be c9fewqfefwerfwefefewf

12

Click here to load reader

Upload: andreea-raluca-pomirleanu

Post on 21-Dec-2015

219 views

Category:

Documents


1 download

DESCRIPTION

wefewfewfewfewfewfewf

TRANSCRIPT

Page 1: BE c9fewqfefwerfwefefewf

Curs nr. 9.

ELECTROCINETICA - continuare -

CIRCUITE LINIARE DE CURENT CONTINUU

10. Teorema transferului maxim de putere pe la borne

Un generator de t.e.m. Ue având rezistenţa internă Rg, transferă o putere maximă PS sarcinii RS a unui dipol cu condiţia ca rezistenţa RS să fie egală cu Rg; randamentul transferului maxim de putere este de 50% ( ).

Fie circuitul de tip dipol din figura 15, în care rezistenţa de sarcină RS este variabilă. Puterea primită de la receptor pe la bornele AB este dată de relaţia:

, unde: .

Fig. 15. Transfer de putere pe la borneCa urmare:

,

a cărei valoare maximă se obţine determinând valoarea lui RS pentru care se anulează derivata:

.

Aşa cum a rezultat de mai sus, condiţia transferului maxim de putere este îndeplinită dacă rezistenţa generatorului este identică cu cea a sarcinii, Rg = RS . Aşadar, sarcina RS absoarbe o putere maximă de la sursă dacă rezistenţa de sarcină devine egală cu rezistenţa internă a sursei.

Cu această condiţie, puterea maximă transferată sarcinii devine:

Page 2: BE c9fewqfefwerfwefefewf

.

Fig. 16. Curba de variaţie a puterii absorbite cu sarcina

Curba de variaţie a puterii absorbite de sarcină la variaţia rezistenţei sarcinii este arătată în figura 16. Puterea furnizată de sursă în acest caz devine:

,

unde s-a ţinut cont de expresia curentului: .

Randamentul transferului maxim de putere este în acest caz:

.

În cazul transferului maxim de putere (Rg = RS) se spune că sarcina este adaptată la generator.

De exemplu, o bună recepţie din partea unui radioreceptor se asigură dacă se realizează adaptarea între antenă şi aparat, respectiv dacă impedanţa antenei este egală cu impedanţa de intrare a radioreceptorului.

În continuare, sunt comentate două exemple de transfer de putere, unul la randament maxim de 50 % şi altul la randament mai mare.

Exemplul 1

Fie : .

Rezultă: A;

W - puterea debitată (furnizată) de generator;

Page 3: BE c9fewqfefwerfwefefewf

W- puterea absorbită (consumată) de receptor;

valoarea randamentului pentru transfer maxim de putere.

Exemplul 2

Fie, acum:

Rezultă: A;

W; W;

.

Comparând rezultatele obţinute din exemplele de mai sus, în care practic s-a modificat doar valoarea rezistenţei de sarcină se observă faptul că mărind Rs scade puterea debitată de generator sarcinii. Acest element este de interes în transportul energiei electrice, unde se urmăreşte obţinerea unui randament cât mai mare şi pierderi cât mai mici. Adaptarea nu mai este atunci de interes, ca în Electronică, unde accentul cade pe distorsiuni minime ale semnalelor transmise, chiar dacă aceasta impune un randament de numai 50%.

Se poate calcula valoarea puterii maxime debitate de generator în condiţiile în care Rs=0. Valoarea maximă a curentului este:

A ;

iar puterea maximă furnizată în reţea este:

W, la funcţionarea în scurtcircuit.

ELECTRODINAMICA

Electrodinamica studiază câmpul magnetic precum şi interdependenţa dintre

acesta şi câmpul electric, în regim variabil.

1. Câmpul magnetic în vid. Linii de câmp magnetic

Din antichitate s-a observat că unele minereuri au proprietatea de a atrage

obiecte din fier. Deoarece minereurile cu această proprietate proveneau din oraşul antic

Magnesia din Asia Mică, corpurile care aveau proprietatea de a atrage obiecte din fier

s-au numit magneţi şi fenomenul în sine magnetism.

Pământul este şi el un magnet deoarece are proprietatea de a orienta acul

magnetic al busolei. însuşirile magnetice se transmit prin contact sau prin influenţă

anumitor metale sau aliaje, din care unele o păstrează definitiv. Aceste metale devin

magneţi artificiali.

Page 4: BE c9fewqfefwerfwefefewf

Considerând un magnet sub formă de bară, se constată că proprietăţile

magnetice se manifestă numai la capetele barei, care constituie polii magnetului. Tăind

în două bara, polii nu se separă, ci apar doi magneţi, fiecare cu doi poli. Acest lucru

infirmă ipoteza că magnetismul s-ar datora unor sarcini magnetice.

În anul 1820 H.Ch. Oersted (1777-1851) a stabilit că în jurul conductoarelor

parcurse de curent electric au loc fenomene magnetice, făcând legătura între

magnetism şi electricitate.

