Эдс индукции возникает когда: что это такое, основные формулы, в чем измеряется, от чего зависит.

что это такое, основные формулы, в чем измеряется, от чего зависит.

В материале разберемся в понятии ЭДС индукции в ситуациях ее возникновения. Также рассмотрим индуктивность в качестве ключевого параметра возникновения магнитного потока при появлении электрического поля в проводнике.

Электромагнитная индукция представляет собой генерирование электрического тока магнитными полями, которые изменяются во времени. Благодаря открытиям Фарадея и Ленца закономерности были сформулированы в законы, что ввело симметрию в понимание электромагнитных потоков. Теория Максвелла собрала воедино знания об электрическом токе и магнитных потоках. Благодаря открытия Герца человечество узнало о телекоммуникациях.

Магнитный поток

Вокруг проводника с электротоком появляется электромагнитное поле, однако параллельно возникает также обратное явление – электромагнитная индукция. Рассмотрим магнитный поток на примере: если рамку из проводника поместить в электрическое поле с индукцией и перемещать ее сверху вниз по магнитным силовым линиям или вправо-влево перпендикулярно им, тогда магнитный поток, проходящий через рамку, будет постоянной величиной.

При вращении рамки вокруг своей оси, тогда через некоторое время магнитный поток изменится на определенную величину. В результате в рамке возникает ЭДС индукции и появится электрический ток, который называется индукционным.

ЭДС индукции

Разберемся детально, что такое понятие ЭДС индукции. При помещении в магнитное поле проводника и его движении с пересечением силовых линий поля, в проводнике появляется электродвижущая сила под названием ЭДС индукции. Также она возникает, если проводник остается в неподвижном состоянии, а магнитное поле перемещается и пересекается с проводником силовыми линиями.

Когда проводник, где происходит возникновение ЭДС, замыкается на вешнюю цепь, благодаря наличию данной ЭДС по цепи начинает протекать индукционный ток. Электромагнитная индукция предполагает явление индуктирования ЭДС в проводнике в момент его пересечения силовыми линиями магнитного поля.

Электромагнитная индукция являет собой обратный процесс трансформации механической энергии в электроток. Данное понятие и его закономерности широко используются в электротехнике, большинство электромашин основывается на данном явлении.

Законы Фарадея и Ленца

Законы Фарадея и Ленца отображают закономерности возникновения электромагнитной индукции.

Фарадей выявил, что магнитные эффекты появляются в результате изменения магнитного потока во времени. В момент пересечения проводника переменным магнитным током, в нем возникает электродвижущая сила, которая приводит к возникновению электрического тока. Генерировать ток может как постоянный магнит, так и электромагнит.

Ученый определил, что интенсивность тока возрастает при быстром изменении количества силовых линий, которые пересекают контур. То есть ЭДС электромагнитной индукции пребывает в прямой зависимости от скорости магнитного потока.

Согласно закону Фарадея, формулы ЭДС индукции определяются следующим образом:

Е = — dФ/dt.

Знак «минус» указывает на взаимосвязь между полярностью индуцированной ЭДС, направлением потока и изменяющейся скоростью.

Согласно закону Ленца, можно охарактеризовать электродвижущую силу в зависимости от ее направленности. Любое изменение магнитного потока в катушке приводит к появлению ЭДС индукции, причем при быстром изменении наблюдается возрастающая ЭДС.

Если катушка, где есть ЭДС индукции, имеет замыкание на внешнюю цепь, тогда по ней течет индукционный ток, вследствие чего вокруг проводника появляется магнитное поле и катушка приобретает свойства соленоида. В результате вокруг катушки формируется свое магнитное поле.

Э.Х. Ленц установил закономерность, согласно которой определяется направление индукционного тока в катушке и ЭДС индукции. Закон гласит, что ЭДС индукции в катушке при изменении магнитного потока формирует в катушке ток направления, при котором данный магнитный поток катушки дает возможность избежать изменения постороннего магнитного потока.

Закон Ленца применяется для всех ситуаций индуктирования электротока в проводниках, вне зависимости от их конфигурации и метода изменения внешнего магнитного поля.

Движение провода в магнитном поле

Значение индуктированной ЭДС определяется в зависимости от длины проводника, пересекаемого силовыми линиями поля. При большем количестве силовых линий возрастает величина индуктируемой ЭДС. При увеличении магнитного поля и индукции, большее значение ЭДС возникает в проводнике. Таким образом, значение ЭДС индукции в движущемся в магнитном поле проводнике находится в прямой зависимости от индукции магнитного поля, длины проводника и скорости его движения.

Данная зависимость отражена в формуле Е = Blv, где Е — ЭДС индукции; В — значение магнитной индукции; I — длина проводника; v —скорость его перемещения.

Отметим, что в проводнике, который движется в магнитном поле, ЭДС индукции появляется, только когда он пересекает силовые линии магнитного поля. Если проводник движется по силовым линиям, тогда ЭДС не индуктируется. По этой причине формула применяется только в случаях, когда движением проводника направлено перпендикулярно силовым линиям.

Направление индуктированной ЭДС и электротока в проводнике определяется направлением движения самого проводника. Для выявления направления разработано правило правой руки. Если держать ладонь правой руки таким образом, чтобы в ее направлении входили силовые линии поля, а большой палец указывает направление движения проводника, тогда остальные четыре пальца показывают направление индуктированной ЭДС и направление электротока в проводнике.

Вращающаяся катушка

Функционирование генератора электротока основывается на вращении катушки в магнитном потоке, где имеется определенное количество витков. ЭДС индуцируется в электрической цепи всегда при пересечении ее магнитным потоком, на основании формулы магнитного потока Ф = B x S х cos α (магнитная индукция, умноженная на площадь поверхности, через которую проходит магнитный поток, и косинус угла, сформированный вектором направления и перпендикулярной плоскости линии).

Согласно формуле, на Ф воздействуют изменения в ситуациях:

• при изменении магнитного потока меняется вектор направления;
• изменяется площадь, заключенная в контур;
• меняется угол.

Допускается индуцирование ЭДС при неподвижном магните или неизменном токе, а просто при вращении катушки вокруг своей оси в пределах магнитного поля. В данном случае магнитный поток изменяется при смене значения угла. Катушка в процессе вращения пересекает силовые линии магнитного потока, в итоге появляется ЭДС. При равномерном вращении возникает периодическое изменение магнитного потока. Также число силовых линий, которые пересекаются ежесекундно, становится равным значениям через равные временные промежутки.

На практике в генераторах переменного электротока катушка остается в неподвижном состоянии, а электромагнит выполняет вращения вокруг нее.

ЭДС самоиндукции

При прохождении через катушку переменного электротока генерируется переменное магнитное поле, которое характеризуется меняющимся магнитным потоком, индуцирующим ЭДС. Данное явление называется самоиндукцией.

В силу того, что магнитный поток пропорционален интенсивности электротока, тогда формула ЭДС самоиндукции выглядит таким образом:

Ф = L x I, где L – индуктивность, которая измеряется в Гн. Ее величина определяется числом витков на единицу длины и величиной их поперечного сечения.

Взаимоиндукция

При расположении двух катушек рядом в них наблюдается ЭДС взаимоиндукции, которая определяется конфигурацией двух схем и их взаимной ориентацией. При возрастании разделения цепей значение взаимоиндуктивности уменьшается, поскольку наблюдается уменьшение общего для двух катушек магнитного потока.

Рассмотрим детально процесс возникновения взаимоиндукции. Есть две катушки, по проводу одной с N1 витков течет ток I1, которым создается магнитный поток и идет через вторую катушку с N2 числом витков.

Значение взаимоиндуктивности второй катушки в отношении первой:

М21 = (N2 x F21)/I1.

Значение магнитного потока:

Ф21 = (М21/N2) x I1.

Индуцированная ЭДС вычисляется по формуле:

Е2 = — N2 x dФ21/dt = — M21x dI1/dt.

В первой катушке значение индуцируемой ЭДС:

Е1 = — M12 x dI2/dt.

Важно отметить, что электродвижущая сила, спровоцированная взаимоиндукцией в одной из катушек, в любом случае прямо пропорциональна изменению электрического тока в другой катушке.

Тогда взаимоиндуктивность считается равной:

М12 = М21 = М.

Вследствие этого , E1 = — M x dI2/dt и E2 = M x dI1/dt. М = К √ (L1 x L2), где К является коэффициентом связи между двумя значениями инжуктивности.

Взаимоиндукция широко используется в трансформаторах, которые дают возможность менять значения переменного электротока. Прибор представляет собой пару катушек, которые намотаны на общий сердечник. Ток в первой катушке формирует изменяющийся магнитный поток в магнитопроводе и ток во второй катушке. При меньшем числе витков в первой катушке, чем во второй, возрастает напряжение, и соответственно при большем количестве витков в первой обмотке напряжение снижается.

Помимо генерирования и трансформации электрической энергии, явление магнитной индукции используется в прочих приборах. К примеру, в магнитных левитационных поездах, движущихся без непосредственного контакта с током в рельсах, а на пару сантиметров выше по причине электромагнитного отталкивания.

