Электромагнитная индукция: феномен возникающий в индуцированном поле

  • Самая большая ошибка в том,
  • что мы быстро сдаёмся.
  • Иногда, чтобы получить желаемое,
  • надо просто попробовать ещё один раз.
  • Томас Эдисон
  • Современный мир не может обойтись без таких, казалось бы, уже повседневных приборов, как микрофоны и громкоговорители, трансформаторы и генераторы, планшеты и мобильные телефоны, и многое-многое другое.

Электромагнитная индукция: феномен возникающий в индуцированном поле

Что лежит в основе работы данных приборов? Без явления, которое было открыто Майклам Фарадеем чуть более 180 лет назад, эти приборы создать было бы не возможно и по сей день.

В прошлых уроках мы говорилось о том, что магнитное поле в каждой точке пространства полностью характеризуется вектором магнитной индукции.

Возникает вопрос: можно ли ввести такую величину, которая характеризовала магнитное поле не только в данной точке поля, а во всех точках поверхности, ограниченной замкнутым контуром?

Для ответа на этот вопрос, рассмотрим плоский замкнутый контур, который помещен в однородное магнитное поле, и ограничивающий поверхность площадью S. Пусть нормаль (вектор, длина которого равна единице, и который всегда перпендикулярен контуру) составляет с вектором магнитной индукции некий угол a.

Электромагнитная индукция: феномен возникающий в индуцированном поле

Рассмотрим, что будет происходить с контуром и с линиями магнитной индукции при изменении некоторых величин.

Первое изменим магнитное поле, например, усилив его с помощью еще одного магнита. Как можем заметить, при усилении магнитного поля количество силовых линий возрастает, следовательно, возрастает и их количество, которое будет пронизывать наш контур.

Электромагнитная индукция: феномен возникающий в индуцированном поле

Если уменьшить площадь контура при неизменной индукции магнитного поля, то это приведет к уменьшению числа линий, пронизывающих контур.

Электромагнитная индукция: феномен возникающий в индуцированном поле

Поворот контура также приводит к изменению числа линий, пронизывающих замкнутый контур.

Электромагнитная индукция: феномен возникающий в индуцированном поле

Если же плоскость контура расположить параллельно линиям магнитной индукции, то ни одна из этих линий не будет пронизывать контур.

Электромагнитная индукция: феномен возникающий в индуцированном поле

Требовалось ввести величину, которая характеризовала бы все эти закономерности магнитного поля. И физики нашли выход.

По аналогии с потоком воздуха, который меняется в зависимости от силы ветра или области пространства, в котором он ограничен, или потока воды в реке, в зависимости от ее ширины или проливных дождей, эту величину назвали магнитным потоком или потоком вектора магнитной индукции.

В настоящее время под магнитным потоком через плоскую поверхность понимают скалярную физическую величину, численно равную произведению модуля магнитной индукции на площадь поверхности, ограниченную контуром, и на косинус угла между нормалью к поверхности и магнитной индукцией.

Электромагнитная индукция: феномен возникающий в индуцированном поле

  1. Произведение модуля магнитной индукции на косинус угла альфа представляет собой проекцию вектора магнитной индукции на нормаль к плоскости контура.
  2. Анализируя формулу, легко заметить, что магнитный поток тем больше, чем больше линий магнитной индукции пронизывает контур и чем больше площадь этого контура.
  3. Обозначается магнитный поток большой греческой буквой F
  4. Единицей магнитного потока в СИ является Вб (вебер).
  5. [F] = [Вб]
  6. 1 вебер — это магнитный поток однородного магнитного поля с индукцией 1 Тл через перпендикулярную ему поверхность площадью 1 м2.

Электромагнитная индукция: феномен возникающий в индуцированном поле

Введенная физическая величина, является одной из главных в описании важнейшего физического явления современного мира: речь идет о явлении электромагнитной индукции.

Что это за явление?

Как известно, в 1820 году Ханс Кристиан Эрстед с помощью серии опытов показал, что вокруг любого проводника с током существует магнитное поле. Значит, имея электрический ток, можно получить магнитное поле.

Однако вставал тогда и другой вопрос: нельзя ли наоборот, имея магнитное поле, получить электрический ток? А если можно, то, что для этого нужно сделать?

Такую задачу в начале XIX в. попытались решить многие ученые. Среди них швейцарский физик Жан-Даниэль Колладон и английский физик Майкл Фарадей, которые практически одновременно начали заниматься решением этой проблемы. Записав в своем дневнике фразу «Превратить магнетизм в электричество!», Фарадей 10 лет потратил на упорные эксперименты, для решения поставленной задачи.

Электромагнитная индукция: феномен возникающий в индуцированном поле

Майкл Фарадей был уверен в том, что электрические и магнитные явления — это явления одной природы.

Благодаря своему упорству и вере в неделимость электрических и магнитных явлений, он сделал открытие, которое вошло в основу устройства генераторов всех электростанций мира, превращающих механическую энергию в энергию электрического тока. Открытие было сделано 17 октября 1831 года.

Вот полное описание первого успешного опыта: «Двести три фута медной проволоки в одном куске были намотаны на большой деревянный барабан; другие двести три фута такой же проволоки были проложены в виде спирали между витками первой обмотки, причем металлический контакт был везде устранен посредством шнурка.

Одна из этих спиралей была соединена с гальванометром, а другая — с хорошо заряженной батареей из ста пар пластин в четыре квадратных дюйма с двойными медными пластинками.

При замыкании контакта наблюдалось внезапное, но очень слабое действие на гальванометр, и подобное же слабое действие имело место при размыкании контакта с батареей».

Электромагнитная индукция: феномен возникающий в индуцированном поле

Таков был первый опыт, давший положительный результат после десятилетних поисков. Фарадей устанавливает, что при замыкании и размыкании  возникают индукционные токи противоположных направлений.

