электромагнитное поле явление электромагнитной индукции

Явление электромагнитной индукции. Магнитный поток. Закон электромагнитной индукции

Урок 6. Физика 11 класс

20210413 vu tg sbscrb2

6

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

20210706 unblock slide1

20210706 unblock slide2

20210706 unblock slide3

Конспект урока «Явление электромагнитной индукции. Магнитный поток. Закон электромагнитной индукции»

Самая большая ошибка в том,

что мы быстро сдаёмся.

Иногда, чтобы получить желаемое,

надо просто попробовать ещё один раз.

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.

image001

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.

image002

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.

image003

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

image004

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

image005

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

image006

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.

image007

Произведение модуля магнитной индукции на косинус угла альфа представляет собой проекцию вектора магнитной индукции на нормаль к плоскости контура.

Анализируя формулу, легко заметить, что магнитный поток тем больше, чем больше линий магнитной индукции пронизывает контур и чем больше площадь этого контура.

Обозначается магнитный поток большой греческой буквой F

Единицей магнитного потока в СИ является Вб (вебер).

image008

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.

image009

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».

image010

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.

image011

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.

image012

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

image013

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).

Поэтому мы можем сказать, что сила индукционного тока пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.

image014

Сформулируем непосредственно сам закон электромагнитной индукции: среднее значение ЭДС индукции в проводящем контуре пропорционально скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.

image015

где Dt – промежуток времени, в течении которого произошло изменение магнитного потока.

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.

image016

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.

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.

image017

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

Явление электромагнитной индукции

yavlenie elektrodvizhuschey sily prakticheskoe primenenie elektromagnitnoy induktsii

Электромагнитная индукция

Возникновение электрического тока в замкнутом проводнике (замкнутой цепи) возможно при помощи обратного преобразования из магнитного потока в электрический. Это явление называется электромагнитной индукцией. Возникновение электрического тока в замкнутой цепи возможно только при условии воздействия на проводник в замкнутой цепи переменного/изменяющего магнитного поля. Такие изменения магнитного потока можно представить изменением числа магнитных линий, которые пронизывают контур с током (например катушку). Самый простой случай возникновения электромагнитной индукции в проводнике — это физическое движение/перемещение магнита относительно замкнутого проводника, в котором регистрируется электрический ток во время такого движения магнита. Если рассматривать явление электромагнитной индукции тока на примере классической катушки с намотанным на неё проводником, то полученный таким образом индукционный ток в следствие движения магнита внутри катушки будет зависеть от:

6e72de2675f3edf51f10ceac704fb843
Интересная и важная особенность, сопровождающая явление электромагнитной индукции тока: когда магнит движется в катушке с проводником, то в зависимости от направления движения будет изменяться и направление течения тока в проводнике. Величина выработанного тока в случае электромагнитной индукции зависит от свойств магнитного поля. Поскольку электрический ток появляется в результате действия электрического поля, то в случае электромагнитной индукции происходит процесс образования электрического поля из магнитного с помощью магнитного потока.

Магнитный поток отвечает за количество направленных магнитных линий, проходящих через ограниченную площадь или контур. Величина обозначается символом Sl (1 вебер ). Величина магнитного потока определяется количеством магнитных линий в нём. Магнитный поток всегда характеризует весь магнит целиком, а не какое-то его отдельное проявление в определённой точке, магнитный поток можно считать энергетическим потенциалом отдельно взятого магнита.cd80a4fe22b1e47e0773daf8f9a860a9
Магнитный поток и впоследствии вырабатываемый в результате электромагнитной индукции ток зависит от некоторых закономерностей:

Магнитный поток прямо пропорционален интенсивности магнитной индукции.

(где Sl — магнитный поток (1 вебер ), B — магнитная индукция (1 Тесла ))

Магнитный поток прямо пропорционален площади поверхности, через которую проходят линии магнитной индукции.

(где Sl — магнитный поток (1 вебер ), S — площадь поверхности)

Воздействие магнитного потока зависит от угла расположения площади поверхности/контура по отношению к источнику магнитного поля.

Сила полученного в результате электромагнитной индукции тока напрямую зависит от скорости изменения магнитного потока.