Как возникает ЭДС индукции и почему магнитное поле обязательно должно быть изменяющимся | Разумный мир

При обсуждении цикла статей про трансформаторы (Как же все таки работает трансформатор? Или немного о мифах и парадоксах., Откуда взялись формулы расчета трансформаторов и дросселей? и А что, бывают трансформаторы без сердечника?), в комментариях, выяснилась интересная вещь. Не все понимают, как именно, и почему, изменение магнитного поля наводит ЭДС в проводнике (контуре). И почему постоянное магнитное поле ЭДС не наводит.

То есть, люди знают законы электромагнитной индукции, знают формулы, понимают математику, а вот физика процесса остается им непонятной. Я задумался, почему так происходит? Ведь все это очень подробно объясняют в курсе физики. Пролистал несколько учебников по электротехнике и электронике. Действительно, обычно физика процесса остается “за кадром”. Получается, что далеко не всех посвящают в такие тонкости. Это, в некоторой степени, ответ тем, кто в комментариях пишет “зачем все это? все есть в учебниках”.

Ну что ж, возникают вопросы и есть непонимание, давайте попробуем разобраться. В этой статье я буду рассматривать лишь линейный проводник, а не контуры и, тем более, катушки. Но даже с таким упрощением статья получается совсем не простой для понимания.

Эта статья будет лишь иллюстрацией того, каким образом изменяющееся магнитное поле приводит к возникновению ЭДС. Это не учебник, и даже не учебное пособие. И рассчитана статья не на физиков, хорошо все это знающих, а на тех, кто хочет увидеть, что скрывается за формулами электромагнетизма, которые они хорошо знают. А некоторые, и даже используют.

Магнитное поле проводника с током. Внешнее магнитное поле отсутствует

Начать придется довольно издалека, что бы было понятнее. Сначала давайте вспомним, как ток, текущий по проводнику, создает вокруг него магнитное поле.

Знакомый, еще со школьных времен, рисунок, правда? Проводник с током, стрелкой показано направление тока. Направление линий магнитного поля определяется по “правилу Буравчика”. Школьный курс физики. Пока все просто и понятно. Для бесконечно длинного и бесконечно тонкого проводника в любой точке пространства лежащей на расстоянии R от проводника с током I можно рассчитать магнитную индукцию по формуле

Эту формулу Вы, скорее всего, видели в учебниках. Однако, эта формула является лишь конечный результат. Действительно, магнитное поле в каждой точке пространства складывается их полей создаваемых каждой точкой проводника. И проведенная выше формула это результат интегрирования по всей длине проводника дифференциального уравнения выражающего поле для каждой точки проводника. Я не буду приводить эти формулы. Они не важны для понимания темы статьи. Я упомянул их лишь для полноты картины.

Проводник с током. Есть внешнее магнитное поле

Немного усложним задачу. Поместим проводник с током в магнитное поле. Пока постоянное, например, поле постоянного магнита.

Тоже хорошо знакомый, из курса школьной физики, рисунок. Тонкие вертикальные линии со стрелочками показывают направление линий внешнего, по отношению к проводнику, магнитного поля. Или, по другому, направление вектора магнитной индукции.

В этом случае на проводник с током действует сила Ампера. А направление вектора этой силы определяется по правилу левой руки. Опять школьный курс физики, все просто и понятно. Если проводник расположен перпендикулярно линиям магнитной индукции, то

И эта формула Вам хорошо знакома. Здесь В – магнитная индукция, L – длина проводника, I – протекающий по проводнику ток. Но сейчас я приведу и общую формулу

Если проводник с током не закреплен жестко, то он придет в движение в направлении вектора Fa. Почему нам важна эта формула в векторном дифференциальном виде? Давайте вспомним, что электрический ток это движение заряженных частиц. То есть, сила Ампера это суммарное проявление сил действующих на каждый заряд в проводнике.

Скорее всего, Вы видели формулу для силы Лоренца в таком виде

Здес q – заряд, v – скорость движения заряда, B – индукция магнитного поля, α – угол между вектором индукции и направлением движения заряда. Однако, как и следовало ожидать, это не общий вид формулы. И эта формула не учитывает наличие электрического поля. Полная формула выглядит так

Здесь добавилась напряженность электрического поля, а все величины (кроме заряда) стали векторными. Нам нужна именно эта формула, так у нас на заряд в проводнике действует и электрическое, и магнитное поля.

Каждый заряд движется внутри проводника, так как на него действует электрическое поле. Вектор этого движения направлен вдоль проводника. Но он движется и вместе с проводником, на который действует сила Ампера.

На этом рисунке показан заряд внутри проводника, его движение со скоростью u вдоль проводника под действием электрического поля, со скоростью v вместе с проводником (угол не обязательно прямой, но для упрощения), результирующая скорость перемещения u+v и ее направление. Вектор силы Лоренца Fл, действующей на заряд, перпендикулярен вектору результирующего перемещения.

Силу Лоренца точно так же, как перемещение, можно разложить на два вектора, две составляющие. Одна будет направлена параллельно проводнику, а вторая перпендикулярно. Параллельная составляющая вызывается электрическим полем, а перпендикулярная магнитным. Помните, я сказал, зачем нам нужна полная формула для силы Лоренца? Теперь это стало наглядно видно.

Обратите внимание, что перпендикулярная составляющая силы Лоренца тормозит перемещение проводника. А параллельная составляющая влияет на движение зарядов в проводнике, то есть, на ток протекающий по проводнику. А что может изменить ток в проводнике? Правильно, возникшая ЭДС. То есть, само движение проводника, через силу Лоренца, вызывает появление той самой ЭДС индукции.

Так же, обратите внимание, что сила Лоренца, параллельная проводнику, фактически разделяет заряды разных знаков в проводнике. Такое разделение будет происходить до тех пор, пока действие силы Лоренца не уравновесит электростатическую силу, действующую на заряды.

После того, как установится равновесие, движение зарядов в проводнике прекратится и у нас останется только параллельная составляющая силы Лоренца. А что такое прекращение движения зарядов? Это прекращение тока. То есть, ЭДС индукции стала равной ЭДС источника напряжения, создающего ток в проводнике.

Обратите внимание еще один момент. Движение проводника может осуществляться и внешним воздействием. И это воздействие может привести к изменению направления силы Лоренца, так как ЭДС индукции превысит напряжение источника напряжения. При этом перпендикулярная составляющая силы Лоренца снова будет создавать торможение, но уже внешнему воздействию. А параллельная составляющая приведет к протеканию тока в обратном направлении. Мы получили генератор…

И еще один момент стало хорошо видно. Движущийся под действием силы Ампера проводник является двигателем. Видно, что через движущийся проводник протекает меньший ток, чем через неподвижный. Если скорость движения проводника рана 0, то сила Лоренца не будет действовать вдоль проводника. Теперь Вы знаете, почему вращающийся реальный электродвигатель потребляет меньший ток, чем тот, вал которого нагружен или, тем более, заторможен.

Но мы рассмотрели проводник с током, и подвижный, и не подвижный. А если ток в проводнике не течет?

Проводник без тока, есть внешнее магнитное поле

Сначала рассмотрим подвижный проводник. Если посмотреть на рисунок для силы Лоренца, то видно, что осталась лишь одна составляющая скорости, v, перпендикулярная проводнику. При этом сила Лоренца, перпендикулярная направлению движения, будет полностью направлена вдоль проводника. То есть, у нас появилась составляющая вызывающая появление ЭДС индукции. Если проводник не замкнут, то эта ЭДС появится на его концах и создаст электростатическое поле. Если проводник замкнут (или нагружен внешним сопротивлением), то через него начнет протекать ток. Ну дальше картина уже нам знакома.

А если проводник неподвижен? В этом случае начинает играть свою роль вихревое электрическое поле. Оно возникает там, где есть изменяющееся магнитное поле. Вихревое электрическое поле не потенциально, а его линии замкнуты. Если проводник разомкнут, а вихревое поле с течением времени не изменяется, то силы этого поля уравновесятся внутри проводника силами электростатического поля, возникшего в результате разделения зарядов. Если же проводник замкнут, вихревое электрическое поле вызовет в нем ток. Этот ток будет существовать до тех пор, пока существует вихревое поле.

Откуда берется вихревое поле, и что это вообще такое. А вот для этого нам нужно обратиться к уравнениям Максвелла. Максвелл установил, что проводящий контур не играет принципиальной роли в появлении электрического поля, а является лишь прибором, обнаруживающим вихревое электрическое поле. Переменное магнитное поле создает вихревое электрическое поле независимо от того, имеются или нет проводники в той области пространства, где существует переменное магнитное поле. То есть переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле.

Есть еще одно определение ЭДС. Это циркуляция вектора напряженности поля сторонних сил.

Я не стал этого упоминать раньше, но сила Лоренца может рассматриваться именно как сторонняя сила. Поэтому ее участие в возникновении ЭДС индукции естественно, и не противоречит этому уравнению. Просто это интегральное уравнение является общим случаем, а не частным.

Заменим Eстор на Евихр и получим

Это интегральная форма первого уравнения Максвелла. Здесь L это произвольный замкнутый контур.

То есть, существует два вида электрического поля. Электростатическое, или кулоновское, потенциальное, порождаемое электрическими зарядами. Вихревое, непотенциальное, порождаемое изменяющимся магнитным полем.

Есть еще второе уравнение Максвелла. Оно гласит, что переменное электрическое поле порождаем магнитное поле. Другими словами, магнитное поле порождается не только движением зарядов, током, но самим изменением электрического поля, без движения зарядов. Второе уравнение рассматривает циркуляцию вектора В (индукция магнитного поля) в самом общем случае. Это уравнение еще называют теоремой полного тока. Я не буду приводить это уравнение, оно сложнее первого, но не касается рассматриваемой темы.

