源的產(chǎn)生提供磁場能底座：木制絕緣接線柱：

10、三相電流輸出端 Y/接線板、Y接法負(fù)載板和三相不平衡中性線帶電負(fù)載板：負(fù)載板減少實驗線路連接便于演示實驗的成功3.3三相電流產(chǎn)生機制理論分析圖1結(jié)構(gòu)示意圖圖2繞組示意圖圖3三相電動勢示意圖直流電源供電,電壓范圍4.5V6V經(jīng)電刷進(jìn)入勵磁繞組,勵磁繞組為閉合回路,由電磁感應(yīng)現(xiàn)象知,物體帶電,建立電場使其具有電能回路載流,建立磁場使其具有磁能稱之為自感磁能,通電時電流從0增加到I,自感電動勢阻礙其增加,因此在電流增加過程中克服自感電動勢做功轉(zhuǎn)化為載流線圈即勵磁繞組的磁能即勵磁繞組形成磁極產(chǎn)生沿空氣隙按正弦規(guī)律分布的磁場,這時機械傳動裝置帶動勵磁繞組沿順時針方向以恒速轉(zhuǎn)動時,在軸線相差的定子線圈中產(chǎn)

11、生感應(yīng)電動勢,即對稱三相電動勢,選擇為參考量,則對稱三相電動勢表示為：,其中為電動勢的最大值24三相電路組成結(jié)構(gòu)分析4.1三相電源的星形聯(lián)接將三相繞組的三個末端L1,L2,L3連接在一起后,三個首段L1,L2,L3一起向外引出四根供電線,或從三個首段引出三個供電線,這種供電方式稱為三相電源的星形聯(lián)接或Y型聯(lián)接,就供電方式而言,前者稱為三相四線制,后者稱為三相三線制星形聯(lián)接時,三個繞組的末端的連接點N稱為中性點,三個首端引出的供電線稱為相線或端線,俗稱火線應(yīng)用三相四線制供電方式向用戶供電時提供兩種電壓：每相繞組兩端的電壓,即相線與中性線之間的電壓,稱為相電壓；每兩組相繞組端點間的電壓,即相線與相

12、線間的電壓,稱為電源的線電壓如下圖3、圖4所示,由KVL,線電壓和相電壓之間關(guān)系為=-,=-,=-圖3三相四線制星形聯(lián)接圖 圖4電壓相量圖由于三相電動勢是對稱的,三相繞組的內(nèi)阻抗一般都是很小所以三個相電壓也是對稱的,用表示,=,以為參考做電壓矢量圖,三個線電壓也是對稱的,用表示,則有=,由向量圖用幾何法得=例如,相電壓為220V時線電壓為380V三相電源工作時,每相繞組中的電流,稱為電源的相電流,由端點輸送出去的電流為,稱為電源的線電流相電流和線電流的大小均與負(fù)載有關(guān)星形聯(lián)結(jié)時,線電流是對應(yīng)相電流的,即=,=,=如果線電流是對稱的,則相電流也一定是對稱的,他們的有效值可以分別用,表示,即=,=

13、可見,在電流對稱的情況下聯(lián)接的對稱三相電源中,線電流的有效值等于相電流的有效值,即=在相位上,線電流與對應(yīng)的相電流相位相同4.2三相電源的三角形聯(lián)接將三相電源中每相繞組的首端依次與另一相繞組的末端連接在一起,形成閉合回路,然后從三個連接點引出三根供電線,這種連接方式為三相電源的三角形聯(lián)接或聯(lián)接顯然,這種供電方式只能是三相三線制圖5三角形聯(lián)結(jié)圖圖6電流相量圖三角形聯(lián)接時,對應(yīng)的線電壓就是相電壓,=,=,=而且可以認(rèn)為他們是對稱的因而,在三角形聯(lián)接的對稱三相電源中,線電壓的有效值等于相電壓的有效值,即=在相位上,線電壓與對應(yīng)的相電壓相位相同在三角形聯(lián)接的矢量圖中,根據(jù)KCL,線電流與相電流的關(guān)系為

14、=-,=-,=-當(dāng)它們對稱時,用幾何的方法由矢量圖可以求得線電流的有效值,等于相電流的倍,即=在相位上,線電流是滯后于與之相關(guān)的滯后相相電流30,滯后于超前相相電流150的例如,與相關(guān)的相電流為和,相電流是滯后于相電流的,而滯后于30滯后于1504.3三相負(fù)載的星形聯(lián)接相應(yīng)的三相負(fù)載的聯(lián)接方式也為兩種即：星形聯(lián)結(jié)和三角形聯(lián)接需要注意的是無論采用哪種接法,每相負(fù)載首末端之間的電壓成為負(fù)載的相電壓；兩相負(fù)載之間的電壓稱為負(fù)載的線電壓；每相負(fù)載中通過的電流稱為負(fù)載的相電流；負(fù)載從供電先上取用的電流稱為負(fù)載的線電流圖7三相四線制星形聯(lián)結(jié)圖三相負(fù)載應(yīng)該采用那一種連接方式,應(yīng)根據(jù)電源電壓和負(fù)載額定電壓的大

