Примеры решения задач по электротехнике, физике

Изучение курса "Черчение"
Сопромат
Математика
Задачи типового расчета
Решение интегралов
Решение алгебраических и трансцендентных уравнений
Построение многочлена Лагранжа
Метод Симпсона
Метод наименьших квадратов
Методы решения систем линейных уравнений
Ручные вычисления по методу Гаусса
Компакт-метод
Метод равномерного поиска
Градиентный метод
Элементы математической статистики
Законы распределения случайных величин
Примеры выполнения контрольной по математике
Комплексные числа
Элементарные функции комплексного переменного
Дифференцируемость функции комплексной переменной
Числовые ряды с комплексными членами
Интегрирование функций комплексной переменной
Ряды Тейлора и Лорана
Изолированные особые точки аналитической функции
Нули аналитической функции
Вычисление вычетов
Вычислить интеграл
Применение интегральных формул Коши к вычислению интегралов.
Определение световой волны света с помощью дифракционной решетки
Атомная энергетика
Программа развития АЭС до 2050 г
Развитие ядерной индустрии в Китае
Ядерная программа Пакистана
Крупные аварии на АЭС
Ядерно-энергетические комплексы
Физические основы ядерной индустрии
Радиация проникающая
Оборудование РБМК 1000
Система компенсации давления
Конструкция регенеративного теплообменника
Насосные подпиточные агрегаты
Маслоохладители
Бассейн выдержки и перегрузки топлива
Система байпасной очистки
Технические хаpактеpистики pегулиpующего клапана

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

Пример 1. Два параллельных бесконечно длинных провода, по которым текут в одном направлении токи I=60 А, расположены на расстоянии d=10 см друг от друга. Определить магнитную индукцию В в точке, отстоящей от одного проводника на расстоянии r1=5 см и от другого — на расстоянии r2=12 см.

Пример 3. Определить магнитную индукцию В поля, создаваемого отрезком бесконечно длинного прямого провода, в точке, равноудаленной от концов отрезка и находящейся на расстоянии r0=20 см от середины его (рис. 4). Сила тока I, текущего по проводу, равна 30 А, длина l отрезка равна 60 см.

Пример 5. По тонкому проводящему кольцу радиусом R = 10 см течет ток I=80 А. Найти магнитную индукцию В в точке A, равно­удаленной от всех точек кольца на расстояние г=20 см.

Пример 7. По двум параллельным прямым проводам длиной l=2,5 м каждый, находящимся на расстоянии d=20 см друг от друга, текут одинаковые токи I=1 кА. Вычислить силу F взаимодействия токов.

Пример 10. Квадратная рамка со стороной длиной а=2 см, содержащая N=100 витков тонкого провода, подвешена на упругой нити, постоянная кручения С которой равна 10 мкН·м/град. Плоскость рамки совпадает с направлением линии индукции внешнего магнитного поля. Определить индукцию внешнего магнитного поля

Пример 13. Электрон, имея скорость u=2 Мм/с, влетел в однородное магнитное поле с индукцией В=30 мТл под углом a=30° к направлению линий индукции. Определить радиус R и шаг h винтовой линии, по которой будет двигаться электрон.

Пример 15. Альфа-частица прошла ускоряющую разность потенциалов U=104 В и влетела в скрещенные под прямым углом электрическое (E=10 кВ/м) и магнитное (B=0,1 Тл) поля. Найти отношение заряда альфа-частицы к ее массе, если, двигаясь перпендикулярно обоим полям, частица не испытывает отклонений от прямолинейной траектории.

Пример 18. Виток, по которому течет ток I=20 А, свободно установится в однородном магнитном поле В=16 мТл. Диаметр d витка равен 10 см. Какую работу нужно совершать, чтобы медленно повернуть виток на угол a=p/2 относительно оси, совпадающей с диаметром?

Пример. 20. По соленоиду течет ток I=2 А. Магнитный поток Ф, пронизывающий поперечное сечение соленоида, равен 4 мкВб. Оп­ределить индуктивность L соленоида, если он имеет N=800 витков.