Далее он переходит к изучению влияния железа на индукцию. «Из круглого брускового, мягкого железа было сварено кольцо; толщина металла была равна семи-восьми дюймам, а наружный диаметр кольца — шести дюймам.

На одну часть этого кольца было намотано три спирали, каждая из которых содержала около двадцати четырех футов медной проволоки толщиной в одну двадцатую дюйма. Спирали были изолированы от железа и друг от друга и наложены одна на другую…

Ими можно было пользоваться по отдельности и в соединении; эта группа обозначена буквой А.

На другую часть кольца было намотано таким же способом около шестидесяти футов такой же медной проволоки в двух кусках, образовавших спираль B, которая имела одинаковое направление со спиралями А, но была отделена от них на каждом конце на протяжении примерно полу дюйма голым железом.

Спираль B соединялась медными проводами с гальванометром, помещенным на расстоянии трех футов от кольца.

Отдельные спирали А соединялись конец с концом так, что образовали общую спираль, концы которой были соединены с батареей из десяти пар пластин в четыре квадратных дюйма.

Гальванометр реагировал немедленно, притом значительно сильнее, чем это наблюдалось выше, при пользовании в десять раз более мощной спиралью без железа».

Таким образом, задача, поставленная Фарадеем в 1820 году, была решена: магнетизм был превращен в электричество.

Какого рода случайности могли помешать открытию, показывает следующий факт. Как говорилось в начале, одновременно с Фарадеем получить ток в катушке с помощью магнита пытался и швейцарский физик Колладон.

Он пользовался в своей работе гальванометром, легкая магнитная стрелка которого помещалась внутри катушки прибора.

Что бы магнит непосредственно не оказывал никакого влияния на магнитную стрелку, концы катушки были выведены в отдельную комнату и там присоединены к гальванометру.

Вставив магнит в катушку, Колладон шел в соседнюю комнату и разочарованный убеждался, что гальванометр не показывал наличие тока в цепи.

Действительно, ведь покоящийся относительно катушки магнит не может вызвать в ней тока. Стоило бы ему, например, наблюдать за гальванометром, а ассистента попросить заняться магнитом, и проблема была бы решена.

О вопросах надобности и ненадобности открытия данного явления долго спорил научный, и не только, мир. В архивах сохранилась следующая примечательная запись: «Однажды после лекции Фарадея в Королевском обществе, где он демонстрировал свои опыты, к нему подошел богатый коммерсант, оказывавший обществу материальную поддержку, и надменным голосом спросил:

— Всё, что вы нам здесь показывали, господин Фарадей, действительно красиво. Но теперь скажите мне, для чего годится эта магнитная индукция!?

— А для чего годится только что родившийся ребёнок? — ответил рассердившийся Фарадей.»

На вопрос коммерсанта в последующие годы ответили многие учёные и изобретатели, и прежде всего, Вернер фон Сименс, изобретший в 1866 г. динамо-машину, положившую основу для промышленного производства электроэнергии.

  • Впоследствии опыт Фарадея видоизменили и теперь в школах он представлен в следующем виде.

Берется катушка с намотанной на нее проволокой, концы которой присоединены к гальванометру. Если постоянный магнит, например полосовой, вдвигать внутрь катушки, то в цепи возникает электрический ток.

Если же магнит выдвигать из катушки, то гальванометр также регистрировал ток в цепи, но уже противоположного направления.

Электрический ток возникает и в том случае, если магнит оставить неподвижным, а двигать относительно него катушку.

Однако не при всяком движении магнита (или катушки) в цепи возникает электрический ток. Например, если вращать магнит внутри катушки, то гальванометр не зафиксирует наличие тока в цепи.

Аналогичный опыт можно проделать, используя вместо постоянного магнита, другую катушку, но уже с током. Не трудно заметить, что ток в катушке возникает всякий раз, когда изменяется магнитный поток, пронизывающий катушку.

Таким образом, явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего контур, называется явлением электромагнитной индукции. Полученный таким образом ток, называется индукционным током.

Как известно, ток в проводнике возникает лишь в том случае, если на свободные заряды проводника будут действовать сторонние силы. Работу этих сил при перемещении единичного заряда вдоль замкнутого проводника называют электродвижущей силой (сокращенно ЭДС).

Следовательно, при изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром (т.е. при изменении количества линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность), в нем появляются сторонние силы, действие которых характеризуется ЭДС, называемой ЭДС индукции.

Обозначают ее греческой буквой xi (кси), а измеряется она в В (вольт).

Как показывают опыты, значение индукционного тока, а, следовательно, и ЭДС индукции, не зависит от причин изменения магнитного потока (меняется ли площадь, ограниченная контуром, или его ориентация в пространстве, или за счет изменения среды и т.д.). Самое главное и существенное значение имеет лишь скорость изменения магнитного потока (так, стрелка гальванометра будет отклоняться сильнее, чем быстрее мы будем вдвигать и выдвигать магнит).

  1. Поэтому мы можем сказать, что сила индукционного тока пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.
  2. Сформулируем непосредственно сам закон электромагнитной индукции: среднее значение ЭДС индукции в проводящем контуре пропорционально скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.
  3. где Dt – промежуток времени, в течении которого произошло изменение магнитного потока.
Читайте также:  Двухтарифный счетчик электроэнергии: монтаж, преимущества, настройка

Стоит обратить внимание, что закон электромагнитной индукции формулируется именно для ЭДС, а не для силы индукционного тока, т.к. сила тока зависит и от свойств проводника, а ЭДС определяется только изменением магнитного потока.

Почему в законе электромагнитной индукции стоит знак «минус»? Какого его назначение? Индукционный ток противодействует изменению магнитного потока. Поэтому ЭДС индукции и скорость изменения магнитного потока имеют разные знаки.

Упражнения.

