Явление электромагнитной индукции
Электромагнитная индукция – явление возникновения тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего его.
Явление электромагнитной индукции было открыто М. Фарадеем.
Опыты Фарадея
- На одну непроводящую основу были намотаны две катушки: витки первой катушки были расположены между витками второй. Витки одной катушки были замкнуты на гальванометр, а второй – подключены к источнику тока. При замыкании ключа и протекании тока по второй катушке в первой возникал импульс тока. При размыкании ключа также наблюдался импульс тока, но ток через гальванометр тек в противоположном направлении.
- Первая катушка была подключена к источнику тока, вторая, подключенная к гальванометру, перемещалась относительно нее. При приближении или удалении катушки фиксировался ток.
- Катушка замкнута на гальванометр, а магнит движется – вдвигается (выдвигается) – относительно катушки.
Опыты показали, что индукционный ток возникает только при изменении линий магнитной индукции. Направление тока будет различно при увеличении числа линий и при их уменьшении.
Сила индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока. Может изменяться само поле, или контур может перемещаться в неоднородном магнитном поле.
Объяснения возникновения индукционного тока
Ток в цепи может существовать, когда на свободные заряды действуют сторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура равна ЭДС. Значит, при изменении числа магнитных линий через поверхность, ограниченную контуром, в нем появляется ЭДС, которую называют ЭДС индукции.
Электроны в неподвижном проводнике могут приводиться в движение только электрическим полем. Это электрическое поле порождается изменяющимся во времени магнитным полем. Его называют вихревым электрическим полем. Представление о вихревом электрическом поле было введено в физику великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1861 году.
Свойства вихревого электрического поля:
- источник – переменное магнитное поле;
- обнаруживается по действию на заряд;
- не является потенциальным;
- линии поля замкнутые.
Работа этого поля при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна ЭДС индукции в неподвижном проводнике.
Линии магнитной индукции
Наглядную картину магнитного поля можно получить, если построить так называемые линии магнитной индукции. Линиями магнитной индукции называют линии, касательные к которым в любой их точке совпадают с вектором в данной точке поля (рис. 1.10). Линии вектора магнитной индукции аналогичны линиям вектора напряженности электростатического поля.
Для магнитного поля прямолинейного проводника с током из приведенных ранее опытов следует, что линии магнитной индукции — концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной этому проводнику с током (см. рис. 1.9). Центр окружностей находится на оси проводника. Стрелки на линиях указывают, в какую сторону направлен вектор магнитной индукции, касательный к данной линии.
На рисунке 1.11 показана картина магнитного поля катушки с током (соленоида). Если длина соленоида много больше его диаметра, то магнитное поле внутри соленоида можно считать однородным
. Линии магнитной индукции такого поля
параллельны
и находятся на равных расстояниях друг от друга.
На рисунке 1.12 показано магнитное поле Земли. Линии магнитной индукции поля Земли подобны линиям магнитной индукции поля соленоида. Магнитный северный полюс N близок к Южному географическому полюсу, а магнитный южный полюс S — к Северному географическому полюсу. Ось такого большого магнита составляет с осью вращения Земли угол 11,5°. Периодически магнитные полюсы меняют свою полярность. Последняя такая замена произошла около 30 000 лет назад.
Картину линий магнитной индукции можно сделать видимой, воспользовавшись мелкими железными опилками. С этим методом вы уже знакомы.
В магнитном поле каждый кусочек железа, насыпанный на лист картона, намагничивается и ведет себя как маленькая магнитная стрелка. Большое количество таких стрелок позволяет в большем числе точек определить направление магнитного поля и, следовательно, точнее выяснить расположение линий магнитной индукции. Примеры картин магнитного поля приведены на рисунках 1.13—1.16.
Магнитный поток
Магнитным потоком через площадь \( S \) контура называют скалярную физическую величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции \( B \), площади поверхности \( S \), пронизываемой данным потоком, и косинуса угла \( \alpha \) между направлением вектора магнитной индукции и вектора нормали (перпендикуляра к плоскости данной поверхности):
Обозначение – \( \Phi \), единица измерения в СИ – вебер (Вб).