(где I — сила тока (1 ампер ), Sl — изменяемый магнитный поток (1 вебер ), t — время изменения магнитного потока (1 секунда (с)))

Явление электромагнитной индукции

Само название «электромагнитная» состоит из двух частей: «электро» и «магнитная». Электрические и магнитные явления неразрывно связаны друг с другом. И если электрические заряды, двигаясь, изменяют магнитное поле вокруг себя, то и магнитное поле, изменяясь, поневоле заставит перемещаться электрические заряды, образуя электрический ток.

При этом именно изменяющееся магнитного поля вызывает возникновение электрического тока. Постоянное магнитное поле не вызовет движение электрических зарядов, а соответственно, и индукционный ток не образуется. Более детальное рассмотрение явления электромагнитной индукции, вывод формул и закона электромагнитной индукции относится к курсу девятого класса.

Электродинамический микрофон

Рассмотрим, как работает микрофон, на самом простом из микрофонов – электородинамическом. Его работа основана на явлении электромагнитной индукции. Рассмотрим устройство электродинамического микрофона.

Диафрагма микрофона (2) сделана из полистирола или алюминиевой фольги. Она жестко связана со звуковой катушкой. Звуковая катушка (1) изготавливается из очень тонкой проволоки.

Катушку помешают в кольцевой зазор сильно постоянного магнита (3). Линии магнитной индукции будут перпндикулярны виткам катушки.

Когда человек говорит, возникает звуковая волна. Эта волна вызывает колебание диафрагмы, а следовательно и колебание звуковой катушки. Катушка движется в магнитном поле, в её витка индуцируется ток, и на концах катушки возникает переменная ЭДС индукции.

Это переменное напряжение вызывает колебание тока в цепи микрофона. Данные колебания могут быть поданы на громкоговоритель. Электродинамический микрофон имеет очень простую конструкцию.

Так же микрофоны этого типа имеют небольшие габариты и надежны в эксплуатации. При этом искажение преобразуемых колебаний в звуковом диапазоне невелики.

Направление тока и линий магнитного поля

Поскольку явление электрического тока — это направленное движение заряженных частиц, то можно сказать, что у электрического тока есть направление. Условно-правильным направлением движения электронов в замкнутой системе можно считать направление от минусового/отрицательного «-» к плюсовому/положительному «+». Однако, общепринятая терминология направления потока предполагает обратное обозначение, при котором заряды движутся от положительного полюса к отрицательному. На основе этой общепринятой терминологии создаются все современные электронные устройства, в том числе и полярные, просто обозначение полярности в схеме этих устройств уже изначально предусматривает обратное движение потока электронов, однако схематически подключается от «плюса» к «минусу», как и принято уже давно.84db7eccf37ea5dc23e8b69f0e847a63
Вместе с течением тока вокруг проводника образуется магнитное поле, линии которого так же имеют направленность, зависящую от направления течения электронов. Направленность магнитных линий определяется по-разному, самый простой способ «правой руки», когда обхватывая провод/проводник рукой большим пальцем по направлению тока мысленно представляется, что четыре пальца руки как бы показывают направление магнитных линий, «оборачивающих» проводник. Так же направление тока можно определить по взаимодействию двух параллельных проводников под напряжением: если они притягиваются друг к другу — значит ток течёт в одном направлении; если отталкиваются — в разных.

Особенности электромагнитной индукции, открытой Фарадеем

Зная, кто открыл явление электромагнитной индукции и почему возникает индуцированный ток, объясним некоторые особенности этого явления. Так, чем быстрее перемещать проводник в магнитном поле, тем будет больше значение силы индуцированного тока в контуре. Еще одна особенность явления заключается в следующем: чем больше магнитная индукция поля, то есть чем сильнее это поле, тем большую разность потенциалов она сможет создать при перемещении проводника в поле. Если же проводник находится в покое в магнитном поле, никакого ЭДС в нем не возникает, поскольку нет никакого изменения в пересекающих проводник линиях магнитной индукции.