Задача. Из провода длиной 2 м сделан квадрат, который расположен горизонтально. Какой заряд пройдет по проводу, если его потянуть за две диагонально противоположные вершины так, чтобы он сложился? Сопротивление провода 0,1 Ом, а вертикальная составляющая индукции магнитного поля Земли 50 мкТл.

  • Основные выводы:
  • Магнитный поток через плоскую поверхность — это скалярная физическая величина, численно равная произведению модуля магнитной индукции на площадь поверхности, ограниченную контуром, и на косинус угла между нормалью к поверхности и магнитной индукцией.
  • – Единицей магнитного потока в системе СИ является Вб (вебер).
  • – Явление возникновения ЭДС в проводящем контуре (или тока, если контур замкнут) при изменении магнитного потока, пронизывающего контур, называется явлением электромагнитной индукции.
  • – Полученный таким способом ток называется индукционным током.
  • Закон электромагнитной индукции: среднее значение ЭДС индукции в проводящем контуре пропорционально скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.

Источник: https://videouroki.net/video/6-iavlieniie-eliektromaghnitnoi-induktsii-maghnitnyi-potok-zakon-eliektromaghnitnoi-induktsii.html

Электромагнитная индукция

Подробности Категория: Электричество и магнетизм Опубликовано 24.05.2015 20:43 Просмотров: 7436

Электромагнитная индукция: феномен возникающий в индуцированном поле

Электрические и магнитные явления тесно связаны. И если ток порождает магнетизм, то должно существовать и обратное явление — появление электрического тока при движении магнита. Так рассуждал английский учёный Майкл Фарадей, в 1822 г. сделавший в своём лабораторном дневнике следующую запись: «Превратить магнетизм в электричество».

Этому событию предшествовало открытие явления электромагнетизма датским физиком Хансом Кристианом Эрстедом, обнаружившим возникновение магнитного поля вокруг проводника с током.

Много лет Фарадей проводил различные эксперименты, но первые опыты не принесли ему удачи. Основная причина была в том, что учёный не знал, что лишь переменное магнитное поле способно создать электрический ток.

Реальный результат удалось получить лишь в 1831 г.

Опыты Фарадея

Электромагнитная индукция: феномен возникающий в индуцированном поле

Нажать на картинку

В опыте, проделанном 29 августа 1931 г., учёный обмотал витками проводов противоположные стороны железного кольца. Один провод он соединил с гальванометром. В момент подключения второго провода к батарее стрелка гальванометра резко отклонялась и возвращалась в исходное положение.

Такая же картина наблюдалась и при размыкании контакта с батареей. Это означало, что в цепи появлялся электрический ток. Он возникал в результате того, что силовые линии магнитного поля, созданного витками первого провода, пересекали витки второго провода и генерировали в них ток.

Электромагнитная индукция: феномен возникающий в индуцированном поле

Опыт Фарадея

Через несколько недель был проведен опыт с постоянным магнитом. Фарадей подключил гальванометр к катушке из медной проволоки. Затем резким движением втолкнул внутрь магнитный стержень цилиндрической формы. В этот момент стрелка гальванометра также резко качнулась.

Когда стержень извлекался из катушки, стрелка качнулась также, но в противоположную сторону. И так происходило каждый раз, когда магнит вталкивался или выталкивался из катушки. То есть ток появлялся в контуре при движении магнита в нём.

Так Фарадею удалось «превратить магнетизм в электричество».

  • Электромагнитная индукция: феномен возникающий в индуцированном поле
  • Фарадей в лаборатории
  • Ток в катушке появляется также, если вместо постоянного магнита внутри неё перемещать другую катушку, подключенную к источнику тока.

Во всех этих случаях происходило изменение магнитного потока, пронизывающего контур катушки, что приводило к появлению электрического тока в замкнутом контуре. Это явление навали электромагнитной индукцией, а ток – индукционным током.

Известно, что ток в замкнутом контуре существует, если в нём поддерживает разность потенциалов с помощью электродвижущей силы (ЭДС). Следовательно, при изменении магнитного потока в контуре такая ЭДС в нём и возникает. Она называется ЭДС индукции.

Закон Фарадея

Электромагнитная индукция: феномен возникающий в индуцированном поле 

Майкл Фарадей

Величина электромагнитной индукции не зависит от того, по какой причине меняется магнитный поток – изменяется ли само магнитное поле или контур движется в нём. Она зависит от скорости изменения магнитного потока, пронизывающего контур.

  1. где ε – ЭДС, действующая вдоль контура;
  2. ФВ – магнитный поток.
  3. На величину ЭДС катушки в переменном магнитном поле влияет число витков в ней и величина магнитного потока. Закон Фарадея в этом случае выглядит так:
  4. Электромагнитная индукция: феномен возникающий в индуцированном поле 
  5. где N – число витков;
  6. ФВ – магнитный поток через один виток;
  7. Ψ – потокосцепление, или суммарный магнитный поток, сцепляющийся со всеми витками катушки.
  8. Ψ = N·Фi
  9. Фi– поток, проходящий через один виток.
  10. Даже слабый магнит может создать большой ток индукции, если скорость движения этого магнита высока.

Так как индукционный ток возникает в проводниках при изменении магнитного потока, пронизывающего их, то в проводнике, который движется в неподвижном магнитном поле, он появится тоже.

Направление тока индукции в этом случае зависит от направления движения проводника и определяется по правилу правой руки: «Если расположить ладонь правой руки таким образом, чтобы в неё входили силовые линии магнитного поля, а отогнутый на 900 большой палец показывал бы направление движения проводника, то вытянутые 4 пальца укажут направление индуцированной ЭДС и направление тока в проводнике».

Правило Ленца

Электромагнитная индукция: феномен возникающий в индуцированном поле

Эмилий Христианович Ленц

Направление тока индукции определяется по правилу, которое действует во всех случаях, когда такой ток возникает.