Магнитный поток в 1 вебер создается однородным магнитным полем с индукцией 1 Тл через поверхность площадью 1 м2, расположенную перпендикулярно вектору магнитной индукции:
Магнитный поток можно наглядно представить как величину, пропорциональную числу магнитных линий, проходящих через данную площадь.
В зависимости от угла \( \alpha \) магнитный поток может быть положительным (\( \alpha \) < 90°) или отрицательным (\( \alpha \) > 90°). Если \( \alpha \) = 90°, то магнитный поток равен 0.
Изменить магнитный поток можно меняя площадь контура, модуль индукции поля или расположение контура в магнитном поле (поворачивая его).
В случае неоднородного магнитного поля и неплоского контура магнитный поток находят как сумму магнитных потоков, пронизывающих площадь каждого из участков, на которые можно разбить данную поверхность.
Линии магнитной индукции
Линиями магнитной индукции называются линии, касательные к которым направлены так же, как и вектор в данной точке пространства (рис. 4.22).
Построим линии магнитной индукции для магнитного поля прямолинейного проводника с током. Из приведенных ранее описаний опытов с контуром и магнитной стрелкой, а также из соображений симметрии следует, что линии магнитной индукции в данном случае — концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной этому проводнику с током. Центр окружностей находится на оси проводника (рис. 4.23). Как и в случае линий напряженности электрического поля, линии магнитной индукции можно условиться проводить так, чтобы их густота характеризовала модуль вектора В в данном месте. На рисунке 4.23 концентрические окружности сгущаются к центру. Это должно означать, что магнитная индукция вблизи провода больше, чем вдали от него.
Картина линий магнитной индукции катушки с током (соленоида) показана на рисунке 4.24 (соленоид дан в разрезе). Если длина соленоида много больше его диаметра, то поле внутри соленоида можно считать однородным. Линии магнитной индукции такого поля параллельны, их густота везде одинакова.
Картину линий магнитной индукции можно сделать видимой, воспользовавшись мелкими железными опилками. В магнитном поле каждый из насыпанных на лист картона кусочков железа намагничивается и ведет себя как маленькая магнитная стрелка. Наличие такого большого количества стрелок позволяет в большом числе точек определить направление вектора магнитной индукции магнитного поля и, следовательно, более точно выяснить расположение линий индукции. Некоторые из картин магнитного поля приведены на рисунках 4.25—4.28.
Закон электромагнитной индукции Фарадея
Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея):
ЭДС индукции в замкнутом контуре равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:
Знак «–» в формуле позволяет учесть направление индукционного тока. Индукционный ток в замкнутом контуре имеет всегда такое направление, чтобы магнитный поток поля, созданного этим током сквозь поверхность, ограниченную контуром, уменьшал бы те изменения поля, которые вызвали появление индукционного тока.
Если контур состоит из \( N \) витков, то ЭДС индукции:
Сила индукционного тока в замкнутом проводящем контуре с сопротивлением \( R \):
При движении проводника длиной \( l \) со скоростью \( v \) в постоянном однородном магнитном поле с индукцией \( \vec{B} \) ЭДС электромагнитной индукции равна:
где \( \alpha \) – угол между векторами \( \vec{B} \) и \( \vec{v} \).
Возникновение ЭДС индукции в движущемся в магнитном поле проводнике объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы.
Движущийся в магнитном поле проводник, по которому протекает индукционный ток, испытывает магнитное торможение. Полная работа силы Лоренца равна нулю.
Количество теплоты в контуре выделяется либо за счет работы внешней силы, которая поддерживает скорость проводника неизменной, либо за счет уменьшения кинетической энергии проводника.