b80515c44f256366665c3ac9e4c96b54 d35b6e3d4171317496ab203a5a7db242 50f573a6f4483d1f70284b061c9c2425 965c8094dc3e7c993ff56cc3b78e1a26 b833d64c262d072d8b1834decd5e751b 548e8d1f2c2313d360df29010468080e 700027bfad9ed32a45c5de05f033ec6b 01600634a4d5de185eb10f5484f661ec 91b54e394215e182a4a10cc3114dbf40 0bab9fed9a45d4e567bd67074951cb19

078e4229057b8ead363ce0846c9356fd

Переменный ток

3617ec67d892a0a006fa3627f7460ab5

Когда катушка индуктивности начинает вращаться в магнитном поле, то в результате явления электромагнитной индукции она создает индуцированный ток. Этот электрический ток является переменным, то есть он систематически изменяет свое направление.

Переменный ток является наиболее распространенным, чем постоянный. Так, многие приборы, которые работают от центральной электрической сети, используют именно этот тип тока. Переменный ток легче индуцировать и транспортировать, чем постоянный. Как правило, частота бытового переменного тока составляет 50-60 Гц, то есть за 1 секунду его направление изменяется 50-60 раз.

Геометрическим изображением переменного тока является синусоидальная кривая, которая описывает зависимость напряжения от времени. Полный период синусоидальной кривой для бытового тока приблизительно равен 20 миллисекундам. По тепловому эффекту переменный ток аналогичен току постоянному, напряжение которого составляет Umax/√2, где Umax — максимальное напряжение на синусоидальной кривой переменного тока.

Линии магнитного поля и свойства

Полезно вспомнить общие сведения о магнитном поле. Оно образуется вокруг проводника, по которому двигаются электрические заряды или протекает электрический ток. В этом случае образуется сразу два вида поля — электрическое и магнитное поля. Таким образом, вокруг проводника/провода с током будет наблюдаться и электрическое и одновременно магнитное поле, т.к. они оба возникают при условии протекания электрического тока. 8f308286691a9e518236ff5534bbcedaПоявившись, магнитное поле имеет свойство воздействовать на другие движущиеся электрические заряды, а точнее на сторонний электрический ток, например, протекающий в другом проводнике поблизости от первого. Такое воздействие магнитного поля материально и определяется степенью — оно может быть сильнее или слабее. В автомобиле, для примера, такое взаимодействие можно наблюдать на примере проводки, которая способна оказывать ощутимое влияние друг на друга и создавать наводки/помехи, отчётливо слышимые в динамиках.

Магнитное поле с его сферической формой образуется линиями, которые можно представить вокруг объекта под напряжением и даже увидеть при помощи мелкой металлической крошки. Таких магнитных линий вокруг объекта будет большое количество, вместе они образуют целый спектр. Направление магнитных линий определяется магнитной стрелкой. Магнитные линии всегда замкнуты, поэтому у них нет понятия «начало линии» или «конец линии». Эти линии никогда не пересекаются, не завиваются и не взаимодействуют друг с другом. Магнитные линии в совокупности формируют форму магнитного поля и по их «кучности» в какой-то точке пространства можно судить о силе магнитного воздействия в этом месте.dd97131f5de141941c444f5c9d034f59
Если линии располагаются параллельно друг относительно друга и в целом упорядоченно, если их плотность более менее равномерна, то такие линии образуют однородное магнитное поле. Наоборот, если линии искривляются в пространстве и разрежены друг относительно друга, то они своей совокупностью образуют неоднородное магнитное поле. Эти два вида магнитного поля отличаются друг от друга во многом:

По взаиморасположению линий в пространстве: у однородного поля линии параллельны друг другу и кучность их одинакова; у неоднородного поля линии искривляются и кучность их различна.

Неоднородное поле находится вне магнита или проводника с электрическим током, тогда как однородное поле образуется внутри магнита.

Однородные магнитные поля чаще всего наблюдаются внутри катушки с большим количеством витков (например в катушке динамика) или внутри обычного полосового магнита, тогда как неоднородное магнитное поле чаще всего располагается вне магнита, например вокруг силового кабеля питания.

Самоиндукция

Во время самоиндукции контур, через который проходит ток, выполняет сразу две функции. Переменный ток в проводнике вызовет появление магнитного потока, через поверхность ограниченную контуром. Магнитный поток будет изменяться с течением времени, следовательно, в контуре будет возникать ЭДС индукции.