Это правило сформулировал российский физик балтийского происхождения Эмилий Христианович Ленц: «Индукционный ток, возникающий в замкнутом контуре, имеет такое направление, что создаваемый им магнитный поток противодействует изменению того магнитного потока, который этот ток вызвал.

Нужно заметить, что такой вывод был сделан учёным на основании результатов опытов. Ленц создал прибор, состоящий из свободно вращающейся алюминиевой пластинки, на одном конце которой было закреплено сплошное кольцо из алюминия, а на другом – кольцо с надрезом.

  • Если магнит приближали к сплошному кольцу, оно отталкивалось и начинало «убегать».
  • Электромагнитная индукция: феномен возникающий в индуцированном поле
  • Нажать на картинку
  • При отдалении магнита кольцо стремилось догнать его.
  • Электромагнитная индукция: феномен возникающий в индуцированном поле
  • Нажать на картинку
  • Ничего подобного не наблюдалось с разрезанным кольцом.

Ленц объяснил это тем, что в первом случае индукционный ток создаёт магнитное поле, линии индукции которого направлены противоположно линиям индукции внешнего магнитного поля.

  Во втором случае линии индукции магнитного поля, созданного индукционным током, совпадают по направлению с линиями индукции поля постоянного магнита.

В разрезанном кольце ток индукции не возникает, поэтому оно не может взаимодействовать с магнитом.

Согласно правилу Ленца при увеличении внешнего магнитного потока индукционный ток будет иметь такое направление, что созданное им магнитное поле будет препятствовать такому увеличению. Если же внешний магнитный поток уменьшается, то магнитное поле индукционного тока будет поддерживать его и не давать ему уменьшаться.

Генератор электрического тока

  1. Генератор переменного тока
  2. Открытие Фарадеем электромагнитной индукции позволило использовать это явление на практике.

Что произойдёт, если вращать катушку с большим количеством витков из металлической проволоки в неподвижном магнитном поле? Магнитный поток, пронизывающий контур катушки, будет постоянно меняться. И в ней возникнет ЭДС электромагнитной индукции.

Значит, такая конструкция может вырабатывать электрический ток. На этом принципе основана работа генераторов переменного тока.

Генератор состоит из 2 частей – ротора и статора. Ротор — это подвижная часть. В генераторах малой мощности чаще всего вращается постоянный магнит. В мощных генераторах вместо постоянного магнита используют электромагнит.

Вращаясь, ротор создаёт изменяющийся магнитный поток, который и генерирует электрический ток индукции в витках обмотки, расположенной в пазах неподвижной части генератора – статоре. Ротор приводят во вращение двигателем.

Это может быть паровая машина, водяная турбина и др.

Трансформатор

Это, пожалуй, самые распространённое устройство в электротехнике, предназначенное для преобразования электрического тока и напряжения. Трансформаторы используются в радиотехнике и электронике. Без них невозможна передача электроэнергии на большие расстояния.

Простейший трансформатор состоит из двух катушек, имеющих общий металлический сердечник. Переменный ток, подаваемый на одну из катушек, создаёт в ней переменное магнитное поле, которое усиливается сердечником.

Магнитный поток этого поля, пронизывая витки второй катушки, создаёт в ней индукционный электрический ток. Так как величина ЭДС индукции зависит от числа витков, то меняя их соотношение в катушках, можно менять и величину тока.

Это очень важно, например, при передаче электроэнергии на большие расстояния. Ведь при транспортировке происходят большие потери, из-за того, что провода нагреваются. Уменьшив с помощью трансформатора ток, эти потери снижают. Но при этом напряжение увеличивается.

На конечном этапе с помощью понижающего трансформатора снижают напряжение и увеличивают ток. Конечно, такие трансформаторы устроены гораздо сложнее.

Нельзя не сказать о том, что не только Фарадей пытался создать индукционный ток. Подобные эксперименты проводил также известный американский физик Джозеф Генри. И ему удалось добиться успеха практически одновременно с Фарадеем. Но Фарадей опередил его, опубликовав сообщение о сделанном им открытии раньше Генри. 

Источник: http://ency.info/materiya-i-dvigenie/elektrichestvo-i-magnetizm/447elektromagnitnaya-induktsiya

§21. Электромагнитная индукция

Индуцирование Э.Д.С. При пересечении проводником силовых линий магнитного поля в нем возникает или, как говорят, индуцируется э. д. с. Это явление называется электромагнитной индукцией.

Возникновение э.д.с. объясняется действием сил магнитного поля на находящиеся в проводниках свободные электроны. Свободные электроны под влиянием этих сил начнут двигаться вдоль проводника (рис. 51, а).

В результате этого движения на одном конце проводника накопятся свободные электроны и возникнет отрицательный электрический заряд, а на другом конце ввиду недостатка электронов появится положительный заряд.

Такое разделение электрических зарядов при движении проводника в магнитном поле будет происходить до тех пор, пока электромагнитные силы не уравновесятся силами электрического поля, возникающего в проводнике в результате появления на его концах разноименных электрических зарядов.

Разность потенциалов на концах проводника численно равна индуцированной в проводнике э.д.с. Индуцирование э.д.с. в проводнике происходит независимо от того, включен ли он в какую-либо электрическую цепь или нет. Если присоединить концы этого проводника к какому-либо приемнику электрической энергии, то под влиянием разности потенциалов на концах проводника по замкнутой цепи потечет электрический ток.