Важно! Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум причинам:
- магнитный поток изменяется вследствие перемещения контура или его частей в постоянном во времени магнитном поле. Это случай, когда проводники, а вместе с ними и свободные носители заряда, движутся в магнитном поле;
- вторая причина изменения магнитного потока, пронизывающего контур, – изменение во времени магнитного поля при неподвижном контуре. В этом случае возникновение ЭДС индукции уже нельзя объяснить действием силы Лоренца. Явление электромагнитной индукции в неподвижных проводниках, возникающее при изменении окружающего магнитного поля, также описывается формулой Фарадея.
Таким образом, явления индукции в движущихся и неподвижных проводниках протекают одинаково, но физическая причина возникновения индукционного тока оказывается в этих двух случаях различной:
- в случае движущихся проводников ЭДС индукции обусловлена силой Лоренца;
- в случае неподвижных проводников ЭДС индукции является следствием действия на свободные заряды вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля.
Направление линий магнитной индукции определяется по правилу буравчика (правой руки).
| Примеры некоторых магнитных полей | Линии поля | Определение направления линий магнитной индукции |
| Поле прямого тока | Линии магнитной индукции прямого тока представляют собой концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной току. | Большой палец правой руки направляют по току в проводнике, четырьмя пальцами обхватывают проводник, направление, в котором загибаются пальцы, совпадает с направлением линии магнитной индукции. |
| Поле кругового тока | Четырьмя пальцами правой руки обхватывают проводник по направлению тока в нем, тогда отогнутый большой палец укажет направление линии магнитной индукции. | |
| Поле соленоида (катушки с током) | Тот конец соленоида, из которого линии магнитной индукции выходят, является ее северным магнитным полюсом, другой конец, в который линии индукции входят, является южным магнитным полюсом. | Определяется аналогично полю кругового тока. |
Магнитное поле обнаруживается по действию на проводники с током или движущуюся заряженную частицу.
| Сила Ампера | Сила Лоренца | |
| Определение | Сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током. | Сила, с которой магнитное поле действует на движущуюся заряженную частицу. |
| Формула | ||
| Направление | Правило левой руки:если левую руку расположить так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, четыре вытянутых пальца были направлены по току, то отогнутый на 90обольшой палец укажет направление силы Ампера. | Правило левой руки:если руку расположить так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, четыре вытянутых пальца были направлены по направлению движения положительно заряженной частицы, то отогнутый на 90обольшой палец укажет направление силы Лоренца. |
| Работа силы | ,где угол между векторами и . | Сила Лоренца не совершает над частицей работу и не изменяет ее кинетическую энергию, она только искривляет траекторию частицы, сообщая ей центростремительное ускорение. |
Характер движения заряженных частиц в магнитном поле.
1) Частица с зарядом попадает в магнитное поле так, что вектор параллелен , в этом случае , частица движется прямолинейно и равномерно.
2) Частица с зарядом попадает в магнитное поле так, что вектор перпендикулярен , в этом случае частица движется по окружности в плоскости, перпендикулярной линиям индукции.
3) Частица с зарядом попадает в магнитное поле так, что вектор составляет некоторый угол с вектором , в этом случае частица движется по спирали.
ПРИМЕР РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ НА ДВИЖЕНИЕ ЗАРЯЖЕННОЙ ЧАСТИЦЫ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ
Электрон движется в однородном магнитном поле с индукцией 4 . Найти период его обращения.
Ответ: 8,9
Из формулы, полученной при решении задачи, следует, что период обращения заряженной частицы в магнитном поле не зависит от скорости, с которой она влетает в магнитное поле и не зависит от радиуса окружности, по которой она движется.
Содержание
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ
Электромагнитная индукция – это явление возникновения ЭДС индукции в проводящем контуре, находящемся в изменяющемся магнитном поле. Если проводящий контур замкнут, то в нем возникает индукционный ток.
ЗАКОН ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ (ЗАКОН ФАРАДЕЯ): ЭДС индукции равна по модулю скорости изменения магнитного потока.
или , где число витков в контуре, магнитный поток.
Знак «минус» в законе отражает правило Ленца: индукционный ток своим магнитным потоком препятствует изменению того магнитного потока, которым он вызван.