Пример 23. На стержень из немагнитного материала длиной l=50 см намотан в один слой провод так, что на каждый сантиметр длины стержня приходится 20 витков. Определить энергию W маг­нитного поля внутри соленоида, если сила тока I в обмотке равна 0,5 А. Площадь S сечения стержня равна 2 см2.

Контрольная работа № 4 Задачи Бесконечно длинный провод с током I= 100 А изогнут так, как показано на рис. 1. Определить магнитную индукцию В в точке О. Радиус дуги R=10 см.

· Закон Био — Савара — Лапласа

dB[dl,r],

где dB — магнитная индукция поля, создаваемого элементом i проводника с током; m — магнитная проницаемость; m0 — магнитная постоянная (m0 =4p · 10 -7 Гн/м); dl — вектор, равный по модулю длине dl проводника и совпадающий по направлению с током (элемент проводника); I — сила тока; r — радиус-вектор, проведенный от середины элемента проводника к точке, магнитная индукция в которой определяется.

 Модуль вектора dB выражается формулой

dBdl,

где a — угол между векторами dl и r.

· Магнитная индукция В связана с напряженностью Н магнитного поля (в случае однородной, изотропной среды) соотношением

BH

или в вакууме

B0=μ0∙H.

· Магнитная индукция в центре кругового проводника с током

В,

где R — радиус кривизны проводника.

· Магнитная индукция поля, создаваемого бесконечно длинным прямым проводником с током,

В,

где r — расстояние от оси проводника.

Магнитная индукция поля, создаваемого отрезком проводником

В.

Обозначения ясны из рис.1, а. Вектор индукции В перпенди­кулярен плоскости чертежа, направлен к нам и поэтому изображен точкой.

При симметричном расположении концов проводника относи­тельно точки, в которой определяется магнитная индукция (рис. 1, б),  и, следовательно,

В

Рис. 1

· Магнитная индукция поля, создаваемого соленоидом в сред­ней его части (или тороида на его оси),

В

где п — число витков, приходящих­ся на единицу длины соленоида;

I — сила тока в одном витке. 

· Принцип суперпозиции маг­нитных полей: магнитная индук­ция В результирующего поля равна векторной сумме магнитных индукций В1, В2, ..., Вn складываемых полей, т. е.

BВi.

В  частном случае наложения двух полей

В=В1+В2,

а модуль магнитной продукции

,

где a — угол между векторами В1 и В2.

• Закон Ампера. Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле,

F=[l,B]∙I,

где I — сила тока; l — вектор, равный по модулю длине l проводника и совпадающий по направлению с током; В — магнитная индукция поля.

Модуль вектора F определяется выражением

F=B∙I∙l∙sin α,

где α — угол между векторами l и В.

• Сила взаимодействия двух прямых бесконечно длинных па­раллельных проводников с токами I1 и I2, находящихся на расстоянии d друг от друга, рассчитанная на отрезок проводника длиной l выражается  формулой

.

• Магнитный момент контура с током

pm=I∙S,

где S — вектор, равный по модулю площади S, охватываемой кон­туром, и совпадающий по направлению с нормалью к его плоскости.

• Механический момент, действующий на контур с током, по­мещенный  в однородное магнитное поле,

M=[pm∙B].

Модуль механического момента

M=pm∙B∙sinα,

 где α — угол между векторами рm и В.

• Потенциальная (механическая) энергия контура с током в магнитном поле

Пмех= pm∙B =pm∙B∙cosα.

• Сила, действующая на контур с током в магнитном поле (из­меняющемся вдоль оси x),

,

где  —изменение магнитной индукции вдоль оси Ох, рассчи­танное на единицу длины; α — угол между векторами рm и В.

• Сила F, действующая на заряд Q, движущийся со скоростью υ в магнитном поле с индукцией В (сила Лоренца), выражается фор­мулой

F=Q [υ, B] или F=|Q|uB sina,

где a— угол, образованный вектором скорости υ движущейся ча­стицы и вектором В индукции магнитного поля. 

· Циркуляция вектора магнитной индукции В вдоль замкну­того контура

где Bi — проекция вектора магнитной индукции на направление элементарного перемещения dl вдоль контура L. Циркуляция век­тора напряженности Н вдоль замкнутого контура

,

· Закон полного тока (для магнитного поля в вакууме)

где m0=4∙π∙10-7 Гн/м - магнитная постоянная;  - алгебраическая сумма токов, охватываемых контуром; п - число токов.

Закон полного тока (для произвольной среды)

· Магнитный поток Ф через плоский контур площадью S:

а) в случае однородного поля

Ф=BS cos a; или Ф = BnS,

где a — угол между вектором нормали n к плоскости контура и век­тором магнитной индукции В; Вn — проекция вектора В на нормаль n (Bn=B cos a);

б) в случае неоднородного поля

где интегрирование ведется во всей поверхности S.

· Потокосцепление, т.е. полный магнитный поток, сцепленный со всеми витками соленоида или тороида,

где Ф — магнитный поток через один виток; N — число витков со­леноида или тороида.

· Магнитное поле тороида, сердечник которого составлен из двух частей, изготовлен­ных из веществ с раз­личными магнитными проницаемостями:

а) магнитная индук­ция на осевой линии тороида

где I — сила тока в об­мотке тороида; N — чис­ло ее витков; l1 и l2 -­ длины первой и второй частей сердечника торо­ида; m1 и m2 —магнитные проницаемости ве­ществ первой и второй частей сердечника торо­ида; m0 —магнитная постоянная

б) напряженность магнитного поля на осе­вой линии тороида в первой и второй частях сердечника

H1=B /(m1 ∙m2); H1=B /(m2 ∙m0 );

в) магнитный поток в сердечнике тороида

или по аналогии с законом Ома (формула Гопкинсона) 

Фm=Fm/Rm,

 где Fm - магнитодвижущая сила; Rm - полное магнитное сопро­тивление цепи;

г) магнитное сопротивление участка цепи

Rm=l/(μ∙μ0S).

 • Магнитная проницаемость μ, ферромагнетика связана с маг­нитной индукцией В поля в нем и напряженностью Н намагничи­вающего поля соотношением

μ=B/(μ0H).

• Работа по перемещению замкнутого контура с током в маг­нитном поле

A=IDФ,

где  DФ — изменение магнитного потока, пронизывающего поверх­ность, ограниченную контуром; I — сила тока в контуре.

• Основной закон электромагнитной индукции (закон Фарадея — Максвелла)

,

где   — электродвижущая сила индукции; N — число витков кон­тура; Y — потокосцепление.

Частные случаи применения основного закона электромагнитной индукции:

а) разность потенциалов U на концах проводника длиной I, движущегося со скоростью u в однородном магнитном поле,

U=B∙l∙u∙sina,

где a — угол между направлениями векторов скорости u и магнит­ной индукции В;

б) электродвижущая сила индукции , возникающая в рамке, содержащей N витков, площадью S, при вращении рамки с угловой скоростью со в однородном магнитном поле с индукцией В

,

где wt — мгновенное значение угла между вектором В и вектором нормали n к плоскости рамки.

• Количество электричества Q, протекающего в контуре,

,

где R — сопротивление контура; DY — изменение потокосцепления.

•Электродвижущая сила самоиндукции  возникающая в замкнутом контуре при изменении силы тока в нем,

, или ,

где L — индуктивность контура.

• Потокосцепление контура Y =LI, где L — индуктивность контура.

• Индуктивность соленоида (тороида)

.

Во всех случаях вычисления индуктивности соленоида (тороида) с сердечником по приведенной формуле для определения магнит­ной проницаемости следует пользоваться графиком зависимости В от Н (см. рис. 24.1), а затем формулой

.