Читайте также:  Плинтус с кабель каналом: преимущества, разновидности, установка

Электромагнитная индукция: феномен возникающий в индуцированном поле

Значение индуцированной э. д. с. определяется законом электромагнитной индукции Фарадея. Он формулируется следующим образом. Индуцированная э. д. с. е прямо пропорциональна индукции магнитного поля В, длине проводника l и скорости его перемещения ? в направлении, перпендикулярном силовым линиям поля,

e = Bl? (50)

Если проводник движется под углом ? к направлению поля, то

e = Bl? sin ? (50′)

Если проводник перемещается вдоль силовых линий поля, т. е. как бы скользит по ним, то э.д.с. в нем не возникает.

Рис. 51. Индуцирование э.д.с. в проводнике при перемещении его в магнитном поле

Рис. 52. Индуцирование э.д.с. в витке (а) и в катушках (б и в)

Направление индуцированной э. д. с. определяют правилом правой руки. Если ладонь правой руки держать так, чтобы в нее входили магнитные силовые линии поля, а отогнутый большой палец совместить с направлением движения проводника (т. е.

направлением его скорости ?), то вытянутые четыре пальца укажут направление индуцированной э.д.с. е (рис. 51, б). Пользуясь этим правилом, легко убедиться в том, что при изменении направления движения проводника будет изменяться и направление индуцированной э.д.с.
Индуцировать э.д.с.

в проводниках можно и не перемещая их в магнитном поле. Для этого необходимо перемещать само магнитное поле или изменять тем или иным путем магнитный поток, охватываемый витком, катушкой или каким-либо другим замкнутым контуром. Индуцированная таким образом э.д.с.

определяется согласно закону электромагнитной индукции Максвелла: э.д.с, индуцированная в замкнутом контуре (рис. 52,а), равна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего этот контур, т. е.

е = -?Ф/?t,

где

?Ф = Ф1— Ф2 — изменение магнитного потока, пронизывающего контур (от значения Ф1, до значения Ф2);

?t — промежуток времени (от момента t1 до момента t2), в течение которого происходит указанное изменение потока.

Иными словами, чем быстрее изменяется магнитный поток, пронизывающий замкнутый контур, тем больше индуцированная э.д.с.
Каждый виток можно рассматривать как некоторый замкнутый контур. Поэтому индуцированная в нем э.д.с. определяется по формуле (51). Э.д.с, индуцированная в катушке с числом витков ?, если все ее витки пронизываются одним и тем же потоком (рис. 52, б),

е = -? ?Ф / ?t (51′)

Отдельные витки катушки могут пронизываться различными потоками (рис. 52, в), т. е. могут быть сцеплены с различным числом силовых магнитных линий. Алгебраическая сумма потоков, сцепленных со всеми витками катушки, называется ее потокосцеплением ?. Например, для катушки, показанной на рис. 52, в,

?=?1Ф1+ ?2(Ф1+Ф2).

Индуцированная э.д.с. в этом случае

е = -?? / ?t (52)

где ??— изменение потокосцепления ? за время ?t.

Следовательно, в общем случае индуцированная э.д.с. равна скорости изменения потокосцепления катушки.

Правило Ленца. Направление индуцированной э.д.с. определяется правилом Ленца. Его формулируют следующим образом: индуцированная э.д.с. имеет такое направление, при котором созданный ею ток противодействует причине, вызвавшей появление э.д.с, т.е.

противодействует изменению магнитного потока. Знак «минус» в формулах (51), (51’) и (52) выражает существо правила Ленца: если изменение потока Ф или потокосцепления ? положительно (например, увеличивается), то э.д.с. е отрицательна, т. е.

созданный ею ток будет уменьшать Ф или ?.

Правило Ленца может быть проиллюстрировано следующими примерами. При опускании магнита (или электромагнита) внутрь катушки (рис. 53, а) э.д.с, индуцированная в катушке, имеет такое направление, при котором созданное током катушки магнитное поле будет противодействовать опусканию магнита.

При удалении же магнита из катушки (рис. 53, б) индуцированная в ней э.д.с. создает ток, направленный так, что магнитное поле катушки препятствует удалению магнита.
Если изменять ток i1 в проводнике АБ (рис.

54), например замыкая и размыкая электрическую цепь, в которую он включен, то в рас-

Рис. 53. Индуцирование э. д. с. при движении магнита внутри катушки.

Рис 54. Индуцирование э.д.с. в параллельно расположенных проводниках при изменении проходящего по одному из них тока

Рис. 55. Способы индуцирования э.д.с в трансформаторах (а) и электрических машинах (б и в)

положенном параллельно ему проводнике ВГ индуцируется э.д.с. ем. Индуцирование э.д.с. происходит в результате изменения магнитного потока, созданного током i1.

Часть этого изменяющегося потока пронизывает замкнутый контур, составленный из проводника ВГ и присоединенного к нему электроизмерительного прибора. Э. д. с.

ем направлена так, чтобы вызванный ею ток i2 создавал магнитный поток, препятствующий изменению магнитного поля, созданного током i1, протекающим в проводнике АБ.

При увеличении тока i1 э. д. с. ем и ток i2 в проводнике ВГ будут направлены против тока i1. При уменьшении же тока i1 э. д. с. ем и ток i2 будут направлены в ту же сторону, что и ток i1.

Способы индуцирования э. д. с. в электрических машинах. Явление электромагнитной индукции широко используется в различных электрических машинах и устройствах. На этом принципе основано устройство электрических генераторов, двигателей и трансформаторов. Для индуцирования э. д. с. в них обычно применяются три способа:

изменение тока в катушке 1 (рис. 55, а), в магнитном поле которой расположена вторая катушка 2. При этом непрерывно изменяется магнитный поток, охватываемый второй катушкой, и в ней, а также и в первой катушке, будут индуцироваться электродвижущие силы e1 и e2. Этот способ используют в трансформаторах;

вращение магнитного поля, созданного постоянными магнитами или электромагнитами 3, относительно неподвижных катушек 4 (рис. 55, б). При этом непрерывно изменяется магнитный поток, пронизывающий каждую катушку, и в них индуцируются э. д. с. е. Такой способ используют в основном в машинах переменного тока;

вращение витков 6 или катушек в постоянном магнитном поле, созданном неподвижными постоянными магнитами 5 или электромагнитами (рис. 55, в). При этом непрерывно изменяется магнитный поток, охватываемый каждым витком или катушкой, вследствие чего в них индуцируется э. д. с. е. Этот способ используют в основном в электрических машинах постоянного тока.