, где площадь поверхности контура, угол между вектором магнитной индукции и нормалью к плоскости контура.
, где индуктивность проводника.
Индуктивность зависит от формы, размеров проводника (индуктивность прямого проводника меньше индуктивности катушки), от магнитных свойств окружающей проводник среды.
| Способы получения ЭДС индукции | Формула | Природа сторонних сил | Определение направления индукционного тока |
| Проводник находится в переменном магнитном поле | , где | Вихревое электрическое поле, которое порождается изменяющимся магнитным полем. | Алгоритм: 1) Определить направление внешнего магнитного поля. 2) Определить увеличивается или уменьшается магнитный поток. 3) Определить направление магнитного поля индукционного тока. Если >0,то , если <0, то 4) По правилу буравчика (правой руки) по направлению определить направление индукционного тока. |
| Изменяется площадь контура | , где | ||
| Изменяется положение контура в магнитном поле (изменяется угол ) | , где | ||
| Проводник движется в однородном магнитном поле | , , где угол между | Сила Лоренца | Правило правой руки: если ладонь расположить так, чтобы вектор магнитной индукции входил в ладонь, отставленный большой палец совпадал с направлением скорости проводника, то четыре вытянутых пальца укажут направление индукционного тока. |
| Самоиндук-ция – явление возникнове-ния ЭДС индукции в проводнике, по которому идет изменяющий-ся ток | или | Вихревое электрическое поле | Ток самоиндукции направлен в ту же сторону, что и ток созданный источником, если сила тока уменьшается, ток самоиндукции направлен против тока созданного источником, если сила тока увеличивается. |
Пример использования алгоритма:
При решении задач на электромагнитную индукцию используют закон Ома: , причем .
ЭНЕГРИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
ВИХРЕВЫЕ И ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ПОЛЯ
| Потенциальные поля: гравитационное, электростатическое | Вихревые (непотенциальные) поля | ||
| магнитное | вихревое электрическое | ||
| Источник поля | Неподвижный электрический заряд | Движущийся заряд (электрический ток) | Изменяющее-ся магнитное поле |
| Индикатор поля (объект, на который поле действует с некоторой силой) | Электрический заряд | Движущийся заряд (электрический ток) | Электричес-кий заряд |
| Линии поля | Незамкнутые линии напряженности электрического поля, начинаются на положительных зарядах | Замкнутые линии магнитной индукции | Замкнутые линии напряженнос-ти |
Свойства сил потенциальных полей:
1) Работа сил потенциального поля не зависит от формы траектории, а определяется только начальным и конечным положением тела.
2) Работа сил потенциального поля при перемещении тела (заряда) по замкнутой траектории равна нулю.
3) Работа сил потенциального поля равна изменению потенциальной энергии тела (заряда), взятому со знаком «минус».
Содержание
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ
Электромагнитные колебания – это периодические изменения заряда, силы тока, напряжения.
— формула для расчета периода электромагнитных колебаний (формула Томсона).
СВОБОДНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ осуществляются в колебательном контуре, состоящем из катушки индуктивностью и конденсатора емкости .Для того, чтобы в контуре возникли колебания, конденсатор необходимо зарядить, сообщив ему заряд .
| Заряд |
| Сила тока |
| Напряжение |
| Энергия электрического поля |
| Энергия магнитного поля |
| Полная энергия |
Идеальный колебательный контур – контур, сопротивление которого равно нулю. В реальных контурах , поэтому колебания затухают, сообщенная контуру первоначально энергия превращается в тепло.
ВЫНУЖДЕННЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ (ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК)
Переменный ток можно получить, вращая проводящую рамку в магнитном поле. При этом магнитный поток будет изменяться по закону синуса или косинуса.
Мгновенное значение ЭДС индукции в контуре
где максимальное значение ЭДС индукции если рамка содержит витков, то
Действующим значением напряжения и силы переменного тока называют напряжение и силу такого постоянного тока, при котором в цепи выделяется такое же количество теплоты, как и при данном переменном токе.