Уравнения Максвелла показывают единство электрического и магнитного полей. То есть,. описывают электромагнитное поле.

На самом деле все, что я говорил про проводник с током, движущийся в магнитном поле, можно описать через уравнения Максвелла. Но для тех, кто далек от физики, это будет совершенно не наглядно и непонятно. Объяснение через силу Лоренца верно, показывает исторический путь электромагнетизма, и гораздо нагляднее. Поэтому я и уделил ему большее влияние.

Заключение

Думаю, теперь стало понятно, почему в большинстве учебников, не считая учебники физики, даются лишь довольно простые формулы и объяснения, которые я привел в первой статье про трансформаторы. Даже такое небольшое погружение в пучины физики, как в этой статье, показывает всю сложность и объемность физических принципов, лежащих в основе, казалось бы такого простого устройства, как трансформатор. А для большинства достаточно не только законов электромагнитной индукции, но и простейших эмпирических формул.

Повторюсь, эта статья не учебник. И написана она не для физиков, а для тех, кому интересно, как же все устроено на самом деле. Но кто далек от физики. Кому то статья покажется слишком сложной. Кому то, слишком большой. Кому то, слишком очевидной и упрощенной. Да, все это так. Я пытался соблюсти некий баланс между сложностью, наглядностью, глубиной охвата. Не уверен, что получилось хорошо. Но надеюсь, что статья будет полезна.

Где возникает эдс индукции – Вместе мастерим

Возникновение в проводнике ЭДС индукции

Если поместить в магнитное поле проводник и перемещать его так, чтобы он при своем движении пересекал силовые линии поля, то в проводнике возникнет электродвижущая сила , называемая ЭДС индукции .

ЭДС индукции возникнет в проводнике и в том случае, если сам проводник останется неподвижным, а перемещаться будет магнитное поле, пересекая проводник своими силовыми линиями.

Если проводник, в котором наводится ЭДС индукции, замкнуть на какую-либо внешнюю цепь, то под действием этой ЭДС по цепи потечет ток, называемый индукционным током.

Явление индуктирования ЭДС в проводнике при пересечении его силовыми линиями магнитного поля называется электромагнитной индукцией .

Электромагнитная индукция — это обратный процесс, т. е. превращение механической энергии в электрическую.

Явление электромагнитной индукции нашло широчайшее применение в электротехнике. На использовании его основано устройство различных электрических машин.

Величина и направление ЭДС индукции

Рассмотрим теперь, каковы будут величина и направление индуктированной в проводнике ЭДС.

Величина ЭДС индукции зависит от количества силовых линий поля, пересекающих проводник в единицу времени, т. е. от скорости движения проводника в поле.

Величина индуктированной ЭДС находится в прямой зависимости от скорости движения проводника в магнитном поле.

Величина индуктированной ЭДС зависит также и от длины той части проводника, которая пересекается силовыми линиями поля. Чем большая часть проводника пересекается силовыми линиями поля, тем большая ЭДС индуктируется в проводнике. И, наконец, чем сильнее магнитное поле, т. е. чем больше его индукция, тем большая ЭДС возникает в проводнике, пересекающем это поле.

Итак, величина ЭДС индукции, возникающей в проводнике при его движении в магнитном поле, прямо пропорциональна индукции магнитного поля, длине проводника и скорости его перемещения.

Зависимость эта выражается формулой Е = Blv,

где Е — ЭДС индукции; В — магнитная индукция; I — длина проводника; v — скорость движения проводника.

Следует твердо помнить, что в проводнике, перемещающемся в магнитном поле, ЭДС индукции возникает только в том случае, если этот проводник пересекается магнитными силовыми линиями поля. Если же проводник перемещается вдоль силовых линий поля, т. е. не пересекает, а как бы скользит по ним, то никакой ЭДС в нем не индуктируется. Поэтому приведенная выше формула справедлива только в том случае, когда проводник перемещается перпендикулярно магнитным силовым линиям поля.

Направление индуктированной ЭДС (а также и тока в проводнике) зависит от того, в какую сторону движется проводник. Для определения направления индуктированной ЭДС существует правило правой руки.

Если держать ладонь правой руки так, чтобы в нее входили магнитные силовые линии поля, а отогнутый большой палец указывал бы направление движения проводника, то вытянутые четыре пальца укажут направление действия индуктированной ЭДС и направление тока в проводнике.

Правило правой руки

ЭДС индукции в катушке

Мы уже говорили, что для создания в проводнике ЭДС индукции необходимо перемещать в магнитном поле или сам проводник, или магнитное поле. В том и другом случае проводник должен пересекаться магнитными силовыми линиями поля, иначе ЭДС индуктироваться не будет. Индуктированную ЭДС, а следовательно, и индукционный ток можно получить не только в прямолинейном проводнике, но и в проводнике, свитом в катушку.

При движении внутри катушки постоянного магнита в ней индуктируется ЭДС за счет того, что магнитный поток магнита пересекает витки катушки, т. е. точно так же, как это было при движении прямолинейного проводника в поле магнита.

Если магнит опускать в катушку медленно, то возникающая в ней ЭДС будет настолько мала, что стрелка прибора может даже не отклониться. Если же, наоборот, магнит быстро ввести в катушку, то отклонение стрелки будет большим. Значит, величина индуктируемой ЭДС, а следовательно, и сила тока в катушке зависят от скорости движения магнита, т. е. от того, насколько быстро силовые линии поля пересекают витки катушки. Если теперь поочередно вводить в катушку с одинаковой скоростью сначала сильный магнит, а затем слабый, то можно заметить, что при сильном магните стрелка прибора будет отклоняться на больший угол. Значит, величина индуктируемой ЭДС, а следовательно, и сила тока в катушке зависят от величины магнитного потока магнита.

И, наконец, если вводить с одинаковой скоростью один и тот же магнит сначала в катушку с большим числом витков, а затем со значительно меньшим, то в первом случае стрелка прибора отклонится на больший угол, чем во втором. Значит, величина индуктируемой ЭДС, а следовательно, и сила тока в катушке зависят от числа ее витков. Те же результаты можно получить, если вместо постоянного магнита применять электромагнит.

Направление ЭДС индукции в катушке зависит от направления перемещения магнита. О том, как определять направление ЭДС индукции, говорит закон, установленный Э. X. Ленцем.

Закон Ленца для электромагнитной индукции

Всякое изменение магнитного потока внутри катушки сопровождается возникновением в ней ЭДС индукции, причем чем быстрее изменяется магнитный поток, пронизывающий катушку, тем большая ЭДС в ней индуктируется.

Если катушка, в которой создана ЭДС индукции, замкнута на внешнюю цепь, то по виткам ее идет индукционный ток, создающий вокруг проводника магнитное поле, в силу чего катушка превращается в соленоид. Получается таким образом, что изменяющееся внешнее магнитное поле вызывает в катушке индукционный ток, которой, в свою очередь, создает вокруг катушки свое магнитное поле — поле тока.

Изучая это явление, Э. X. Ленц установил закон, определяющий направление индукционного тока в катушке, а следовательно, и направление ЭДС индукции. ЭДС индукции, возникающая в катушке при изменении в ней магнитного потока, создает в катушке ток такого направления, при котором магнитный поток катушки, созданный этим током, препятствует изменению постороннего магнитного потока.

Закон Ленца справедлив для всех случаев индуктирования тока в проводниках, независимо от формы проводников и от того, каким способом достигается изменение внешнего магнитного поля.

При движении постоянного магнита относительно проволочной катушки, присоединенной к клеммам гальванометра, или при движении катушки относительно магнита возникает индукционный ток.

Индукционные токи в массивных проводниках

Изменяющийся магнитный поток способен индуктировать ЭДС не только в витках катушки, но и в массивных металлических проводниках. Пронизывая толщу массивного проводника, магнитный поток индуктирует в нем ЭДС, создающую индукционные токи. Эти так называемые вихревые токи распространяются по массивному проводнику и накоротко замыкаются в нем.

Сердечники трансформаторов, магнитопроводы различных электрических машин и аппаратов представляют собой как раз те массивные проводники, которые нагреваются возникающими в них индукционными токами. Явление это нежелательно, поэтому для уменьшения величины индукционных токов части электрических машин и сердечники трансформаторов делают не массивными, а состоящими из тонких листов, изолированных один от другого бумагой или слоем изоляционного лака. Благодаря этому преграждается путь распространения вихревых токов по массе проводника.

Но иногда на практике вихревые токи используются и как токи полезные. На использовании этих токов основана, например, работа индукционных нагревательных печей, счетчиков электрической энергии и так называемых магнитных успокоителей подвижных частей электроизмерительных приборов.

Электромагнитная индукция (индукция значит наведение) это явление, при котором в замкнутом контуре возникает электрический ток при изменении магнитного потока, пронизывающего его.

Явление электромагнитной индукции было обнаружено в 1831 г.

М. Фарадеем. Ток, возникающий при электромагнитной индукции называют индукционным.

Закон электромагнитной индукцииЭДС индукции в контуре равна скорости изменения магнитного поля сквозь поверхность, ограниченную контуром.

