Механічні сили в магнітному полі
У техніці широко застосовуються пристрої, в основу роботи яких покладено дію магнітного поля (електродвигуни, реле, тягові та піднімальні електромагніти, електровимірювальні прилади та ін.).
Електромагнітні сили враховують при розрахунку електричних апаратів, проектуванні розподільних: пристроїв електростанцій та в інших випадках.
Енергетичний баланс в електромагнітній системі
Визначення електромагнітної сили Fa розглянемо на прикладі взаємодії полюсів електромагніту (рис. 11.4), вважаючи магнітне поле в повітряному зазорі між полюсами рівномірним. .
Позначимо струм в обмотці електромагніту через і, опір обмотки — R, можливе мале переміщення одного з полюсів (якоря електромагніту) ,
Робота зовнішнього джерела енергії, до затискачів якого під'єднано обмотку електромагніту, в загальному випадку витрачається на виділення тепла в обмотці , на зміну енергії в магнітному полі та механічну роботу.
Згідно із законом збереження енергії, за малий відрізок часу енергетичний баланс у системі виражається рівнянням
Розглянемо їх більш докладно. При цьому врахуємо висновки про те, що зміна енергії магнітного поля й робота електромагнітних сил залежать від зміни потокозчеплення:
.
Узагальнений вираз електромагнітної сили (перший випадок).
Потокозчеплення в магнітній системі не змінюється; ця умова звичайно дотримується в електромагнітах змінного струму. Тоді
Остання рівність показує, що механічна робота, пов'язана з переміщенням якоря електромагніту, здійснюється .за рахунок енергії магнітного поля Зовнішнє джерело витрачає енергію тільки на виділення тепла.
Механічна робота електромагнітної сили додатна, отже, зміна енергії магнітного поля від'ємна, тобто вона зменшується.
Аналогічно можна дістати залежність між механічним моментом і кутом повороту якоря:
Механічну силу, яка намагається змінити положення якоря, можна подати відношенням.
Отже, механічна сила (або момент), яка намагається змінити положення якоря електромагніту, дорівнює збільшенню енергії магнітного поля в розрахунку на одиницю зміни шляху (або кута), якщо струм в обмотці не змінюється.
Механічна робота, пов'язана з переміщенням якоря, здійснюється зовнішніми механічними силами. Значення цієї роботи чисельно дорівнює зменшенню енергії магнітного поля. Отже, джерелу електричної енергії повертається енергія, яка чисельно дорівнює подвоєному значенню механічної роботи.