Вольтметры и амперметры, включенные в цепь переменного тока, измеряют действующие значения.
НАГРУЗКИ В ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
| Нагрузка | Характерное явление | Сила тока, напряжение | Закон Ома |
| Активная нагрузка | Происходит необратимое преобразование электрической энергии в тепло. | Колебания тока и напряжения совпадают по фазе. | активное сопротивление. |
| Емкость | Происходит периодическая зарядка и разрядка конденсатора. | Колебания тока опережают колебания напряжения на | емкостное сопротивление. |
| Индуктивность | ЭДС самоиндукции препятствует изменению силы тока в катушке. | Колебания тока отстают от колебаний напряжения на | индуктивное сопротивление. |
РЕЗОНАНС В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ – это резкое возрастание амплитуды колебаний силы тока и напряжения при совпадении частоты подаваемого в цепь переменного тока с собственной частотой колебания цепи. Резонанс возможен, если цепь, содержащую индуктивность и емкость и имеющую собственную частоту колебаний , которая зависит только от и , подключают к цепи переменного тока с частотой причем Резонансная частота
При резонансе
ТРАНСФОРМАТОР – прибор, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения без изменения частоты. Состоит из первичной и вторичной катушек, надетых на замкнутый сердечник. Первичная катушка содержит количество витков и подключается к источнику переменного тока, вторичная катушка содержит количество витков и подключается к потребителю электроэнергии.
Коэффициент трансформации
Повышая напряжение в несколько раз, трансформатор уменьшает силу тока во столько же раз:
Повышают напряжение и понижают соответственно силу тока при передаче энергии от электростанций к потребителю для того, чтобы уменьшить тепловые потери на проводах ЛЭП, затем получают напряжение, необходимое для потребителя с помощью понижающих трансформаторов.
Содержание
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ
Электромагнитная волна– распространяющееся в пространстве электромагнитное поле. Теория электромагнитных волн создана Дж. Максвеллом в 60-х годах 19 века:
1) Переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле, переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле и т. д. Этот процесс лежит в образовании электромагнитной волны.
2) Источником электромагнитной волны является колеблющийся (движущийся с ускорением) заряд.
3) Электромагнитная волна в вакууме распространяется со скоростью света
4) Электромагнитные волны поперечные. Колебания векторов и происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях, которые перпендикулярны направлению скорости распространения волны, т.е. взаимно перпендикулярны.
5) Колебания векторов и совпадают по фазе, т. е. они одновременно обращаются в нуль и одновременно достигают максимума.
6) Электромагнитные волны могут отражаться, преломляться, им присущи явления интерференции, дифракции, дисперсии, поляризации.
Впервые электромагнитные волны были обнаружены немецким физиком Генрихом Герцем в 1887 г. В своих экспериментах Герц использовал открытый колебательный контур, представляющий собой отрезок металлического проводника (антенну или вибратор Герца).
ПРИНЦИПЫ РАДИОСВЯЗИ
Радиосвязь – передача информации с помощью электромагнитных волн.