Напряженность возникающего вихревого поля будет направлена против тока. То есть, вихревое поле будет препятствовать нарастанию тока. Если бы ток уменьшался, то вихревое поле поддерживало бы ток. Явление самоиндукции можно наблюдать, например, на следующем опыте.

Рассмотрим следующую принципиальную электрическую схему.

Параллельно источнику питания подключены две одинаковые лампочки. В цепь одной из них последовательно включено сопротивление, а в цепь другой – катушка индуктивности. При замыкании ключа, первая лампочка вспыхнет почти мгновенно.

Вторая лампочка включится только спустя некоторое время. ЭДС самоиндукции катушки будет достаточно большим, и будет препятствовать нарастанию силы тока, поэтому свое максимальное значение сила тока достигнет только спустя некоторое время. Теперь рассмотрим следующую схему.

781a62f3dd83671211d677f9b2865e1b c6d6c77d914dbcd814b5e9bdab314c25 5a6236102977e761aff380d583610d26 736d433644250aa03560428d51fa147d d48135b584b6225885912731b0a49e28 bab81211c9f0c67f9aa3fd0335ae7748 a90fbc66253d514350f31045dfb385ce eb0931f8b03f9259ec96358c1ef92e8c 1dec2f466be7515e6b1942931f785be4 02650bddf5928c36e2703c3da12978c0

Здесь при размыкании ключа в катушке возникнет ЭДС самоиндукции, которая будет стараться поддерживать ток. В момент размыкания ключа через гальванометр будет протекать ток, обратно направленный по отношению к первоначальному. Сила тока при размыкании может даже превысить силу тока, который был первоначально. Следовательно, ЭДС самоиндукции будет больше ЭДС батареи.

Кто открыл явление электромагнитной индукции?

9a8e834a2e1b25e5d48315367f78c470

Электромагнитная индукция, на принципе работы которой основаны многие современные приборы, была открыта в начале 30-х годов XIX века. Открытие явления электромагнитной индукции принято приписывать Майклу Фарадею (дата открытия — 29 августа 1831 года). Ученый основывался на результатах опытов датского физика и химика Ханса Эрстеда, который обнаружил, что проводник, по которому течет электрический ток, создает магнитное поле вокруг себя, то есть начинает проявлять магнитные свойства.

Фарадей, в свою очередь, открыл противоположное обнаруженному Эрстедом явление. Он заметил, что изменяющееся магнитное поле, которое можно создать, меняя параметры электрического тока в проводнике, приводит к возникновению разности потенциалов на концах какого-либо проводника тока. Если эти концы соединить, например, через электрическую лампу, то по такой цепи потечет электрический ток.

В итоге Фарадей открыл физический процесс, в результате которого в проводнике появляется электрический ток из-за изменения магнитного поля, в чем и заключается явление электромагнитной индукции

При этом для образования индуцированного тока не важно, что движется: магнитное поле или сам проводник. Это можно легко показать, если провести соответствующий опыт по явлению электромагнитной индукции

Так, расположив магнит внутри металлической спирали, начинаем перемещать его. Если соединить концы спирали через какой-либо индикатор электрического тока в цепь, то можно увидеть появление тока. Теперь следует оставить магнит в покое и перемещать спираль вверх и вниз относительно магнита. Индикатор также покажет существование тока в цепи.

История открытия

Явление электромагнитной индукции было открыто сразу двумя учеными. Это были Майкл Фарадей и Джозеф Генри, сделавшие свое открытие в 1831 году. Публикация Фарадеем результатов проведенных экспериментов была сделана раньше его коллеги, поэтому индукцию связывают именно с этим ученым. В дальнейшем это понятие было включено в систему СГС.

Для демонстрации явления использовался железный тор, напоминающий конфигурацию современного трансформатора. Противоположные стороны его были обмотаны двумя проводниками с целью использования электромагнитных свойств.

К одному из проводов подключался ток, вызывающий своеобразную электрическую волну при прохождении сквозь тор, и некоторый электрический всплеск с противоположной стороны. Наличие тока было зафиксировано гальванометром. Точно такой же всплеск электричества наблюдался и в момент отключения провода.