Электромагнитная индукция
1831 г. — М. Фарадей обнаружил, что в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля возникает так называемый индукционный ток. (Индукция, в данном случае, — появление, возникновение).
Индукционный ток в катушке возникает при перемещении постоянного магнита относительно катушки; при перемещении электромагнита относительно катушки; при перемещении сердечника относительно электромагнита, вставленного в катушку; при регулировании тока в цепи электромагнита; при замыкании и размыкании цепи
Появление тока в замкнутом контуре при изменении магнит­ного поля, пронизывающего контур, свидетельствует о действии в контуре сторонних сил (или о возникно­вении ЭДС индукции). Явление возникновения ЭДС в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля (потока), пронизывающего контур, назы­вается электромагнитной индукцией. Или:явление возникновения электрического поля при изменении магнитного поля (потока), называется электромагнитной индукцией.
Закон электромагнитной индукции При всяком изменении магнитного потока через проводящий замкнутый контур в этом контуре возникает электрический ток. I зависит от свойств контура (сопротивление): . e не зависит от свойств контура: . ЭДС индукции в замкнутом контуре прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока через площадь, ограниченную этим контуром.
Основные применения электромагнитной индукции: генерирование тока (индукционные генераторы на всех электростанциях, динамомашины), трансформаторы.

Правило Ленца Возникновение индукционного тока — следствие закона сохранения энергии! В случае 1: При приближении магнита, увеличении тока, замыкании цепи: ; Магнитный поток Ф­ → ΔФ>0.Чтобы компенсировать это изменение (увеличение) внешнего поля, необходимо магнитное поле, направленное в сторону, противоположную внешнему полю: , где — т.н. индукционное магнитное поле. В случае 2: при удалении магнита, уменьшении тока, размыкании цепи: . Магнитный поток Ф → ΔФ 0). Ток в контуре имеет положительное направление ( ), если совпа­дает с , (т.е. ΔΦ

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Электрические токи порождают вокруг себя магнитные поля. Данная связь дала толчок к многочисленным попыткам создать электрический ток в контуре при помощи магнитного поля.

Данную задачу решил М. Фарадей в 1831 году. Ученый открыл явление электромагнитной индукции.

Электромагнитная индукция

Явление электромагнитной индукции заключается в том, что в замкнутом проводящем контуре, если изменяется поток магнитной индукции, который рассматриваемый контур охватывает, появляется электрический ток. Возникающий электрический ток называют током индукции.

Анализируя свои множественные эксперименты, М. Фарадей пришел к выводу о том, что:

1. Индукционный ток появляется всегда при изменении магнитного потока, который охватывает проводящий контур. Так, если в однородном магнитном поле проводящий замкнутый контур повернуть, то в момент разворота в нем будет течь ток индукции. В этом случае индукция магнитного поля постоянна около проводящего контура, переменным является только поток магнитной индукции, который изменяется за счет изменения площади контура.
2. Величина тока индукции не связана со способом изменения магнитного потока. Она определена только скоростью его изменения. Сила тока индукции тем больше, чем больше скорость перемещения магнита, или быстрота изменения силы тока, или скорость перемещения катушек.

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Электромагнитная индукция подтверждает связь между электрическими и магнитными явлениями.

Закон Фарадея

Анализируя данные своих экспериментов, М. Фарадей предложил количественный закон, описывающий электромагнитную индукцию. Ученый доказал, что каждый раз при изменении потока магнитной индукции, который сцеплен с проводящим контуром, в проводнике появляется ток индукции. Наличие индукционного тока означает то, что в цепи присутствует электродвижущая сила (ЭДС), которую в данном случае называют электродвижущей силой электромагнитной индукции ($Ɛ_i$).

Величина тока индукции, а значит, и величина $Ɛ_i$ зависит от скорости изменения магнитного потока:

$left|Ɛ_
ight|=frac

left( 1
ight)$.

Ф>

где $Ф$ — поток магнитной индукции.

Определимся со знаком ЭДС индукции. Знак потока магнитной индукции связан с выбором положительной нормали к рассматриваемому проводящему контуру. А направление силы тока и направление нормали связывает правило правого буравчика (винта). Получается, что фиксируя направление нормали, мы устанавливаем знак магнитного потока, направление тока и $Ɛ_i$ в контуре.

Задай вопрос специалистам и получи
ответ уже через 15 минут!

Сформулируем закон электромагнитной индукции Фарадея в окончательном виде:

Не зависимо от причины изменения магнитного потока, который охватывает замкнутый проводящий контур, электродвижущая сила индукции, появляющаяся в этом контуре равна:

где под $frac

$ понимают полную скорость изменения потока магнитной индукции, охватываемого проводником.

Ф>

Минус в формуле (2) указывает на то, что:

• При росте потока магнитной индукции (скорость изменения магнитного потока больше нуля) ($frac
  >0)$, ЭДС индукции меньше нуля ($Ɛ_i
  Ф>
• При уменьшении потока магнитной индукции (скорость изменения магнитного потока меньше нуля), ЭДС индукции больше нуля ($Ɛ_i>0$). Что значит, направление потока и направление поля тока индукции совпадают.

Знак минус в формуле (2) – это математическое отображение правила Ленца, которое используют для того, чтобы найти направление тока индукции.

Закон Фарадея справедлив при:

1. произвольных перемещениях замкнутого проводящего контура;
2. при любых его деформациях;
3. изменениях магнитного поля.

ЭДС индукции измеряется с Международной системе единиц (СИ) в вольтах (В).

Значение закона Фарадея

Закон Фарадея выражает новое физическое явление, в котором переменное магнитное поле порождает электрическое поле. Отсюда делается вывод о том, что электрическое поле может порождаться не только электрическими зарядами, но и изменяющимся магнитным полем.

Электромагнитная индукция – это всеобщий фундаментальный закон природы, реализующий связь между электрическими и магнитными полями.

Природа электродвижущей силы индукции

Если проводник перемещается в магнитном поле, то на свободные электроны его вещества действуют силы Лоренца. Эти электроны под воздействием названной силы приходят в движение относительно проводника, что означает: в проводнике появляется ток.

Рисунок 1. Проводники. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рассмотрим прямой участок $DG$ проводника на рис.1. Этот участок перемещается со скоростью $vec v$ по проводникам $CK$ и $AL$, как по направляющим. При этом контур $AGDCA$ постоянно замкнут. Вектор индукции внешнего магнитного поля нормален плоскости рассматриваемого контура. Магнитное поле будем считать однородным. На заряды, которые перемещаются вместе с проводником, действует сила Лоренца, равная:

$vec_=qleft( vec imes vec
ight)left( 3
ight)$.

где$ vec$– индукция внешнего магнитного поля. Под воздействием силы Лоренца свободные электроны проводника приходят в движение и образуют электрический ток. Направление этого тока принимают за положительный обход контура, положительная нормаль ($vec n$) к площади контура указана на рис.1.

Наличие силы Лоренца эквивалентно тому, что в проводнике на заряды действует электрическое поле напряженность которого равна:

Поэтому ЭДС индукции между точками 1 и 2 проводника найдем как:

$left( Ɛ_
ight)_<21>=intlimits_1^2 vec dvec=intlimits_1^2left( vec imes vec
ight) dvecleft( 5
ight)$.

В случае, который мы рассматриваем на рис.1 точки 1 и 2 соответствуют точкам $D$ и $G$:

На не движущихся участках замкнутого контура, который мы рассматриваем, ЭДС не возникает. Следовательно, ЭДС контура равна ЭДС подвижного проводника $DG$, перемещающейся в магнитном поле.

Скорость перемещения проводника выразим как:

где $x$ — координата контактов проводника в точках $D$ и $G$ направляющими проводниками:

где $Ф$ — поток магнитной индукции через поверхность, которую ограничивает контур $AGDCA$. Знак минус указывает на то, что направления векторов $vec B$ и $ dvec S$ противоположны,

Выражение (11) мы получили, рассматривая движение части проводника. При перемещении нескольких участков проводника, ЭДС индукции находят как алгебраическую сумму ЭДС индукции, появляющихся на каждом участке.

Так и не нашли ответ
на свой вопрос?