В рассмотренных случаях э. д. с, индуцированные в витках или катушках, будут переменными.

Электромагнитная индукция: феномен возникающий в индуцированном поле

Источник: https://electrono.ru/elektromagnetizm-i-elektromagnitnaya-indukciya/21-elektromagnitnaya-indukciya

Электромагнитная индукция. Правило Ленца

Явление электромагнитной индукции заключается в том, что в результате изменения во времени магнитного потока, который пронизывает замкнутый проводящий контур, в контуре возникает электрический ток. Открыто это явление было физиком из Великобритании Максом Фарадеем в 1831 году.

Формула магнитного потока

Введем обозначения, необходимые нам для записи формулы. Для обозначения магнитного потока используем букву Ф, площади контура – S, модуля вектора магнитной индукции – B, α – это угол между вектором B→ и нормалью n→ к плоскости контура.

  • Магнитный поток, который проходит через площадь замкнутого проводящего контура, можно задать следующей формулой:
  • Φ=B·S·cos α,
  • Проиллюстрируем формулу.

Электромагнитная индукция: феномен возникающий в индуцированном поле

Рисунок 1.20.1. Магнитный поток через замкнутый контур. Направление нормали n→ и выбранное положительное направление l→ обхода контура связаны правилом правого буравчика.

За единицу магнитного потока в СИ принят 1 вебер (Вб). Магнитный поток, равный 1 Вб, может быть создан в плоском контуре площадью 1 м2 под воздействием магнитного поля с индукцией 1 Тл, которое пронизывает контур по направлению нормали.

1 Вб=1 Тл·м2

Закон Фарадея

Изменение магнитного потока приводит к тому, что в проводящем контуре возникает ЭДС индукции δинд.

Она равна скорости, с которой происходит изменение магнитного потока через ограниченную контуром поверхность, взятой со знаком минус. Впервые экспериментально установил это Макс Фарадей.

Он же записал свое наблюдение в виде формулы ЭДС индукции, которая теперь носит название Закона Фарадея:

Определение 1

Закон Фарадея:

δинд=-∆Φ∆t

Правило Ленца

Определение 2

Согласно результатам опытов, индукционный ток, который возникает в замкнутом контуре в результате изменения магнитного потока, всегда направлен определенным образом. Создаваемое индукционным током магнитное поле препятствует изменению вызвавшего этот индукционный ток магнитного потока. Ленц сформулировал это правило в 1833 году.

Проиллюстрируем правило Ленца рисунком, на котором изображен неподвижный замкнутый проводящий контур, помещенный в однородное магнитное поле. Модуль индукции увеличивается во времени. 

Пример 1

Электромагнитная индукция: феномен возникающий в индуцированном поле

Рисунок 1.20.2. Правило Ленца

Здесь ∆Φ∆t>0, а δинд

Источник: https://Zaochnik.com/spravochnik/fizika/magnitnoe-pole/elektromagnitnaja-induktsija-pravilo-lentsa/

Явление электромагнитной индукции

Явление электромагнитной индукции было открыто М. Фарадеем в 1831 г. Это явление заключается в том, что если проводящий контур (проводник) поместить в переменное магнитное поле, то в контуре возникает электродвижущая сила индукции (ЭДС индукции). Если такой контур будет замкнут, то в нем потечет электрический ток, который называют током индукции.

Индукционный ток возникает в контуре, если он или его часть пересекает линии магнитной индукции, такой вывод сделал Фарадей. Магнитное поле – это вихревое поле, его линии всегда замкнуты. Линии индукции сцеплены с проводящим контуром. Изменение количества линий индукции, которые охвачены контуром, возникает, если они пересекают контур.

Значение явления электромагнитной индукции заключается в том, что оно показывает связь между электрическим и магнитными полями. Электрические токи порождают магнитные поля, а переменные магнитные поля вызывают токи.

Закон электромагнитной индукции

Закон электромагнитной индукции получен М. Фарадеем, современную формулировку данного закона мы знаем в интерпретации Максвелла.

ЭДС электромагнитной индукции () в контуре, помещенном в переменное магнитное поле, равна по величине скорости изменения магнитного потока (), который проходит через поверхность, которую ограничивает рассматриваемый контур. При этом знаки ЭДС и скорости изменения магнитного потока противоположны.

В системе международных единиц (СИ) закон электромагнитной индукции записывают так:

    Электромагнитная индукция: феномен возникающий в индуцированном поле

где – скорость изменения магнитного потока сквозь площадь, которую ограничивает контур. (Часто индекс у магнитного потока опускают и обозначают его Ф).

Когда вычисляют ЭДС индукции и магнитный поток, учитывают то, что направление нормали к плоскости контура () и направление его обода связаны.

Вектор должен быть направлен так, чтобы из его конца обход контура проходил против часовой стрелки.

  • Если контур составлен из N витков, соединенных последовательно (имеем соленоид), то закон электромагнитной индукции записывают как:
  •     Электромагнитная индукция: феномен возникающий в индуцированном поле
  • где величина называется потокосцеплением.
  • Знак минус в законе (1) отображает закон Ленца, который говорит о том, что ток индукции всегда направлен так, что созданный им магнитный поток, через поверхность, ограничиваемую контуром, старается уменьшить изменения магнитного потока, которые вызывают возникновение этого тока.
Читайте также:  Как выбрать автоматический выключатель

Магнитный поток, который охватывает контур, способен изменяться, если контур перемещается в поле или повергается деформации, магнитное поле может изменяться во времени. Величина , являясь полной производной, способна учесть все эти причины.