Постепенно были обнаружены и другие формы проявления электромагнитной индукции. Кратковременное возникновение тока наблюдалось во время генерации его на медном диске, вращающемся возле магнита. На самом диске был установлен скользящий электропровод.

Когда обе катушки находятся в неподвижном положении относительно друг друга, никаких явлений не происходит. Когда небольшая катушка начинает двигаться, то есть выходить из большой катушки или входить в нее, наступает изменение магнитного потока. В результате, в большой катушке наблюдается появление электродвижущей силы.

6e1619628f085ff2ee63687c5d1335f4 4920c5798aae36f72b340fc409883964 3f45b50e81e55152f259cf774abe994f 47217bccb578f084903947300c5ed2c3 ae9e1ff535b7e93c6598eb50c0f58c2e fd0d23bd8b0b9c95942efb09e7551fae 6dde98e851bb50f179f46f702eaeabf0 4f90743b489661c389c0a9df36f03fa8 eb4482829da0350632ed7793ca6b24cb 0434b793e0a369e7f894ada328bcedb4

Открытие Фарадея доработал другой ученый – Максвелл, который обосновал его математически, отображая данное физическое явление дифференциальными уравнениями. Еще одному ученому-физику – Ленцу удалось определить направление электротока и ЭДС, полученных под действием электромагнитной индукции.

Направление электрического тока и правило левой руки

Чтобы определить направление в проводнике электрического тока, созданного в результате явления электромагнитной индукции, можно воспользоваться так называемым правилом левой руки. Его можно сформулировать следующим образом: если левую руку поставить так, чтобы линии магнитной индукции, которые начинаются на северном полюсе магнита, входили в ладонь, а оттопыренный большой палец направить по направлению перемещения проводника в поле магнита, тогда оставшиеся четыре пальца левой руки укажут направление движения индуцированного тока в проводнике.

Существует еще один вариант этого правила, он заключается в следующем: если указательный палец левой руки направить вдоль линий магнитной индукции, а оттопыренный большой палец направить по направлению движения проводника, тогда повернутый на 90 градусов к ладони средний палец укажет направление появившегося тока в проводнике.

Индукция магнитного поля

Для того чтобы определить силу воздействия магнитного поля на проводник с током, существует понятие магнитной индукции. Магнитная индукция — это количественная характеристика магнитного поля, определяющая силу его воздействия на движущийся заряд.a6ad000b612303f41325010a3f3e3684
Магнитная индукция зависит от многих факторов как со стороны магнитного поля, так и со стороны проводника с электрическим током:

Поскольку магнитная индукция величина направленная, то её можно считать векторной. Магнитная индукция (B) определяется отношением силы со стороны магнитного поля (F), направленной в перпендикулярном направлении скорости движения электронов, на произведение силы тока в проводнике (I) на его длину (l). Таким образом выводится формула для расчёта, где B — векторная (направленная) величина магнитной индукции (1 Тесла ), F — сила со стороны магнитного поля (1 Ньютон ), I — сила тока (1 Ампер ), l — длина проводника (1 метр ):

051cae305f21f35c9e3844ba0a89f42b
В классическом случае подразумевается, что воздействие магнитного поля на проводник с током осуществляется под прямым углом (по представленной формуле). Если вектор линий магнитного поля перпендикулярен площади контура, то магнитный поток максимален. Если вектор линий магнитного поля параллелен площади контура, то магнитный поток равен нулю. Направленные линии магнитного поля так же называют и линиями магнитной индукции. Применительно к однородному и неоднородному магнитному полям с позиции магнитной индукции можно сказать, что в однородном поле значение и направленность линий магнитной индукции в каждой точке одинаково, а в неоднородном поле нет.

Эксперимент Фарадея

2072a7aa8f5bd82b6d910f9b04136e7f

Опыты Фарадея заключались в работе с проводником и постоянным магнитом. Майкл Фарадей впервые обнаружил, что при перемещении проводника внутри магнитного поля на его концах возникает разность потенциалов. Перемещающийся проводник начинает пересекать линии магнитного поля, что моделирует эффект изменения этого поля.