РАДИОПЕРЕДАТЧИК
| Элементы | Назначение |
| Микрофон | Преобразует звуковые колебания в электромагнитные колебания низкой частоты, которые несут информацию, но не излучаются в пространство. |
| Генератор высокой частоты | Создает высокочастотные колебания, которые могут излучаться в пространство, но не несут информацию. |
| Модулятор | Изменяет параметры высокочастотных колебаний с помощью колебаний низкой частоты, создаются волны, которые несут информацию и могут излучаться в пространство. |
| Передающая антенна | Излучает модулированные колебания в пространство |
РАДИОПРИЕМНИК
| Элементы | Назначение |
| Приемная антенна | В приемной антенне электромагнитные волны возбуждают высокочастотные колебания. |
| Колебательный контур переменной емкости | Выделяет из всевозможных электромагнитных колебаний те колебания, частота которых совпадает с частотой этого контура. Частоту контура можно изменять за счет изменения емкости контура. |
| Детектор | Выделяет из модулированных высокочастотных колебаний низкочастотные колебания. |
| Динамик | Преобразует низкочастотные электрические колебания в звуковые колебания. |
КЛАССИФИКАЦИЯ РАДИОВОЛН
| Наименование | Диапазон длин волн (м) | Свойства |
| Длинные Средние | 10000 – 1000 1000 — 100 | Огибают земную поверхность. Используются для радиосвязи между пунктами расположенными на поверхности Земли вне прямой видимости. |
| Короткие | 100 — 10 | Отражаются от ионосферы и поверхности Земли. Используются для радиосвязи на любых расстояниях между двумя пунктами на Земле. |
| Ультракороткие | <10 | Проникают сквозь ионосферу и почти не огибают Землю. Используются для радиосвязи между пунктами, находящимися в пределах прямой видимости, для радиосвязи с космическими кораблями. |
Содержание
ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА
ЗАКОНЫ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИКИ
1)Закон прямолинейного распространения света:
Предыдущая9Следующая
Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор…
ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала…
ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры…
Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот…
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:
Правило Ленца
Направление индукционного тока определяется по правилу Ленца: индукционный ток, возбуждаемый в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток.
Алгоритм решения задач с использованием правила Ленца:
- определить направление линий магнитной индукции внешнего магнитного поля;
- выяснить, как изменяется магнитный поток;
- определить направление линий магнитной индукции магнитного поля индукционного тока: если магнитный поток уменьшается, то они сонаправлены с линиями внешнего магнитного поля; если магнитный поток увеличивается, – противоположно направлению линий магнитной индукции внешнего поля;
- по правилу буравчика, зная направление линий индукции магнитного поля индукционного тока, определить направление индукционного тока.
Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии.
Определение направления вектора магнитной индукции с помощью правила буравчика
В начале 19 века ученые обнаружили, что магнитное поле создается вокруг проводника с протекающим по нему током. Возникшие силовые линии ведут себя по таким же правилам, как и с природным магнитом. Больше того, взаимодействие электрического поля проводника с током и магнитного поля послужило основой электромагнитной динамики.
Понимание ориентации в пространстве сил во взаимодействующих полях позволяет рассчитать осевые вектора:
- Магнитной индукции;
- Величины и направления индукционного тока;
- Угловой скорости.
Такое понимание было сформулировано в правиле буравчика.
Совместив поступательное движение правостороннего буравчика с направлением тока в проводнике получаем направление линий магнитного поля, на которое указывает вращение рукоятки.
Не являясь законом физики, правило буравчика в электротехнике применяется для определения не только направления силовых линий магнитного поля зависящего от вектора тока в проводнике, но и наоборот, определение направления тока в проводах соленоида в связи с вращением линий магнитной индукции.
Понимание этой взаимосвязи позволило Амперу обосновать закон вращающихся полей, что привело к созданию электрических двигателей различного принципа. Вся втягивающая аппаратура, использующая катушки индуктивности, соблюдает правило буравчика.
Самоиндукция
Самоиндукция – это явление возникновения ЭДС индукции в проводнике в результате изменения тока в нем.
При изменении силы тока в катушке происходит изменение магнитного потока, создаваемого этим током. Изменение магнитного потока, пронизывающего катушку, должно вызывать появление ЭДС индукции в катушке.
В соответствии с правилом Ленца ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока при включении и убыванию силы тока при выключении цепи.
Это приводит к тому, что при замыкании цепи, в которой есть источник тока с постоянной ЭДС, сила тока устанавливается через некоторое время.
При отключении источника ток также не прекращается мгновенно. Возникающая при этом ЭДС самоиндукции может превышать ЭДС источника.
Явление самоиндукции можно наблюдать, собрав электрическую цепь из катушки с большой индуктивностью, резистора, двух одинаковых ламп накаливания и источника тока. Резистор должен иметь такое же электрическое сопротивление, как и провод катушки.