При движении контура в постоянном магнитном поле, ЭДС индукции возникает во всех частях контура, которые пересекают линии магнитной индукции поля. Результирующую ЭДС находят как алгебраическую сумму ЭСД участков.

Примеры решения задач

Понравился сайт? Расскажи друзьям!

Источник: http://ru.solverbook.com/spravochnik/fizika/yavlenie-elektromagnitnoj-indukcii/

Использование явления электромагнитной индукции в технике

  • Физическая суть явления электромагнитной индукции
  • Величина индуцированной ЭДС
  • Потокосцепления
  • Использование явления электромагнитной индукции в технике
  • Явление самоиндукции
  • Энергия магнитного поля
  • Вихревые токи
  • Литература

Данилов Н.А., Иванов Н.М., «Общая электротехника с основами электроники», М .: 2005.

Гаврилов В.А. «Общая электротехника с основами электроники», М .: 1980

  1. Физическая суть явления электромагнитной индукции
  2. Явлением елекипромагнитнои индукции называется виникнення ЭДС в проводнике при пересечении проводником магнитних силовых линий или при изменении величины магнитного потока, пронизывающего контур.
  3. Изменение величины магнитного потока внутри катушки вызывает наведення ЭДС.
  4. Для определения направления ЭДС, индуцированной в контуре или в катушке, что возникает при изменении магнитного потока в них используется правило Ленца:
  5. Индуцированная ЕPC всегда направлена ​​так, что своим смрумом и магнитным потоком противодействует причине, что ее вызвало
  6. Например, если постоянный магнит вносится в катушку то в ней возникает индукционный ток такого направления, противодействует движения магнита к катушке, то есть сверху катушки возникает одноименный полюс, отталкивает магнит Если магнит, который находился внутри катушки, отдаляется от нее, то направление индукционного тока будет таким, еще сверху катушки возникает противолежащий полюс, который притягивает магнит к катушке, то есть препятствует его удалению, что, в свою очередь, и было причиной возникающую тока
  7. Величина индуцированной ЭДС
  8. Величина индуцированной ЭДС при перемещении проводника в магнитном поле определяется по формуле
  9. е=Blv sinα,
  10. где е — индуцированная ЭДС, В; v- скорость движения проводника, м / с; l — длина проводника, м; α — угол между направлением вектора магнитной индукции и направлением движения проводника, градус.

При перемещении проводника под углом 90 ° к направлению магнитной индукции поля индуцированная ЭДС имеет максимальную величину, sin 90 ° = 1 при других углах движения величина ЭДС меньшая. Это объясняется тем, что при перемещении под углом 90 ○ проводник за единицу времени пересекает самую килькисть магнитных силовых линий.

Когда индуцированная ЭДС возникает в контуре или внутри катушки с счет магнитного потока, меняется, то величина ЭДС зависит от скорости изменения магнитного потоку и определяется по формуле

где e — индуцированная ЭДС, В; dФ = Ф1-Ф2 — прирост магнитного потока, Вб; dt = t1-t2 прирост времени: dФ / dt — скорость изменения магнитного потока, убьет / с.

Знак «минус» отображает физическую суть правила Ленца, то есть противодействие индуцированной ЭДС причине, что ее вызвало. Вообще электромагнитная индукция — это явление перетворення механической энергии в электрическую.

Потокосцепления

Если через катушку проходит ток, то образуется магнитный поток Ф, сцепленный с витками катушки N. Если все магнитные линии сцеплении со всеми витками катушки (см. Рис.), То потокосцепления выражается формулой

  • Ψ = NФ,
  • где Ψ — потокосцепления, Вб.
  • Если магнитный поток меняется, то изменение потокосцепления определяется так:
  • Ψ = NdФ,

  • Тогда индуцированной ЭДС можно выразить через потокосцепления
  • Закон электромагнитной индукции выражается так: электродвижущая сила, индуцируется в замкнутом контуре при изменении сцепленного с ним магнитного потока, равна скорости изменения потокосцепления.
  • Использование явления электромагнитной индукции в технике

Явление электромагнитной индукции широко применяется в технике, например на электростанциях в генераторах большой мощности, которые превращают механическую энергию и электрическую.

Это явление применяют также в устройствах, работающих с достаточно малыми мощностями (звукознимачi электропроигрывателей, которые обеспечивают воспроизведение грампластинок; магнитофоны; электродинамические микрофоны) Мощности развивающихся в этих устройствах, измеряются долями микроватт.

  1. Явление самоиндукции
  2. Если с помощью потенциометра изменять напряжение, подаваемое на тороидальных катушку, то при изменении величины тока в обмотке катушки меняется магнитный поток, и поэтому в катушке индукуватиметься ЭДС, называется ЭДС самоиндукции.
  3. Саяомдукциею называется явление возникновения в проводнике или в катушке ЭДС, которая образуется в результате изменения собственного тока и созданного им магнитного потока.
  4. Явление самоиндукции — это частный случай электромагнитной индукции, оно наблюдается во всех электрических колах, где меняется величина тока. В цепях переменного тока ЭДС самоиндукции возникает непрерывно, а в цепях постоянного тока — только в трех случаях, а именно:
  5. при замыкании цепи, поскольку ток в цепи возрастает от нуля до некоторой величины, определяется по закону Ома;
  6. при размыкании цепи, поскольку ток уменьшается от существующей величины до нуля;
  7. при изменении величины тока с помощью реостата или потенциометра.
  8. Направление ЭДС самоиндукции определяется по правилу Ленца, то есть при увеличении величины тока в цепи возникает ЭДС самоиндукции, противоположная по направлению к току, так, что противодействует его росту, который является причиной возникновения ЭДС.