Электромагнитная индукция в движущемся проводнике

Согласно основному закону электромагнитной индукции ЭДС, индуктируемая в контуре, определяется соотношением

Так как все элементы контура, кроме «мостика», неподвижны относительно магнитного поля, то (2) — это и есть ЭДС, возникающая в движущемся проводнике.

Эта же ЭДС возникает и в незамкнутом проводящем отрезке, движущемся в магнитном поле (Рис. 2). Считается, что при перемещении проводящего отрезка в магнитном поле силой, «разделяющей» заряды q в проводнике и создающей на концах такого «микрогенератора» индукционную ЭДС, является магнитная составляющая силы Лоренца:

ef7c9b6b5ff0443a7fcfecc555e6e6f7 9490b8498f36e72f4bd784e6cf7cae46 fb943b835197cc79dfe8fd012f5c47e4 3945192d12221cb737dd9ee191c4345c f7483f4f6bdcace12da0264230719b8d b6e15140c79e5b4f0393fb1e93fc9b54 f7931706cdae6e02e665371f7318c145 9c7e554e11ec59f9caa24683425dcbe5 7eaa50405b0510e462f4fe020a568b60 f22940df5e578fd3489896b8b5ad11a7

Если скорость движения проводника постоянна, то и ЭДС индукции остается постоянной. В момент остановки заряды в проводнике под действием кулоновских сил «схлопываются» и микрогенератор практически мгновенно разряжается.

ЭДС в таком индукционном микрогенераторе возникает вследствие того, что проводник пересекает линии магнитного поля с некоторой скоростью v. Назовем (для краткости) такой способ генерации ЭДС электромагнитной индукции «способом пересечения». Процесс электромагнитной индукции «с пересечением» можно схематически представить так:

пересечение → возникновение силы Лоренца → перемещение зарядов → образование ЭДС

Явление самоиндукции

f1bf7a505832a44070618f5b832f39b6

Ханс Кристиан Эрстед открыл существование магнитного поля вокруг проводника или катушки с током. Также ученый установил, что характеристики этого поля прямым образом связаны с силой тока и его направлением. Если ток в катушке или проводнике будет переменным, то он породит магнитное поле, которое не будет стационарным, то есть будет меняться. В свою очередь это переменное поле приведет к возникновению индуцированного тока (явление электромагнитной индукции). Движение тока индукции будет всегда противоположно циркулирующему по проводнику переменному току, то есть будет оказывать сопротивление при каждом изменении направления тока в проводнике или катушке. Этот процесс получил название самоиндукции. Создаваемая при этом разность электрических потенциалов называется ЭДС самоиндукции.

Отметим, что явление самоиндукции возникает не только при изменении направления тока, но и при любом его изменении, например, при увеличении за счет уменьшения сопротивления в цепи.

Для физического описания сопротивления, оказываемого любому изменению тока в цепи за счет самоиндукции, ввели понятие индуктивности, которая измеряется в генри (в честь американского физика Джозефа Генри). Один генри — это такая индуктивность, для которой при изменении тока за 1 секунду на 1 ампер возникает ЭДС в процессе самоиндукции, равная 1 вольт.

Явление электромагнитной индукции

Само название «электромагнитная» состоит из двух частей: «электро» и «магнитная». Электрические и магнитные явления неразрывно связаны друг с другом. И если электрические заряды, двигаясь, изменяют магнитное поле вокруг себя, то и магнитное поле, изменяясь, поневоле заставит перемещаться электрические заряды, образуя электрический ток.

Напряженное напряжение электродвигателя пропорционально скорости. изменение индуктивного магнитного потока. Индукционный ток определяется наличием электрического поля. Таким образом, прямой эффект изменения потока — это появление поля. электрически индуцированных в области схемы. Максвелл продемонстрировал теоретически и подтвердил опыт.

Так что в более широком смысле явление электромагнитной индукции. понятно, что переменное электрическое поле возникает в области, где имеется переменный магнитный поток. Если этот проводник образует замкнутый контур, то индуцированный ток генерируется как эффект электродвижущего напряжения. индуцированный. При вращающемся индукционном токе при изменении потока. магнитных через поверхность шпиля. Переменный поток может быть получен либо путем относительного движения магнита против шпиля, либо через него. изменение тока в соседней цепи.