Опыт показывает, что при замыкании цепи электрическая лампа, включенная последовательно с катушкой, загорается несколько позже, чем лампа, включенная последовательно с резистором. Нарастанию тока в цепи катушки при замыкании препятствует ЭДС самоиндукции, возникающая при возрастании магнитного потока в катушке.
При отключении источника тока вспыхивают обе лампы. В этом случае ток в цепи поддерживается ЭДС самоиндукции, возникающей при убывании магнитного потока в катушке.
ЭДС самоиндукции \( \varepsilon_{is} \), возникающая в катушке с индуктивностью \( L \), по закону электромагнитной индукции равна:
ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна индуктивности катушки и скорости изменения силы тока в катушке.
Индуктивность
Электрический ток, проходящий по проводнику, создает вокруг него магнитное поле. Магнитный поток \( \Phi \) через контур из этого проводника пропорционален модулю индукции \( \vec{B} \) магнитного поля внутри контура, а индукция магнитного поля, в свою очередь, пропорциональна силе тока в проводнике.
Следовательно, магнитный поток через контур прямо пропорционален силе тока в контуре:
Индуктивность – коэффициент пропорциональности \( L \) между силой тока \( I \) в контуре и магнитным потоком \( \Phi \), создаваемым этим током:
Индуктивность зависит от размеров и формы проводника, от магнитных свойств среды, в которой находится проводник.
Единица индуктивности в СИ – генри (Гн). Индуктивность контура равна 1 генри, если при силе постоянного тока 1 ампер магнитный поток через контур равен 1 вебер:
Можно дать второе определение единицы индуктивности: элемент электрической цепи обладает индуктивностью в 1 Гн, если при равномерном изменении силы тока в цепи на 1 ампер за 1 с в нем возникает ЭДС самоиндукции 1 вольт.
Изображение линий магнитной индукции
Чтобы наглядно изучить распределение поля в пространстве, уменьшают размеры измерительных элементов. Для эксперимента подойдут железные опилки, равномерно рассыпанные на поверхности картонного листа или другой электрически нейтральной плоскости.
Линии магнитной индукции – наглядное изображение распределения силового поляЕсли поднести с обратной стороны магнит, металлические частицы, как миниатюрные стрелки компаса, распределяться вдоль силовых полос. По расстоянию между ними можно судить об энергетических параметрах поля в определенном месте. Аналогичным образом создают рисунок. Большая густота (около полюсов) свидетельствует об увеличенном значении индукции.
Советуем изучить Глухозаземленная нейтраль
К сведению. Физическим разделением постоянного магнита на части не получится создать отдельные полюса. В этом – принципиальное отличие от электростатических зарядов определенной полярности, которые также создают силовое поле.
Представленные знания применяют для решения разных инженерных задач. В частности, пригодятся простые правила определения направления тока в проводнике и стороны, в которую перемещается сердечник соленоида.
Поезд на магнитной подушке разгоняется до высоких скоростей с минимальными энергетическими потерями
Основные формулы раздела «Электромагнитная индукция»
Алгоритм решения задач по теме «Электромагнитная индукция»:
1. Внимательно прочитать условие задачи. Установить причины изменения магнитного потока, пронизывающего контур.
2. Записать формулу:
- закона электромагнитной индукции;
- ЭДС индукции в движущемся проводнике, если в задаче рассматривается поступательно движущийся проводник; если в задаче рассматривается электрическая цепь, содержащая источник тока, и возникающая на одном из участков ЭДС индукции, вызванная движением проводника в магнитном поле, то сначала нужно определить величину и направление ЭДС индукции. После этого задача решается по аналогии с задачами на расчет цепи постоянного тока с несколькими источниками.
3. Записать выражение для изменения магнитного потока и подставить в формулу закона электромагнитной индукции.
4. Записать математически все дополнительные условия (чаще всего это формулы закона Ома для полной цепи, силы Ампера или силы Лоренца, формулы кинематики и динамики).
5. Решить полученную систему уравнений относительно искомой величины.
6. Решение проверить.
Электромагнитные колебания и волны →
← Магнитное поле
Электромагнитная индукция
3.1 (62.63%) 38 votes