Просто напиши с чем тебе
нужна помощь

ЭДС индукции – Энциклопедия по машиностроению XXL

Закон электромагнитной индукции. Экспериментальное исследование зависимости ЭДС индукции от изменения магнитного потока привело к установлению закона электромагнитной индукции ЭДС индукции в замкнутом контуре пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.  [c.188]

В СИ единица магнитного потока выбрана такой, чтобы коэффициент пропорциональности между ЭДС индукции и изменением магнитного потока был равен единице. При этом закон электромагнитной индукции формулируется следующим образом ЭДС индукции в замкнутом контуре равна модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром  [c.188]

Если в последовательно соединенных контурах происходят одинаковые изменения магнитного потока, то ЭДС индукции в них равна сумме ЭДС индукции в каждом из контуров. Поэтому при изменении магнитного потока в катушке, состоящей из п одинаковых витков провода, общая ЭДС индукции в п раз больше ЭДС индукции в одиночном контуре  [c.188]

Единица магнитного потока в Международной системе единиц называется вебером (Вб). Она определяется на основании использования закона электромагнитной индукции. Магнитный поток через площадь, ограниченную замкнутым контуром, равен 1 Вб, если при равномерном убывании этого потока до нуля за 1 с в контуре возникает ЭДС индукции 1 В  [c.188]

ЭДС индукции в движущихся проводниках. Явление электромагнитной индукции наблюдается и в тех случаях, когда магнитное поле не изменяется во времени, но магнитный поток через контур изменяется из-за движения проводников контура в магнитном поле. В этом случае причиной возникновения ЭДС индукции является не вихревое электрическое поле, а сила Лоренца.  [c.189]

Поэтому ЭДС индукции в контуре будет равна  [c.189]

Совпадение выражений (54.5) и (54.7) показывает, что причиной возникновения ЭДС индукции в контуре в этом случае является действие силы Лоренца на заряды в движущемся проводнике.  [c.190]

Самоиндукция. 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. Явление возникновения ЭДС индукции в  [c.190]

Мы получили, что работа внешних сил, вызывающих движение проводника в магнитном поле, равна работе ЭДС индукции в электрической цепи.  [c.196]

Машнна постоянного тока как электрический генератор. Физический принцип действия машины постоянного тока как генератора основан на явлении возникновения ЭДС индукции в рамке из проводника при вращении ее в магнитном поле (рис. 203).  [c.196]

При вращении якоря в магнитном поле индуктора в проводах его обмоток возникает ЭДС индукции.  [c.196]

С потребителями электрической энергии через скользящие контакты коллектора и электрических щеток соединяются концы той обмотки якоря, в которой в данный момент времени ЭДС индукции имеет максимальное значение.  [c.196]

Провода обмотки движутся перпендикулярно линиям индукции магнитного поля. При этом между концами проводника возникает ЭДС индукции, которая прямо пропорциональна скорости  [c.196]

При равномерном увеличении магнитного потока через контур ЭДС индукции и сила тока в цепи постоянны. В этом случае электрический заряд Aq равен q = IM. Следовательно, нужно найти силу тока в цепи.  [c.210]

При зарядке и разрядке конденсатора колебательного контура изменения силы тока в катушке Lk контура вызывают изменения магнитного поля вокруг нее. При этом происходят изменения магнитного потока и возникает ЭДС индукции во второй катушке Lqb, называемой катушкой обратной связи. Один конец катушки обратной связи соединен с эмиттером транзистора, второй через конденсатор С — с его базой. Катушка обратной связи включена таким образом, что при увеличении силы тока в цепи коллектора на базу подается напряжение, отпирающее транзистор  [c.235]

Изменения магнитного потока создают ЭДС индукции е в витке, согласно закону электромагнитной индукции равную производной потока магнитной индукции, взятой со знаком минус  [c.237]

Следовательно, изменения ЭДС индукции со временем будут происходить по гармоническому закону  [c.237]

Если с помощью контактных колец и скользящих по ним щеток соединить концы витка с электрической цепью, то под действием этой ЭДС индукции в электрической цепи возникнут вынужденные гармонические колебания силы тока — переменный ток.  [c.237]

Отношение ЭДС самоиндукции l в первичной катушке к ЭДС индукции в2 во вторичной катушке равно отношению числа витков П1 в первичной катушке к числу витков Л2 во вторичной катушке  [c.246]

При разомкнутой цепи вторичной катушки — режим холостого хода трансформатора — напряжение 2 на [c.246]

Вторичную катушку пронизывает тот же самый магнитный поток, который проходит через первичную катушку. При изменениях магнитного потока в каждом ее витке возникает ЭДС индукции, изменяющаяся по гармоническому закону, амплитуда изменений ЭДС индукции в одном витке имеет такое же значение, что и ЭДС самоиндукции в одном витке первичной катушки. Если число витков провода вторичной катушки /12, то мгновенное значение ЭДС в ней равно  [c.246]

Виток провода площадью 2,5-10 м вращается с частотой 5 с в однородном магнитном поле с индукцией 1,1 Тл. Определите амплитуду колебаний ЭДС индукции в витке.  [c.295]

С какой частотой должен вращаться виток провода в однородном магнитном поле с индукцией 1,2 Тл, чтобы амплитуда колебаний ЭДС индукции в нем была 1 В Площадь витка 2,5-10″ м .  [c.295]

Ротор электрического генератора длиной Тми диаметром 1,25 м вращается с частотой 3000 оборотов в минуту. Индукция магнитного поля 2 Тл. Определите амплитуду колебаний ЭДС индукции в одном витке обмотки генератора.  [c.296]

ЭДС индукции 188 Эквипотенциальная поверхность 139 Электрическая емкость 143  [c.365]

Зависимость (55), называемая законом электромагнитной индукции Фара дея, устанавливает и величину, и направление ЭДС индукции.  [c.191]

Если в переменное магнитное поле помещен неподвижный проводник, то поток магнитной индукции сквозь сечение контура, охватываемого проводником, изменяется, в связи с чем в проводнике по закону Фарадея возникает ЭДС индукции  [c.191]

Аналогичное соотношение можно получить и для электрического вихревого поля. Согласно (55), ЭДС индукции  [c.192]

Индуктивность и взаимная индуктивность. При изменении магнитного потока, сцепленного с данным контуром, в последнем возникает электродвижущая сила (ЭДС) индукции, определяемая законом Фарадея  [c.253]

Единицу индуктивности можно определить как индуктивность такого контура, который сцеплен с потоком в один максвелл, при протекании по нему тока, равного с единиц, Согласно другому определению единицей индуктивности является индуктивность такого контура, в котором возникает ЭДС индукции, равная единице, при изменении тока в контуре на единиц в секунду. В соответствии с размерностью иногда указанную единицу индуктивности называют сантиметром индуктивности.  [c.255]

ИНДУКЦИОННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ — ускоритель заряженных частиц, в к-ром прирост энергии частиц происходит за счёт эдс индукции, создаваемой перем. магн, потоком. Различают циклич. И. у. бетатрон), в к-ром частицы обращаются в магн. поле по траекториям, близким к окружности, а магн. поток пронизывает эту окружность, и линейный индукционный ускоритель, в к-ром частицы движутся почти прямолинейно, а ускоряющее электрич. поле индукции создаётся охватывающим траекторию перем. магн. потоком.  [c.144]

Появление электрического тока в замкнутом контуре при изменениях магнитного поля, пронизывающего контур, свидетельствует о действии в контуре сторонних сил неэлектростатической природы или о возникновении ЭДС индукции. Количественное описание явления электромагнитной индукции дается на основе установления связи между ЭДС индукции и физической величиной, называемой магнитным потоком.  [c.187]

Основными частями машины постоянного тока являются индуктор, с помощью которого создается магнитное поле, якорь, в обмотке которого наводлтся ЭДС индукции, гсоллектор и электрические щетки. Коллектором называются изолированные друг от друга проводящие пластипы, присоединенные к катушкам. По пластинам коллектора скользят электрические щетки, соединяющие концы обмоток с внешней йлектрической цепью.  [c.196]

Если внутреннее сопротивление источника тока, т. е. сопротивление проводов обмотки статора, значительно меньше сопротивления внешней электрической цепи, то напряжение и на выходе генератора можно считать равным по абсолютному значению ЭДС индукции в п последовательно включенных витках обмотки и = пе = пВЗш sin ot. (68.5)  [c.238]

В системах магнитоэлектрического типа в последнем урав-пеиии вая ную роль играет ЭДС индукции. D частном случае, когда ироводппк длины I перемещается в равномерном магнитном поле перпендикулярно вектору пндукцни В, наведенная ЭДС индукции онределяется по формуле  [c.284]

Отложения оксидов металлов в трубе обнаруживают при помощи индукционного датчика, представляющего собой постоянный магнит с обмоткой медного провода (оператор водит прибором по поверхности исследуемого трубопровода). При прохождении участка с металлооксидными отложениями магнитное сопротивление цепи магнит – трубопровод уменьщается, что приводит к изменению напряженности магнитного поля магнита и сопровождается возникновением в обмотке магнита ЭДС индукции, поступающей на вход двухкаскадного транзисторного усилителя постоянного тока, и усиленный импульс регистрируется микроамперметром. Отклонение стрелки прибора зависит от толщины слоя отложения и скорости движения датчика по трубопроводу. Однако из-за малой длительности импульса индуктируемой ЭДС, наличия омического сопротивления обмотки магнита и инерционности подвижной части микроамперметра  [c.49]

Формулы (7.62) и (7.63) представляют собой частный случай, когда поток, изменения которого порождают ЭДС индукции, создан в тороиде или длинном соленоиде. В более общем случае контура любой формы с любым числом произвольно расположенньис витков можно, основываясь на законе Био, Савара и Лапласа, выразить потокосцепление с этим контуром в виде  [c.254]

Если мы имеем два контура, более или менее близко расположенных друг относительно друга, то при протекании тока по одному из контуров часть потока или весь поток оказывается сцепленным со вторым контуром. Изменение тока в первом из контуров вызывает возникновение ЭДС индукции во втором контуре. Потокосцеп-ление в одном контуре в зависимости от тока в другом имеет вид, аналогичный (7.64)  [c.255]

ЯВЛЕНИЕ (взаимной индукции заключается в наведении ЭДС индукции во всех проводниках, находящихся вблизи цепи переменного тока самоиндукции — возникновение ЭДС электромагнитной индукции в электрической цепи вследствие изменения в ней электрического тока гидратации — взаимодействие ионов растворенного вещества с молекулами растворителя осмоса — ппоникновение растворителя в раствор через пористую перегородку (мембрану), непроницаемую для растворенного вещества и отделяющую раствор от чистой жидкости сверх гекучестп гелия состоит в способности жидкого гелия-2 протекать без трения через узкие щели и капилляры при температуре Г[c.302]

Линейный индукционный ускоритель — Л. у., в к-ром для ускорения используется эдс индукции, возникающей при изменении во времени магн. потока, охватывающего нрямолинейные траектории частиц. Ускоряющее поло в индукц. Л. у. за время пролёта частиц существенно не меняется.  [c.586]

Зарядовая нейтрализация пучка происходит при инжекции в достаточно плотную плаз.му за счёт вытеснения из его объёма медленных плазменных электронов с характерным временем (4яа) , где а — проводимость плазмы. Если к моменту достижения нейтрализации ток С. п. продолжает нарастать, то эдс индукции создаёт ток оставшихся плазменных электронов, направленный против тока пучка и вызывающий токовую нейтрализацию. При небольшой плотности плазмы, когда плазменная частота озр распределён по всему объёму, так что токовая нейтрализация неполна и имеет интегральный характер. При Ыр > da происходит локальная нейтрализация, за исключением поверхности С. п., где образуется двойной токовый слой толщиной – juip и сосредоточено ыагн. поле. В таких условиях частицы С. и. практически свободны, а сам он электродинамически венаблюдаем. Эффективность переноса пучком мощности и энергии через плазму на расстояния 1м близка к 100%, но на больших расстояниях уменьшается за счёт раал. неустойчивостей С. п., в первую очередь поперечной неустойчивости, выражающейся в изгибании пучка как целого и разбиения его на отд, нити.  [c.503]

---

нужна помощь по физике. По какой причине возникает ЭДС индукции в проводнике, находящемся в переменном магнитном поле?

При движении проводника его свободные заряды движутся вместе с ним. Поэтому на заряды со стороны магнитного поля действует сила Лоренца. Она-то и вызывает перемещение зарядов внутри проводника. ЭДС индукции, следовательно, имеет магнитное происхождение.
На многих электростанциях земнога шара именно сила Лоренца вызывает перемещение электронов в движущихся проводниках.

Если электрический ток, как показали опыты Эрстеда, создает магнитное поле, то не может ли в свою очередь магнитное поле вызывать электрический ток в проводнике? Многие ученые с помощью опытов пытались найти ответ на этот вопрос, но первым решил эту задачу Майкл Фарадей (1791 — 1867).
В 1831 г. Фарадей обнаружил, что в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля возникает электрический ток. Этот ток назвали индукционным током.
Индукционный ток в катушке из металлической проволоки возникает при вдвигании магнита внутрь катушки и при выдвигании магнита из катушки
Если поместить в магнитное поле проводник и перемещать его так, чтобы он при своем движении пересекал силовые линии поля, то в проводнике возникнет электродвижущая сила, называемая ЭДС индукции.
ЭДС индукции возникнет в проводнике и в том случае, если сам проводник останется неподвижным, а перемещаться будет магнитное поле, пересекая проводник своими силовыми линиями.
Если проводник, в котором наводится ЭДС индукции, замкнуть на какую-либо внешнюю цепь, то под действием этой ЭДС по цепи потечет ток, называемый индукционным током.
Явление индуктирования ЭДС в проводнике при пересечении его силовыми линиями магнитного поля называется электромагнитной индукцией.
Электромагнитная индукция — это обратный процесс, т. е. превращение механической энергии в электрическую.
Явление электромагнитной индукции нашло широчайшее применение в электротехнике. На использовании его основано устройство различных электрических машин.

Закон электромагнитной индукции

«Счастливая случайность выпадает лишь

 на одну долю подготовленного ума».

Борис Пастернак

Данная тема посвящена решению задач на закон электромагнитной индукции.

Задача 1. Магнитный поток, пронизывающий контур увеличивается от 2 мВб до 10 мВб. При этом в контуре возникает ЭДС индукции 4 В. Найдите время, в течение которого изменялся магнитный поток.

ДАНО:	СИ	РЕШЕНИЕ Запишем закон электромагнитной индукции Выразим искомый промежуток времени из данного закона Изменение магнитного потока определим по формуле Тогда получаем

Ответ: 2 мс.

Задача 2. В катушке, содержащей 3000 витков, при изменении магнитной индукции от 30 мТл до 50 мТл, возбуждается ЭДС 0,2 В. Какова площадь поперечного сечения катушки, если индукция поля изменилась за 200 мс?

ДАНО:	СИ	РЕШЕНИЕ Запишем закон электромагнитной индукции Магнитный поток определяется по формуле Тогда изменение магнитного потока Преобразуем закон электромагнитной индукции и выразим из него искомую площадь

Ответ: 67 см².

Задача 3. Через поперечное сечение витка с сопротивлением 80 мОм проходит заряд 0,1 Кл. Найдите изменение магнитного потока внутри витка.

ДАНО:	СИ	РЕШЕНИЕ Запишем закон электромагнитной индукции Закон Ома для участка цепи Индукционный ток определяется по формуле По определению сила тока равна Тогда получаем

Ответ: –8 мВб.

Задача 4. В магнитное поле помещён контур площадью 0,5 м². Угол между направлением линий магнитной индукции и нормалью к плоскости контура равен 60º. На рисунке изображён график зависимости магнитной индукции поля от времени. Постройте график зависимости ЭДС индукции от времени.

ДАНО:

РЕШЕНИЕ Запишем закон электромагнитной индукции Магнитный поток может быть вычислен по формуле Изменение магнитного потока можно рассчитать по формуле Тогда закон электромагнитной индукции можно записать в виде Площадь контура и угол a известны из условия задачи, а изменение магнитной индукции и соответствующие промежутки времени можно найти, используя график. Рассчитаем ЭДС индукции на тех участках графика где изменяется магнитная индукция На тех участках где магнитная индукция не изменялась ЭДС индукции равна нулю. Построим теперь требуемый по условию график зависимости ЭДС индукции от времени

Задача 5. Кольцо радиусом 20 см находится в магнитном поле, линии индукции которого направлены перпендикулярно плоскости кольца. В течение 0,2 с кольцо быстро деформируют так, что его форму можно принять за квадрат. Найдите ЭДС индукции, если индукция магнитного поля равна 70 мТл.

ДАНО:	СИ	РЕШЕНИЕ Запишем закон электромагнитной индукции Магнитный поток определяется по формуле Очевидно, что изменение магнитного потока произошло из-за изменения площади контура, который изначально имел форму круга, а после принял форму квадрата. Таким образом, изменение магнитного потока равно Площадь круга Площадь квадрата С учетом последних формул изменение магнитного потока будет иметь вид Тогда ЭДС индукции Периметр квадрата равен сумме длин его сторон, а периметр круга – это, конечно, длина окружности.

Ответ: 9,4 мВ.

Закон Фарадея, ЭДС индукции – Служебный Дом

Индукция.

График

Новый рисунок

На рисунке представлен график изменения силы тока на первичной катушке трансформатора. В какие промежутки времени амперметр, подключённый к вторичной обмотке, покажет наличие тока в первичной обмотке?

Задание является довольно простым. Амперметр покажет наличие тока в те промежутки времени, когда на первичной катушке сила тока изменялась В данном примере, это промежутки времени от 2 до 4 в объединении от 5 до 8 секунд. В остальные моменты на вторичной катушке ток индуцироваться не будет, так как при этом на первичной катушке сила тока не изменяется.

При пропускании тока в одной катушке, ток в другой катушке будет появляться только в том случае, если в первой катушке ток изменяется.

Ток во вращающейся в магнитном поле рамке не появляется, если ось вращения параллельна вектору магнитной индукции.

Явление возникновения электрического тока при движении проводника в магнитном поле применяется в электрогенераторах.

Явление движения проводника с током под действием магнитного поля применяется в электродвигателях.

Магнитным потоком называется величина Ф=BScosα, где α – угол между вектором магнитной индукции и нормалью к контуру.

Чтобы изменить магнитный поток через рамку, необходимо её вращать. При неподвижном положении, а также при поступательном движении в однородном магнитном поле, магнитный поток через рамку не изменяется, а значит, не появляется индукционный ток.

В катушке возникает индукционный ток, если её двигать относительно магнита, так как магнит создаёт неоднородное магнитное поле и при перемещении катушки изменяется магнитный поток через неё, а значит возникает индукционный ток.

В момент замыкания электрической цепи, содержащей катушку, появится электрический ток, препятствующий установлению тока.

Силовые линии магнитного поля магнита выходят из северного полюса и входят в южный.

При поднесении магнита к замкнутому контуру, за счёт появления электромагнитной индукции в нём возникает  индукционный ток, который и создаёт магнитное поле контура, направленное противоположно магнитному полю магнита, за счёт чего и происходит отталкивание контура магнитом. Это происходит по тому что согласно правилу Ленца, индукционный ток направлен таким образом, чтобы препятствовать изменению магнитного потока через кольцо.

ЭДС индукции зависит от изменения магнитного потока Ф за изменения времени t.

С помощью основного закона электромагнитной индукции можно объяснить возникновение электрического тока в замкнутой катушке при увеличении силы тока в другой катушке, находящейся рядом с ней.