Если ток в цепи уменьшается, то ЭДС самоиндукции имеет тот же направление, что и ток, уменьшается, то есть препятствует его уменьшению. Таким образом, ЭДС противодействует уменьшению тока, поддерживая его.

  • коэффициент самоиндукции и индуктивность обозначается буквой Д и Единицей индуктивности является генри (Гн).
  • Формула ЭДС самоиндукции часто спрашивают так:

  • Отсюда величина ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения тока и индуктивности катушки.
  • Рассмотрим физическую суть индуктивности L, определяется формулой

  • Из формулы L = фn / I следует, что индуктивностью катушки называется величина, характеризующая способность данного катушки создавать определенную величину магнитного потоку при токе в катушке 1 А.
  • Итак, чем больше индуктивность катушки, тем больше величина магнитного потока, созданного током, и тем больше ЭДС самоиндукции при данной скорости изменения тока.

Если в формуле L = фn / I взять единицы величин N, Ф, И, может L = 1 генри. Отсюда единица индуктивности один генри — это индуктивность такого контура, с которым сцеплен магнитний поток один вебер при токе в контуре в один ампер.

Индуктивность катушки равна одному генри, если в ней при изменении тока со скоростью один ампер за одну секунду индуцируется ЭДС самоиндукции в один вольт.

В электронных схемах часто используют катушки с индуктивностью, значительно меньше одного генри, а именно, моли и микрогенри 1 Гн = 103 мГн; 1 Гн = 106 мкГн. В формуле Ldi / dt можно заменить Ldi на dΨ. Тогда ЭДС самоиндукции определится так, как и для электромагнитной индукции:

На практике иногда необходимы безиндукцийни катушки, в которых L = 0 и при изменении тока в которых не возникает ЭДС самоиндукции.

Чтобы получить такие катушки, их обмотки выполняют бифилярной, то есть когда в соседних витках катушки ток имеет противоположные направления и магнитные потоки созданные этими витками, имеют противоположные направления.

Тогда общий магнитный поток катушки равен нулю. Следовательно, при изменении тока в витках катушки ЭДС самоиндукции не возникает.

  1. Чтобы получить катушки с переменной индуктивностью, в таких котущках индуктивность меняют следующими способами:
  2. 1) меняют магнитную проницаемость посредством внесения в катушку или вынесением из нее различных сердечников
  3. 2) изменяют количество витков катушки с помощью переключателя.
  4. 3) применяют устройство, называемое вариометром.
  5. Энергия магнитного поля
  6. Если через проводник или катушку проходит ток, то часть электроэнергии расходуется на преодоление сопротивления проводника и превращается в тепло, а часть образует магнитное поле, в котором накапливается некоторая часть энергии превращается в потенциальну энергию.

При размыкании цепи ток уменьшается до нуля в течение очень малого промежутка времени, а также уменьшается до нуля и магнитное поле. При этом в проводнике или катушке индуцируется ЭДС самоиндукция за счет накопленной в магнитном поле энергии.

Итак, энергия магнитного поля

Пример

В магнитном поле катушки с индуктивностью L = 0,5 Гн накапливается энергия WL = 6,25 Дж. Найти силу тока в котутци.

Решение. Из формулы WL = LI2 / 2 найдем величину тока:

Взаимоиндукция

Пусть имеем две катушки, расположенные рядом. Через первую катушку проходит ток, созданный источником ЭДС. Часть магнитных силовых линий этой катушки перетинае витки обеих катушек.

Обозначим эту часть магнитного потока через Ф12.

Если с помощью реостата начать изменять величину тока в цепи первой катушки, то такое изменение магнитного потока обусловливает индуцированной ЭДС, как в первой, так и во второй катушках.

  • ЭДС, возникающая в витках второй катушки от изменения магнитного потока первой катушки, называется ЭДС взаимоиндукции.
  • Явление возникновения индуцированной ЭДС в проводниках, расположенных вблизи других проводников, по которым проходит переменный во времени электрический ток, называется взаимоиндукции.
  • ЭДС взаимоиндукции образовываться также при замыкании и размыкании цепи первой катушки том, что при этом тоже происходит изменение тока и его магнитного потока от нуля до постоянной величины и от постоянной величины до нуля.
  • ЭДС самоиндукции во второй катушке определяется формулой

  • Изменение потокосцепления dΨ2 происходит за счет изменения тока di1, следовательно,

  • Тогда

  • Согласно этой формуле, величина ЭДС самоиндукции зависит от постоянных величин катушек и сердечника
  • N1N2 μa S/l
  • Обозначим это выражение буквой М:
  • Тогда
  • Коэффициент пропорциональности М называют взаимной индуктивности.

Итак, взаимной индуктивности и зиваеться величина, характеризующая степень передачи энергии от одной электрической цепи в другого.0диницею взаемоиндуктивности является генри.

  1. Если круг второй обмотки включено на потребителя енергии, то ЭДС взаимной индукции eM2 создает в нем ток i2 магнитный поток Ф2, которые при
  2. Таким образом, напряжение источника U1 частично падает на сопротивлении катушки R1, а частично идет на преодоление противодействия ЭДС самоиндукции eL1 и ЭДС взаемоиндукции EM1.
  3. Связь между взаимной индуктивности M и индуктивностями катушек:
  4. M2 = L1L2.
  5. Отсюда
  6. Это равенство выполняется при отсутствии магнитного рассеяния, то есть когда все магнитный поток, образованный током первой обмотки, проходит внутри второй обмотки, например, весь магнитный поток замыкается по ферромагнитного сердечника, вследствие его малого сопротивления магнитному потоку. При наличии магнитного рассеяния часть магнитного потока не проходит внутри второй катушки и ЭДС взаимоиндукции меньше, тогда это равенство надо брать с коэффициентом K

Источник: https://megalektsii.ru/s22910t10.html

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector