Майкл Фарадей стал первооткрывателем такого явления как электромагнитная индукция. Им было введено понятие «вектор индукции», который показывает направление потока. Эта физическая величина, которая равна произведению модуля самого вектора, проходящего через площадь и косинус этого угла. Данное выражение показывает связь между электрическим и магнитным явлениями.
Само это явление было обнаружено ученым в 1831 году. В статье будет рассказано о явлении электромагнитной индукции, как используется это явление в современной электротехнике, а также как рассчитать ее физические величины. Дополнением служат два видеоролика и одна скачиваемая научно-популярная статья по выбранной тематики.
Электромагнитная индукция
Магнитный поток. В однородном магнитном поле, модуль вектора индукции которого равен В, помещен плоский замкнутый контур площадью S. Нормаль n к плоскости контура составляет угол a с направлением вектора магнитной индукции В. Магнитным потоком через поверхность называется величина Ф, определяемая соотношением: Ф = В·S·cos a. Единица измерения магнитного потока в систем СИ – 1 Вебер (1 Вб). Электромагнитная индукция. Явление электромагнитной индукции обнаружено в 1831 г. Фарадеем. Оно выражает взаимосвязь электрических и магнитных явлений. Рассмотрим некоторые экспериментальные факты.
[stextbox id=’info’]Постоянный магнит вставляют в катушку, замкнутую на гальванометр, или вынимают из нее. При движении магнита в контуре возникает электрический ток.Аналогичный результат будет иметь место в случае перемещения электромагнита, по которому пропускают постоянный ток, относительно первичной катушки или при изменении тока в неподвижной вторичной катушке. [/stextbox]
Рамку, замкнутую на гальванометр, помещают в однородное магнитное поле и вращают. В рамке возникает электрический ток. Если же рамка движется поступательно, не пересекая силовых линий, то ток в ней не возникает. Рамка движется в неоднородном магнитном поле. Число линий индукции, пересекающих рамку, изменяется. В рамке возникает электрический ток. Ток, возникающий в контуре при изменении магнитного потока, называют индукционным током.
Явление электромагнитной индукции было открыто Майклом Фарадеем в 1831 г. Он опытным путем установил, что при изменении магнитного поля и и утри замкнутого проводящего контура в нем возникнет электрический ток, который называют индукционным током.
Вы знаете, что условием существования электрического тока в замкнутом контуре является наличие электродвижущей силы, поддерживающей разность потенциалов. Следовательно, при изменении магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, в нем возникает ЭДС, которую называют ЭДС индукции (ei). Явление возникновения ЭДС в контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего контур, называется электромагнитной индукцией. Если контур замкнут, то ЭДС индукции проявляется в возникновении электрического индукционного тока
I = ei/R
где R- сопротивление контура.
Если контур разомкнут, то на концах проводника возникает разность потенциалов, равная ei. Направление индукционного тока в контуре определяется правилом Ленца – Индукционный ток направлен так, чтобы своим магнитным полем противодействовать изменению магнитного потока, которым он вызван.
Направление индукционного тока определяется следующим образом:
- установить направление внешнего магнитного поля В.
- определить увеличивается или уменьшается поток вектора магнитной индукции внешнего поля.
- по правилу Ленца указать направление вектора магнитной индукции индукционного тока Вi.
- по правилу правого винта определить направление индукционного тока в контуре.
ЭДС индукции в движущемся проводнике. Пусть проводник длиной L перемещается со скоростью V в однородном магнитном поле, пересекая силовые линии. Вместе с проводником движутся заряды, находящиеся в проводнике. На движущийся в магнитном поле заряд действует сила Лоренца. Свободные электроны смещаются к одному концу проводника, а на другом остаются нескомпенсированные положительные заряды. Возникает разность потенциалов, которая и представляет собой ЭДС индукции ei. Ее величину можно определить, рассчитав работу, совершаемую силой Лоренца при перемещении заряда вдоль проводника:
ei = A/q = F·L/q.
Отсюда следует, что ei = B·V·L·sin a.
Самоиндукция является частным случаем разнообразных проявлений электромагнитной индукции. Рассмотрим контур, подключенный к источнику тока. По контуру протекает электрический ток I. Этот ток создает в окружающем пространстве магнитное поле. В результате контур пронизывается собственным магнитным потоком Ф. Очевидно, что собственный магнитный поток пропорционален току в контуре, создавшему магнитной поле:
Ф = L·I.
Коэффициент пропорциональности L называется индуктивностью контура. Индуктивность зависит от размеров, формы проводника, магнитных свойств среды. Единица измерения индуктивности в системе СИ – 1 Генри (Гн).
[stextbox id=’info’]Если ток в контуре изменяется, то изменяется и собственный магнитный поток Фс. Изменение величины Фс приводит к возникновению в контуре ЭДС индукции. Данное явление называется самоиндукцией, а соответствующее значение – ЭДС самоиндукции eiс.[/stextbox]
Из закона электромагнитной индукции следует, что eiс = dФс/dt.
Если L = const, то eiс= – L·dI/dt.
Электродвижущая сила, наведенная в проводе
При движении провода с постоянной скоростью ν с той же скоростью будут, перемещаться свободные электроны и положительные ионы провода. Если провод движется в однородном поле перпендикулярно магнитным линиям, то на каждую заряженную частицу будет действовать электромагнитная сила,направление которой определяется правилом левой руки. Под действием этих сил электроны будут перемещаться на один конец провода, создавая на нем отрицательный заряд, а на другом конце провода недостаток электронов вызовет положительный заряд. Разделение зарядов прекратится, если электромагнитные силы уравновесятся электрическими силами притяжения разноименных зарядов. Так, в результате работы электромагнитных сил в проводнике возникает э. д. с, которую называют э. д. с. электромагнитной индукции, а само явление — электромагнитной индукцией. В этом случае механическая энергия, затраченная на движение проводника, преобразуется в электрическую.
Явление электромагнитной индукции было открыто в .1831 г. английским физиком М. Фарадеем. На концах незамкнутого провода напряжение U равно э. д. с. электромагнитной индукции Е, таким образом (1-3);
Следовательно, наведённая (индуктированная) в проводе э. д. с. электромагнитной индукции пропорциональна величине магнитной индукции поля, в котором движется проводник, длине провода и скорости его движения в направлении, перпендикулярном магнитным линиям. Это первая формулировка закона электромагнитной индукции. Направление наведенной э. д. с. определяется правилом правой руки. Ладонь правой руки располагают так, чтобы магнитные линии входили в нее, отогнутый под прямым углом большой палец совмещают с направлением движения проводника, тогда вытянутые четыре пальца укажут направление индуктированной э. д. с.
Что такое индицирование
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. 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.
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
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, 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,
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, например замыкая и размыкая электрическую цепь, в которую он включен, то в расположенном параллельно ему проводнике ВГ индуцируется э.д.с. ем.
[stextbox id=’warning’]Индуцирование э.д.с. происходит в результате изменения магнитного потока, созданного током i1.[/stextbox]
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, 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.
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.
Полезный материал: что такое полупроводниковый диод.
Заключение
Более подробно об электромагнитной индукции можно узнать из статьи Физические величины индукции.Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. Также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов.
Также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов. Для этого приглашаем читателей подписаться и вступить в группу. В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию во время подготовки материала:
www.examen.ru
www.elektrospets.ru
www.sfiz.ru
www.electrono.ru
Предыдущая