Это также может быть вызвано изменением электрического тока в самой индуцированной спирали, которая также играет роль индуктора. В цепи из-за изменения тока, протекающего через него. цепи. Автоиндукция происходит не только тогда, когда ток установлен или прекращен, но всякий раз, когда меняется интенсивность тока. схемы.

Индукция схемы численно равна потоку, создаваемому поверхностью схемы, когда она есть. путешествовал единицей интенсивности. Некоторая мощность, подаваемая источником автоматического выключателя, рассеивается электрическим сопротивлением цепи. а другая сторона — магма магнитного поля тока. В связи с этим ток увеличивается медленнее при замыкании цепи или при увеличении интенсивности. Когда цепь разрушается или интенсивность падает, интенсивность поля исчезает или уменьшается. магнитный, поэтому он выпускает электромагнитную энергию. который приводит к продлению существования. тока.

Электромагнитное поле

Электрическое и магнитное поля тесно взаимосвязаны друг с другом. Известно ранее, что заряды движутся/протекают по структуре проводника благодаря действию электрического поля. В случае электромагнитной индукции так же возникает электрическое поле, только несколько отличающееся от того, которое создано источником тока. Такое электрическое поле индуцировано/создано переменным магнитным потоком и называется вихревым. Вихревое электрическое поле — это электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями, по аналогии с линиями в магнитном поле.6b69ccabe69c3305634002530f684b7e
Таким образом, при появлении переменного магнитного потока образуется вихревое электрическое поле, которое и вынуждает двигаться заряженные частицы в структуре проводника, а значит принцип «движущей силы» электрического поля не нарушается. Можно сказать, что переменное магнитное поле создаёт вихревое электрическое. Так и прослеживается тесное взаимососуществование электрического и магнитного полей, а именно: электрическое поле порождает вокруг себя магнитное в случае движущегося заряда по проводнику, а переменное/движущееся магнитное поле индуцирует вихревое электрическое поле. Именно по этой причине понятие полей часто не делят и называют возникшее вокруг движущегося заряда или переменного магнита поле электромагнитным.

4cd40dd1f16f899d11f7d556fc60ca64 cb17a7c7f83185fbdbf2f871e879684b 60069fd1b3a56a47275e8695bae67015 a2501e86b7216922efb63306e4c4e93f fceb5d8f56729e121c6a2feee80138d9 e61368a6ecc6d732921932aca502a076 3d695b59788021d534d5460e17343636 822add5dd2f8eadea9577fab0578e8e1 2a5ec36b5f18cb9c3c8d0d41606b8fe0 387a4eea48c0a71d4751460cd5523ae5

Электромагнитные волны

Электромагнитное поле образуется вокруг движущихся заряженных частиц и распространяется в пространстве по уже известному волновому принципу. Такое распространение электромагнитного поля происходит при помощи электромагнитных волн или электромагнитных возмущений, подчиняясь физическим законам волновой природы. В отличие от механических волн (которые не могут существовать отдельно от какой-либо среды), электромагнитные волны могут проявляться без участия частиц, вещества и среды, например в вакууме. Электромагнитные волны в виде электромагнитных возмущений распространяются во все стороны от источника излучения. Для излучения ощутимой электромагнитной волны желательно наличие быстрого заряда с хорошим ускорением колебаний высокой частоты, например несколько десятков тысяч герц.70334d4d8995f35b33ac7a7e8f69305e
Электромагнитная волна обладает определёнными характеристиками, присущими любой волне. Скорость такой волны равняется скорости света и составляет 300000 км/с. Так же электромагнитные волны всегда поперечные по своей природе. Выражается в том, что линии магнитной индукции (магнитного поля) и силовые линии (электрического поля) перпендикулярны друг другу.

Если магнитное поле характеризует векторная величина магнитной индукции (B), то образованное из него вихревое электрическое поле характеризуется напряжённостью (E). Напряжённость электрического поля так же величина векторная и направленная, выражается в 1 Ньютон/Кулон (Н/Кл). Таким вкратце предстаёт явление электромагнитной индукции тока и сопутствующие электрические и магнитные.