• Мгновенное значение силы тока I в цепи, обладающей актив­ным сопротивлением R и индуктивностью L:

а) после замыкания цепи

,

где ε - ЭДС источника тока; t—время, прошедшее после замы­кания цепи;

б) после размыкания цепи

,

где l0 - сила тока в цепи при t=0, t - время, прошедшее с момен­та размыкания цепи.

• Энергия W магнитного поля, создаваемого током в замкнутом контуре индуктивностью L, определяется формулой

,

где I — сила тока в контуре.

• Объемная (пространственная) плотность энергии однородного магнитного поля (например, поля длинного соленоида)

.

• Формула Томсона. Период собственных колебаний в контуре без активного сопротивления

,

где L — индуктивность контура; С — его электроемкость.

• Связь длины электромагнитной волны с периодом Т и час­тотой υ колебаний

  или ,

где с — скорость электромагнитных волн в вакууме (с=3∙108 м/с).

• Скорость электромагнитных волн в среде

где ε - диэлектрическая проницаемость; μ - магнитная проницае­мость среды.

Пример 1. Два параллельных бесконечно длинных провода, по которым текут в одном направлении токи I=60 А, расположены на расстоянии d=10 см друг от друга. Определить магнитную индукцию В в точке, отстоящей от одного проводника на расстоянии r1=5 см и от другого — на расстоянии r2=12 см.

Пример 3. Определить магнитную индукцию В поля, создаваемого отрезком бесконечно длинного прямого провода, в точке, равноудаленной от концов отрезка и находящейся на расстоянии r0=20 см от середины его (рис. 4). Сила тока I, текущего по проводу, равна 30 А, длина l отрезка равна 60 см.

Пример 5. По тонкому проводящему кольцу радиусом R = 10 см течет ток I=80 А. Найти магнитную индукцию В в точке A, равно­удаленной от всех точек кольца на расстояние г=20 см.

Пример 7. По двум параллельным прямым проводам длиной l=2,5 м каждый, находящимся на расстоянии d=20 см друг от друга, текут одинаковые токи I=1 кА. Вычислить силу F взаимодействия токов.

Пример 10. Квадратная рамка со стороной длиной а=2 см, содержащая N=100 витков тонкого провода, подвешена на упругой нити, постоянная кручения С которой равна 10 мкН·м/град. Плоскость рамки совпадает с направлением линии индукции внешнего магнитного поля. Определить индукцию внешнего магнитного поля

Пример 13. Электрон, имея скорость u=2 Мм/с, влетел в однородное магнитное поле с индукцией В=30 мТл под углом a=30° к направлению линий индукции. Определить радиус R и шаг h винтовой линии, по которой будет двигаться электрон.

Пример 15. Альфа-частица прошла ускоряющую разность потенциалов U=104 В и влетела в скрещенные под прямым углом электрическое (E=10 кВ/м) и магнитное (B=0,1 Тл) поля. Найти отношение заряда альфа-частицы к ее массе, если, двигаясь перпендикулярно обоим полям, частица не испытывает отклонений от прямолинейной траектории.

Пример 18. Виток, по которому течет ток I=20 А, свободно установится в однородном магнитном поле В=16 мТл. Диаметр d витка равен 10 см. Какую работу нужно совершать, чтобы медленно повернуть виток на угол a=p/2 относительно оси, совпадающей с диаметром?

Пример. 20. По соленоиду течет ток I=2 А. Магнитный поток Ф, пронизывающий поперечное сечение соленоида, равен 4 мкВб. Оп­ределить индуктивность L соленоида, если он имеет N=800 витков.

Пример 23. На стержень из немагнитного материала длиной l=50 см намотан в один слой провод так, что на каждый сантиметр длины стержня приходится 20 витков. Определить энергию W маг­нитного поля внутри соленоида, если сила тока I в обмотке равна 0,5 А. Площадь S сечения стержня равна 2 см2.

Контрольная работа № 4 Задачи Бесконечно длинный провод с током I= 100 А изогнут так, как показано на рис. 1. Определить магнитную индукцию В в точке О. Радиус дуги R=10 см.