Зависимость магнитного потока от времени имеет вид Ф=BScos2πνt, где 2πνt – зависимость угла от времени. Если в начале равно 0, то используется синус, если в начальный момент времени максимум – то косинус.

ω=2πν=2π/T – циклическая частота.

Циклическая частота – скалярная физическая величина, мера частоты вращательного или колебательного движения. Или же число колебаний за 2π секунд.

Если в проводнике ток увеличивается во времени, то в контуре, расположенном в одной плоскости с проводником возникает такой ток, который создаёт такое направление магнитного поля, чтобы препятствовать магнитному полю проводника, то есть в другую сторону. Если же в проводнике ток уменьшается, то в контуре магнитное поле сонаправленно с магнитным полем проводника в данной точке.

При одинаковых внешних условиях и одинаковых размерах контуров, но разных материалов, из которых они изготовлены, в конутрах будет наводиться одинаковая ЭДС индукции, так как эта величина не зависит от сопротивления контура. Протекающие электрические заряды и сила тока могут отличаться, так как они зависят от сопротивления проводника..

При изменении формы рамки в ней возникает ток, если она находится в магнитном поле.

Лекция 24

POP5 QQ23.4
Данная приложенная сила величиной F _app приводит к постоянная скорость v и потребляемая мощность P . Представьте, что сила увеличена так, что постоянная скорость штанги увеличена вдвое до 2 v . В этих условиях каковы новые силы и новый ввод питания?
A. 2 F и 2 P
B. 4 F и 2 P
С.2 F и 4 P
D. 4 F и 4 P
Ответ

gc6 tb21.5
Петля из проволоки вращается в однородном магнитном поле. Что произойдет с наведенной ЭДС, если диаметр петли увеличен вдвое, но все остальные факторы остались прежними?
A. Индуцированная ЭДС в четыре раза больше.
Б. Индуцированная ЭДС в два раза больше.
C. Индуцированная ЭДС вдвое меньше.
D. Нет изменения наведенной ЭДС.
Ответ

POP5 QQ23.4
Рассмотрим физическую систему, показанную на рисунке. Если ток в проводе меняет направление, в каком направление будет ли ток индуцироваться в контуре цепи?
А. по часовой стрелке
Б. против часовой стрелки
C. zero
Ответ

PSE6 31,34
Ток в соленоиде r = 2,00 см, n = 1000 витков / м колеблется как

I = (5,00 A) sin (100 π t ).

Что такое E при r = 1,00 см и t = 3,33 мс?
А. 787 В / м
В. 16,7 В / м
C. 0,202 кВ / м
D. 4.94 мВ / м
Ответ

Walker5 Пр. 23-6
Металлическое кольцо выпадает из области магнитного поля в область, свободную от поля, как показано на рисунке. В наведенный ток в кольце ______.

А. по часовой стрелке
Б. Зеро
C. против часовой стрелки
Ответ

Walker5 23.27а
Проволочная петля проходит между полюсами магнита, как показано на рисунке. Когда петля находится над магнитом, наведенный ток в контуре ______.
А. по часовой стрелке
Б. Зеро
C. против часовой стрелки
Ответ

Walker5 Ex 23-8
Если B = 2,71 T, & ell; = 1,25 м и v = 3,1 м / с на рисунке ниже, с какой скоростью изменяется магнитный поток Φ?

A. 3,88 Вт / с
Б.10,5 Вт / с
C. 0,700 Вт / с
D. 28,4 Вт / с
Ответ

Walker5 пр. 23-6
Металлическое кольцо перемещается в область магнитного поля, как показано. В наведенный ток в кольце ______.

А. по часовой стрелке
Б. Зеро
C. против часовой стрелки
Ответ

C. 2 F и 4 P

A. Индуцированная ЭДС в четыре раза больше.
Магнитный поток пропорционален площади, которая будет увеличиваться в четыре раза при увеличении диаметра вдвое.Тогда изменение потока будет в четыре раза больше, как и наведенная ЭДС.

B. против часовой стрелки



По закону Ленца ток в цепи будет течь через направление, которое создает магнитный поток вне страницы, чтобы противостоять изменению внутри страницы потока, который возникает, когда электрический ток в проводе меняет направление.

D. 4,94 мВ / м

С.против часовой стрелки
По закону Ленца ток будет течь против часовой стрелки, чтобы выступить против уменьшения потока вне страницы. Индуцированный ток против часовой стрелки вызывает выход за пределы страницы. поток, который частично восстанавливает уменьшенный поток, который возникает, когда кольцо выпадает из области магнитного поля.
Как показано, существует также сила магнитного сопротивления из-за индуцированного тока.

A. по часовой стрелке
Поток сообщений вне страницы через петлю увеличивается по мере приближения петли. полюса магнита.Индуцированный ток по часовой стрелке создает поток на странице, который препятствует изменению поток, который возникает, когда кольцо попадает в область самого сильного магнитного поля.

Б. 10,5 Вт / с
Скорость изменения площади v & ell; или (3,1 м / с) (1,25 м) = 3,88 м² / с. Поскольку поле перпендикулярно площади, Φ = BA , а скорость изменения потока просто (2,71 Тл) (3,88 м² / с) = 10,5 Тл · м² / с.

C. против часовой стрелки
По закону Ленца ток будет течь против часовой стрелки, чтобы противодействовать увеличению потока внутрь страницы. Индуцированный ток против часовой стрелки вызывает выход за пределы страницы. поток, который частично снижает увеличенный поток, замедляя скорость, с которой поток изменяется в кольце.

Физика для науки и техники II

из отдела академических технологий на Vimeo.

9,7 Самоиндукция

Рассмотрим две простые схемы. Катушка, которая подключена к клеммам источника питания, батареи, переключателя, и, скажем так, это наша схема номер один. Мы размещаем аналогичную катушку напротив этой, и в этой схеме у нас нет источника питания. Мы можем разместить здесь гальванометр, чтобы определять ток, и назовем его схемой номер два.

Допустим, источник питания, батарея, генерирует ε вольт электродвижущей силы.Конечно, когда переключатель выключен, через эту цепь не будет протекать ток. Когда мы включаем переключатель, мы собираемся закончить тем, что определенный ток будет течь по этой цепи от положительного конца к отрицательному, так что, как только переключатель будет замкнут.

Ну, во время этого процесса, как только мы включим этот переключатель, ток будет начинаться с 0 и начнет увеличиваться до своего максимального значения. Затем он достигнет своего максимального значения и, следовательно, будет проходить через этот контур с этим постоянным значением.Но во время нарастания тока, другими словами, когда он идет от 0 до максимального значения, соответствующее магнитное поле, которое он генерирует, также будет начинаться с 0 и увеличиваться в сторону максимального значения, потому что, как вы помните, величина тока прямо пропорциональна силе создаваемого магнитного поля.

Итак, во время этого процесса, когда магнитное поле поднимается с увеличением тока, и оно будет генерировать силовые линии магнитного поля через этот первый контур, допустим, первая катушка, и эти линии будут проходить через область, окружающую вторую катушку.По мере увеличения тока это магнитное поле будет увеличиваться. Следовательно, поток через область, окруженную второй катушкой, будет увеличиваться, и в результате этого увеличения потока, согласно закону Фарадея, мы получим наведенную ЭДС и, следовательно, индуцированный ток. Этот ток появится из закона Ленца, так что он будет противодействовать своей причине, поэтому он будет генерировать магнитное поле в направлении, противоположном этому. Это магнитное поле индуцированного тока. Чтобы иметь возможность генерировать магнитное поле в этом направлении, используя правое правило, индуцированный ток должен течь против часовой стрелки по всей этой цепи.

Конечно, этот ток будет обнаружен здесь гальванометром, и стрелка гальванометра будет двигаться в одном направлении. Он отклонится от своего исходного 0 в любой точке или в любом месте. Что ж, если мы последуем этому случаю, то магнитное поле этого индуцированного тока вдоль этой второй петли будет проходить через область, окруженную первой петлей, как это. Поскольку ток нарастает в первом, поэтому индуцированный i будет генерировать второй.Магнитное поле второй катушки пройдет через область, окруженную первой катушкой. Следовательно, он будет генерировать изменение потока через первую катушку, и этот поток будет индуцировать электродвижущую силу вдоль первой катушки и, следовательно, также ток, и этот ток будет проявляться так, что он будет противодействовать своей причине.

Если мы проследим катушки, исходные катушки, и он вернется к тому факту, что i индуцировано во второй катушке, чтобы появиться, и это происходит, что исходный ток i отображается как увеличивающийся от своего максимума. стоимость.Следовательно, ток, наведенный на первую катушку, будет противодействовать этой причине. Другими словами, он будет пытаться противодействовать увеличению первоначального тока. Для этого он должен генерировать магнитное поле, противоположное направлению потока исходного тока. Следовательно, он должен работать в направлении, противоположном исходному току. И по этой причине мы не сможем закончить тем, что ток сразу перейдет от 0 до максимального значения.Для достижения этого значения потребуется некоторое время.

Что ж, мы можем заявить здесь, что, говоря, индуцированная электродвижущая сила также появляется в катушке, если мы изменяем ток в той же катушке. Это называется самоиндукцией, а создаваемая ЭДС, электродвижущая сила, называется «самоиндуцированной ЭДС». Теперь, следовательно, как только мы изменим ток в первой катушке, мы собираемся индуцировать ток через вторую катушку, и магнитное поле этого тока вызовет изменение потока через первую катушку.Следовательно, мы собираемся получить и , индуцированные вдоль первой катушки. И если ток увеличивается в первой катушке, этот индуцированный ток будет течь в направлении, противоположном направлению первоначального тока.