Fenomenele magnetice produse în urma trecerii curentului electric prin

conductoare se numesc fenomene electromagnetice. Aceste fenomene încetează în

general la anularea curenţilor electrici care le-au produs.

Fenomenele magnetice cauzate de unele minereuri se numesc fenomene

magnetice naturale. Magnetismul natural se manifestă nelimitat şi de aceea a mai fost

numit magnetism permanent.

Există unele materiale (de exemplu oţelul) care în mod obişnuit nu au proprietăţi

magnetice dar care pot căpăta proprietăţi magnetice permanente sub influenţa

curentului electric sau a magnetismului permanent.

În jurul corpurilor magnetizate şi a conductoarelor parcurse de curent electric,

există un spaţiu cu proprietăţi speciale, de a transmite acţiuni ponderomotoare asupra

acului magnetic sau asupra conductoarelor parcurse de curent electric. S-a creat un

câmp magnetic prin intermediul căruia se transmit acţiunile ponderomotoare.

Ca şi câmpul electric, câmpul magnetic este un câmp de forţe cu repartiţie

continuă în spaţiu.

Pentru explorarea câmpului magnetic se utilizează bucla de curent, figura 1. Ea

este o spiră de dimensiuni mici ce se caracterizează prin vectorul momentul buclei ,

definit astfel:

Fig. 1. Bucla de curent

Unde:

S este aria suprafeţei închise de spiră;

- versorul normal la suprafaţă, având sensul dat prin regula burghiului drept

(sensul de înaintare a burghiului, dacă este răsucit în sensul curentului i).

Page 5: BE c9fewqfefwerfwefefewf

Prin introducerea buclei într-un câmp magnetic aflat în vid, se constată că

asupra ei va acţiona un cuplu, în raport cu centrul ei de masă, a cărei expresie este

proporţională cu momentul buclei şi cu o mărime vectorială de stare a câmpului

magnetic în vid numită inducţia magnetică în vid:

unde: reprezintă inducţia magnetică în vid şi este o mărime primitivă vectorială de

stare a câmpului magnetic ce caracterizează complet câmpul magnetic în vid.

Unitatea de măsură a inducţiei magnetice este Tesla [T].

Intensitatea câmpului magnetic în vid v este o mărime derivată de stare a

câmpului magnetic şi este definită prin relaţia:

unde μo este o constantă universală, numită permeabilitate magnetică a vidului şi are

valoarea:

unde H este Henry, unitatea de măsură a inductivităţii.

În vid, oricare dintre vectorii sau caracterizează complet câmpul

magnetic.

Unitatea de măsură pentru intensitatea câmpului magnetic este Amper/metru

[A/m].

Se numesc linii de câmp magnetic, liniile la care în fiecare punct al lor, vectorul

inducţie magnetică (intensitate a câmpului magnetic) este tangent.

Liniile de câmp magnetic sunt linii închise. Liniile se reprezintă astfel încât

numărul lor pe unitatea de suprafaţă transversală să fie proporţional cu modulul

inducţiei magnetice, formând astfel spectrul câmpului magnetic.

Spectrul câmpului magnetic creat de un conductor rectiliniu, filiform şi foarte

lung, străbătut de un curent electric este format din cercuri situate în plane

perpendiculare pe direcţia conductorului şi având centrul pe axul conductorului, figura

2.

Page 6: BE c9fewqfefwerfwefefewf

Fig. 2. Spectrul liniilor de câmp creat de un conductor rectiliniu, filiform şi foarte lung

Sensul liniilor este dat de regula burghiului drept (sensul în care trebuie rotit

burghiul pentru ca înaintarea lui să fie în sensul curentului).

Liniile de câmp magnetic produse de o spiră circulară sunt situate în plane

perpendiculare pe axul spirei trecând prin centrul ei, ca în figura 3.

Solenoidul este o bobină care se obţine prin înfăşurarea unui conductor pe

suprafaţa laterală a unui cilindru. Câmpul magnetic din interiorul bobinei se poate

considera omogen dacă lungimea bobinei este mult mai mare decât diametrul ei.

Sensul liniilor de câmp magnetic este dat de regula burghiului drept, figura 4

Fig. 3. Spectrul liniilor de câmp magnetic pentru o spiră circulară

Fig. 4. Spectrul liniilor de câmp magnetic pentru un solenoid

2. Caracterizarea stării de magnetizare a corpurilor

Prin introducerea corpurilor într-un câmp magnetic, acestea trec într-o stare

nouă, numită stare de magnetizare, în care sunt supuse unor acţiuni ponderomotoare

suplimentare faţă de cele condiţionate de starea lor electrocinetică sau de starea lor de

mişcare.

Starea de magnetizare a unui corp mic se caracterizează printr-o mărime

vectorială de stare numită moment magnetic . Asupra acestui corp, introdus într-un

câmp magnetic din vid, vor acţiona un cuplu şi o forţă F, date de relaţiile:

Momentul magnetic caracterizează complet starea de magnetizare a corpurilor.