Генератор электрического тока и его устройство

Устройства для получения электрического тока называются генераторами, от слова «генерировать» или создавать. Обычно принцип действия генераторов тока электромеханический, основанный на действии электромагнитной индукции, а именно получения электрического тока из преобразованного магнитного поля. Генераторы вырабатывают переменный ток в результате своей работы.bd842bf0bfda67c6f2a613c8ef63e5b6
Генератор тока представляет собой достаточно сложное комплексное техническое устройство, однако в упрощённом варианте можно выделить основные его рабочие элементы: это ротор, который помещается внутри статора, и уже они вместе размещаются в каком-то корпусе. Ротор (от англ. «rotation») — подвижная часть, которая обычно вращается; Статор (от слова «статичный») — это неподвижная часть. Эти части являются аналогами катушки и магнита в классическом представлении электромагнитной индукции, где статор — это по сути катушка с большим количеством витков, а ротор представляет собой движущийся/вращающийся магнит.

Принцип действия прост и аналогичен идее с подвижным магнитом: ротор вращается с большой скоростью, при этом создаётся переменчивый магнитный поток вокруг него, который пронизывает витки обмотки статора и тем самым индуцирует/создаёт в них электрический ток. Ротор всегда вращается благодаря приложению какой-то сторонней механической силы. Статор же представляет собой некую конструкцию с прорезями или внутренним объёмом, в которые помещается обмотка из витков проводника.

Понятие о магнитном поле

ad67d967ea51b445d673d0414357f911

Прежде чем начать изучение явления электромагнитной индукции, необходимо разобраться, что представляет собой магнитное поле. Говоря простыми словами, под магнитным полем подразумевают область пространства, в которой магнитный материал проявляет свои магнитные эффекты и свойства. Эта область пространства может быть изображена с помощью линий, которые называются линиями магнитного поля. Количеством этих линий изображают физическую величину, которая называется магнитным потоком. Линии магнитного поля являются замкнутыми, они начинаются на северном полюсе магнита и заканчиваются на южном.

Магнитное поле обладает способностью воздействовать на любые материалы, обладающие магнитными свойствами, например, на железные проводники электрического тока. Это поле характеризуется магнитной индукцией, которая обозначается B и измеряется в теслах (Тл). Магнитная индукция в 1 Тл — это очень сильное магнитное поле, которое действует с силой в 1 ньютон на точечный заряд в 1 кулон, который пролетает перпендикулярно линиям магнитного поля со скоростью 1 м/с, то есть 1 Тл = 1 Н*с/(м*Кл).

Переменный электрический ток

Если постоянный ток, как следует из названия — не меняет своих характеристик и направления в любой точке проводника, то переменный ток не отличается такими свойствами. Переменный ток — это ток, который с определённой периодичностью меняется по направлению, модулю и своей величине. На графике такой ток повторяет линию синуса с цикличными подъёмами и спадами.54342595e9184458c9bea9a430073e3d
Переменный ток очень широко распространён, т.к. его легко получать различными способами, а так же удобно и относительно просто передавать на большие расстояния. На электрических схемах традиционно обозначается значком с двумя волнистыми линиями.

Трансформатор тока и его особенности

Когда речь заходит о передаче тока на большие расстояния (в особенности переменного), то возникает необходимость его преобразования. Трансформатор — это устройство для преобразования электрического тока и напряжения.35e7b64a87dd282efb637b4aa316a4bc
Типовой трансформатор состоит из двух или более близкорасположенных катушек с обмоткой из проводника на общем основании. Когда на одну из катушек поступает переменный электрический ток, то в ней создаётся переменное магнитное поле. Первая катушка выполнена и рассчитана таким образом, чтобы магнитный поток пронизывал витки второй катушки, чтобы магнитное поле одной катушки «доставало» до другой. Таким способом во второй катушке так же будет создаваться электрический ток.

Если менять количество витков в разных катушках, то можно тем самым менять характеристики выходящего с трансформатора тока и напряжения, повышая или понижая его. По закону Ома получится, что когда трансформатор будет понижать значение электрического тока (I), то будет расти напряжение (U); и наоборот, с ростом электрического тока (I) — напряжение (U) будет закономерно падать.

Источник

Adblock
detector