15、小來決定原則上,應(yīng)使附加的實際相電壓等于其額定相電壓圖7為三相負(fù)載的三相四線制星形聯(lián)接時的電路三相負(fù)載的三個末端連接在一起,接到電源的中性線上,三相負(fù)載的三個首端分別接到電源的三根相線上由圖7、圖8知,在圖示參考方向下,線電壓和相電壓的關(guān)系,線電流和相電流的關(guān)系,與星型聯(lián)接的三相電源中的公式相同,即中性電流為,相電壓與相電流的關(guān)系為：圖圖8相量圖,由于三相電源提供的線電壓和相電壓一般是對稱的,如果負(fù)載是對稱的,即負(fù)載的阻抗相等這樣負(fù)載和電源的相電流及線電流必然是對稱的,這樣的三相電路稱為對稱三相電路這時的向量如上矢量圖所示,因此,在對稱三相電路中,星形聯(lián)接的三相負(fù)載和星形聯(lián)接的三相電源,他們的

16、線電壓與相電壓,線電流與相電流的有效值之間和相位之間的關(guān)系是相同的,即可推出在對稱三相電路中,中性線的電流為零三相負(fù)載不對稱,則中性線的電流不為零,實驗過程中演示三相不對稱負(fù)載時中性線的燈泡會發(fā)光34.4三相負(fù)載的三角形聯(lián)結(jié)圖9三角形聯(lián)結(jié)圖如下圖是三相負(fù)載的三角形聯(lián)結(jié)電路,每相負(fù)載的首端都依次與另一項負(fù)載的末端聯(lián)結(jié)在一起,形成閉合回路,然后,將三個連接點分別連到三相電源的三根相線上,顯然這種接法為三相三線制由于電源電壓的對稱性,因此,三相負(fù)載的線電壓和相電壓也是對稱的在如此的三相對稱電路中三角形聯(lián)結(jié)與三相負(fù)載和三相電源,他們的線電壓與相電壓,線電流與相電流的有效值之間和相位之間的關(guān)系是相同的4

17、5實驗時遇到的問題解析圖10相量圖5.1實驗時微噪產(chǎn)生及原因?qū)嶒灂r的噪聲主要有手搖輪式傳動機構(gòu)的摩擦聲音和勵磁繞組在通電工作的過程中產(chǎn)生的聲音由于轉(zhuǎn)子為提高勵磁繞組磁性作用的硅鋼鐵心在線圈工作時產(chǎn)生損耗,因消耗電能而產(chǎn)生機械振動從而發(fā)聲聲音較小,但消耗能源,造成機械磨損,降低儀器使用壽命損耗計算公式55.2實驗儀選用單極勵磁繞組的原因一方面發(fā)電機勵磁繞組的極數(shù)與原動機轉(zhuǎn)速有關(guān),即本實驗中的手搖動速度,生活中大型水電站轉(zhuǎn)速較慢,故采用多極繞組,而本實驗中經(jīng)過機械傳動裝置轉(zhuǎn)速較快,且僅是演示簡單發(fā)電機原理,故采用單極繞組另一方面單極勵磁繞組結(jié)構(gòu)簡單,在運行過程中既能夠滿足轉(zhuǎn)速與勵磁電流副角的要求,

18、又滿足演示實驗講解發(fā)電機勵磁繞組原理的清晰直觀另附勵磁繞組工作環(huán)境要求：a、室內(nèi)環(huán)境不高于零上40,不低于零下20；b、環(huán)境空氣相對濕度不大于85%；c、周圍環(huán)境無損害絕緣的腐蝕性氣體或蒸汽；d、周圍環(huán)境無易爆氣體及導(dǎo)電塵埃；e、周圍環(huán)境無劇烈的沖擊與強烈的震動5.3實驗過程中接通電源的瞬間及電源誤接交流燈泡發(fā)光實驗電路連接完畢,在電源接通的瞬間（錯誤實驗：閉合了開關(guān)）由電磁感應(yīng)現(xiàn)象知,在勵磁繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,而定子線圈和勵磁繞組間發(fā)生互感現(xiàn)象,定子中產(chǎn)生電勢變化從而使小燈泡發(fā)光在誤接交流電后,轉(zhuǎn)子線圈和定子發(fā)生持續(xù)互感現(xiàn)象,即組成變壓器向用電器提供電源,使小燈泡發(fā)光此時電壓關(guān)系應(yīng)為/=/

19、其中為轉(zhuǎn)子電壓為定子電壓即向用電器提供電壓,為轉(zhuǎn)子線圈數(shù)目為定子線圈數(shù)目4在實驗過程中應(yīng)盡量避免這種錯誤,避免瞬間電壓過大將小燈泡或線圈燒損5.4實驗時電壓6V時為何轉(zhuǎn)子吸到定子上本試驗儀的定子機械構(gòu)架,轉(zhuǎn)子鐵心為了增強在工作狀態(tài)下的磁場能量強度均采用硅鋼結(jié)構(gòu),而實驗儀器由于長期使用,磨損極為嚴(yán)重,儀器在正常狀態(tài)下,直流電源通電后勵磁繞組的鐵心為硅鋼,增強了磁性,轉(zhuǎn)子的磁能對同是硅鋼構(gòu)架的定子將產(chǎn)生遠(yuǎn)超自重的電磁吸力,但由于機械構(gòu)架的存在,定子轉(zhuǎn)子之間存在1.5-3mm5的氣隙,本實驗室的儀器磨損過于嚴(yán)重,導(dǎo)致所產(chǎn)生的電磁吸力大于轉(zhuǎn)子自重時,轉(zhuǎn)子就吸在定子上,致使實驗無法正常進(jìn)行注：電磁吸力計算公式：電磁鐵的起重量與被吊物品的形狀、尺寸、堆放狀態(tài)有關(guān)