Direcţia lui se numeşte direcţia de magnetizare a corpului, iar dreapta suport a

vectorului , orientată în sensul acestuia - axă de magnetizare.

Page 7: BE c9fewqfefwerfwefefewf

Din relaţiile anterioare se observă cum corpul mic tinde să se orienteze pe

direcţia câmpului magnetic ( v, = 0) şi că forţa se exercită numai în câmpuri

neuniforme şi este îndreptată spre regiunile de câmp intens.

Dacă momentul magnetic se anulează în lipsa câmpului magnetic exterior, el se

numeşte moment magnetic temporar mt, iar dacă la anularea câmpului magnetic

exterior mai rămâne un moment magnetic, acesta se numeşte moment magnetic

permanent mp. În general:

Starea de magnetizare a unui corp de dimensiuni mari se caracterizează local

printr-o mărime derivată, numită magnetizare , egală cu densitatea de volum a

momentului magnetic:

Analog cu relaţia referitoare la momentele magnetice vom avea:

.

Dacă se cunoaşte magnetizaţia unui corp, momentul său magnetic va fi:

Unitatea de măsură a momentului magnetic este Amper metru pătrat (Am2) şi

cea a magnetizaţiei este Amper/metru (A/m).

Magnetizarea corpurilor se poate explica prin mişcările electronilor din cadrul

unui atom sau al unei molecule, pe orbite în jurul nucleului (mişcare orbitală) şi în jurul

axelor proprii (mişcare de spin).

Un electron în mişcarea sa orbitală constituie o buclă de curent, căreia îi

corespunde un moment magnetic şi la fel în mişcarea de spin îi corespunde un

moment magnetic . Momentul magnetic al unui atom este determinat de suma

vectorială a momentelor magnetice orbitale şi a momentelor de spin.

Moleculele la care momentul magnetic rezultant este nul în lipsa unui câmp

magnetic exterior se numesc molecule nepolare, iar moleculele la care acest moment

magnetic rezultant este nenul în lipsa câmpului magnetic exterior, se numesc molecule

polare.

Chiar dacă moleculele sunt polare, în lipsa unui câmp magnetic exterior,

orientările momentelor magnetice ale diferitelor molecule sunt repartizate haotic din

cauza agitaţiei termice şi ca urmare magnetizarea macroscopică e nulă.

3. Relaţiile fundamentale ale electrodinamicii

Page 8: BE c9fewqfefwerfwefefewf

3.1.Legea magnetizaţiei temporare

Legea magnetizaţiei temporare arată că în orice punct al materialului,

magnetizaţia temporară este proporţională cu intensitatea câmpului magnetic în

acel punct:

unde factorul χm se numeşte susceptivitate magnetică.

3.2. Legea legăturii între inducţia magnetică , intensitatea câmpului

magnetic şi magnetizaţia

În orice punct dintr-un corp inducţia magnetică este proporţională cu suma

vectorială dintre intensitatea câmpului magnetic şi magnetizaţie:

În cazul general, magnetizaţia are atât componentă temporară Mt, cât şi

componentă permanentă Mp, deci legea legăturii devine:

Pentru medii fără magnetizaţie permanentă:

Coeficientul μr = 1 + χm se numeşte permeabilitate magnetică relativă a

materialului, iar

μ = μo μr - permeabilitate magnetică absolută.

3.3. Legea fluxului magnetic

Se numeşte flux magnetic printr-o suprafaţă SΓ, integrala de suprafaţă a vectorului

inducţie magnetică pe suprafaţă SΓ:

unde d este elementul de suprafaţă considerat ca vector, orientat după normala la

suprafaţă, într-un sens arbitrar, numit sens de referinţă sau sens pozitiv convenţional al

fluxului magnetic, figura 1.

Unitatea de măsură a fluxului magnetic este Weberul [Wb].

Enunţul legii: Fluxul magnetic prin orice suprafaţă închisă Σ este întodeauna nul,

oricare ar fi natura şi starea de mişcare a mediilor prin care trece suprafaţa Σ şi oricare

ar fi variaţia în timp a inducţiei magnetice:

Page 9: BE c9fewqfefwerfwefefewf

Relaţia de mai sus exprimă forma integrală a legii fluxului magnetic.

Fig. 5. Explicativă la legea fluxului magnetic

Aplicând formula lui Gauss-Ostrogradski relaţiei anterioare se obţine:

Relaţia exprimă forma locală a legii: în orice punct divergenţa vectorului inducţie

magnetică este nulă.

Consecinţe ale legii fluxului magnetic:

1. Fluxul magnetic depinde numai de conturul pe care se sprijină suprafaţa.

2. Liniile de câmp magnetic sunt linii închise. Dacă aceste linii ar porni sau ar

sfârşi într-un punct, atunci fluxul magnetic printr-o suprafaţă închisă care înconjoară

punctul ar fi diferit de zero.

3. Fluxul magnetic se conservă în lungul unui tub de linii de câmp.