Таким образом, исходный ток сразу достигнет максимального значения. Или, если i уменьшается, если исходный ток уменьшается, от его максимального значения до 0, тогда уменьшение магнитного поля будет генерировать или индуцировать электрический ток вдоль второй катушки.Этот ток будет течь в таком направлении, что будет противодействовать своей причине, и поэтому он будет течь в таком направлении, что создаваемое им магнитное поле будет в том же направлении, что и исходное магнитное поле. Это магнитное поле, опять же, будет генерировать изменение магнитного потока через область, окруженную первой катушкой. Это вызовет наведенный ток по первому, и в этом случае, опять же, он будет появляться в противовес своей первоначальной причине, а именно уменьшению исходного тока.

Следовательно, в этом случае этот ток будет проявляться в том же направлении, что и исходный ток. Поэтому позвольте мне выключить выключатель, ток не упадет до 0 сразу, и это займет некоторое время, и мы называем эту электродвижущую силу, которая появляется в результате изменения тока так же, как самоиндуцированная. электродвижущая сила и связанный с ней ток как самоиндуцированный ток.

Хорошо. Если мы вспомним определение индуктивности для любой катушки индуктивности, то у нас L – это равное количество потоковых звеньев, деленное на ток.Отсюда, если мы произведем перекрестное умножение, Li будет равно N , умноженному на Φ B . Что ж, по закону Фарадея индуцированная электродвижущая сила равна – Н, умноженное на количество витков, умноженное на изменение магнитного потока. Мы можем поместить это N в оператор производной, поскольку это константа, и записать это отношение d из NΦ B по dt . Но NΦ B из определения индуктивности равно L time i .Следовательно, ε становится равным – d из Li по сравнению с dt .

Поскольку индуктивность постоянна, мы можем вынести ее за пределы оператора производной. Тогда индуцированная ЭДС становится равной – L di по сравнению с dt , и это выражение для самоиндуцированной электродвижущей силы. Он просто говорит нам, что если ток меняется, то мы получим самоиндуцированную ЭДС через ту же катушку. Если через какой-либо индуктор протекает постоянный ток, то самоиндуцированная ЭДС будет равна 0.

Таким образом, мы можем резюмировать, сказав, что, таким образом, в любом индукторе – это может быть простой катушечный соленоид или тороид – самоиндуцированная ЭДС возникает всякий раз, когда ток изменяется со временем. Величина электродвижущей силы не влияет на индуцированную электродвижущую силу. Учитывается только скорость изменения тока. Другими словами, поскольку мы генерируем самоиндуцированную электродвижущую силу в самой первой катушке, самоиндуцированная ЭДС и связанный с ней индуцированный ток не имеют ничего общего с величиной исходного тока.Это напрямую зависит от того, насколько быстро или медленно изменяется исходный ток.

Что ж, направление самоиндуцированной электродвижущей силы, опять же, определяется из закона Ленца, другими словами, самоиндуцированные действия противодействуют изменению, которое его вызывает. Таким образом, если мы добавим, то можно сказать, что направление самоиндуцированной электродвижущей силы определяется законом Ленца. То есть противостоит своей причине.

В этом смысле, если вы посмотрите на пару интересных случаев, предполагая, что у нас есть индуктор, может быть соленоидом, тороидом или простой катушкой, и давайте предположим, что ток течет слева направо, и предположим, что i повышается.Следовательно, мы собираемся получить самоиндуцированную электродвижущую силу, и она проявится так, что будет противодействовать своей причине. Очевидно, что для протекания тока в этом направлении у нас должна быть наша оригинальная стрелка ЭДС. Он указывает вправо, чтобы ток шел слева направо. Таким образом, если и увеличивается, мы собираемся закончить с самоиндуцированной ЭДС вдоль этого индуктора, так что она будет противодействовать своей причине. Другими словами, он будет вести себя так, как будто у нас есть другой источник питания, противостоящий этому току.Другими словами, создание индуцированного тока в направлении, противоположном этому исходному току.

С другой стороны, если мы рассматриваем ту же катушку индуктивности, в этом случае ток снова уменьшается в том же направлении. Итак, снова стрелка ЭДС указывает в направлении потока тока, но теперь ток становится все меньше и меньше, поэтому мы собираемся закончить с самоиндуцированной ЭДС через этот индуктор, но эта ЭДС будет проявляться в некотором роде. что он попытается противостоять своему делу. Для этого он будет генерировать индуцированный ток, который будет течь в том же направлении, что и исходный ток.Следовательно, он будет вести себя так, как если бы у нас была индуцированная электродвижущая сила ε ′ , и он генерирует ток в том же направлении, что и исходный. Тогда как в предыдущем случае этот индуцированный ток будет иметь направление, противоположное направлению потока исходного тока.

Хотя это не очень хорошее представление, но оно поможет вам понять, потому что, помните, мы не можем действительно использовать стрелки ЭДС из-за электродвижущей силы, генерируемой в результате индукции.Что ж, именно из-за этих причин для первого случая мы можем рассматривать этот случай как момент, когда мы включаем переключатель, чтобы ток нарастал от его, от 0 до максимального значения. В то время как во втором случае мы можем визуализировать это как момент, когда мы выключаем выключатель, так что ток уменьшается от максимального значения до 0. В обоих случаях ни максимальное значение, ни значение 0 тока не будут достигнуты сразу. Это займет некоторое время из-за самоиндуцированной электродвижущей силы.

Закон Фарадея

Закон Фарадея
Далее: Закон Ленца Up: Магнитная индукция Предыдущий: Магнитная индукция Явление магнитной индукции играет решающую роль в три очень полезных электрических устройства: электрогенератор , электрогенератор двигатель и трансформатор . Без этих устройств современная жизнь была бы невозможно в нынешнем виде. Магнитная индукция была открыта в 1830 г. Английский физик Майкл Фарадей.Американский физик Джозеф Генри независимо друг от друга сделал то же открытие примерно в одно и то же время. Оба физиков заинтриговал тот факт, что электрический ток, протекающий вокруг цепь может генерировать магнитное поле. Наверняка, рассуждали они, если электрический ток может генерировать магнитное поле, тогда магнитное поле должно каким-то образом быть способным генерировать электрический ток. Однако потребовалось много лет бесплодных экспериментов. прежде, чем они смогли найти необходимый ингредиент, который позволяет магнитное поле для генерации электрического тока.Этот ингредиент изменение времени .

Рассмотрим плоскую петлю из токопроводящего провода соответствующей площади поперечного сечения. Поместим эту петлю в магнитное поле, напряженность которого приблизительно равна равномерный по всей длине петли. Предположим, что направление магнитное поле образует угол с нормальным направлением к петля. Магнитный поток через петлю составляет определяется как произведение площади петли и составляющей магнитное поле, перпендикулярное петле.Таким образом,

(191)

Если цикл оборачивается вокруг себя раз (, т. Е. , если цикл имеет витка ), то магнитный поток через петлю просто умножить на магнитный поток за один виток:

(192)

Наконец, если магнитное поле неоднородно по петле или петля не лежать в одной плоскости, тогда мы должны оценить магнитный поток как поверхностный интеграл

(193)

Вот какая-то поверхность, к которой прикреплена.Если петля имеет витки, то поток в несколько раз превышает указанное выше значение. Единица измерения магнитного потока в системе СИ – вебер (Вб). Одна тесла эквивалентна один вебер на квадратный метр:

(194)

Фарадей обнаружил, что если магнитное поле проходит через петлю из проволоки изменяется во времени. , тогда вокруг контура наводится ЭДС. Фарадей смог наблюдать этот эффект, потому что ЭДС вызывает ток, циркулирующий в петле.Фарадей обнаружил, что величина ЭДС прямо пропорциональна скорости изменения магнитного поля во времени. Он также обнаружил, что ЭДС генерируется, когда петля из проволоки перемещается на из области низкой напряженности магнитного поля в область высокой напряженности магнитного поля, и наоборот . ЭДС прямо пропорциональна скорость, с которой петля перемещается между двумя областями. Наконец, Фарадей обнаружил, что ЭДС генерируется вокруг петли, которая на вращается на в однородном магнитном поле постоянной напряженности.В этом случае ЭДС прямо пропорциональна скорости вращения петли. Фарадей в конце концов в состоянии предложить единый закон, который мог объяснить все его многочисленные и разнообразные наблюдения. Этот закон, известный как Закон магнитной индукции Фарадея выглядит следующим образом:

ЭДС, наведенная в цепи, пропорциональна скорости изменения во времени магнитный поток, связывающий эту цепь.

Единицы СИ были зафиксированы таким образом, чтобы константа пропорциональности в этом закон единица .Таким образом, если магнитный поток через цепь изменяется на сумму во временном интервале тогда генерируемая в цепи ЭДС равна

(195)

Есть много разных способов, которыми магнитный поток связывает электрическая цепь может изменять. Может измениться либо напряженность магнитного поля, либо направление магнитного поля. поле может измениться, или положение цепи может измениться, или форма цепь может измениться, или ориентация цепи может измениться.Закон Фарадея гласит, что все эти способы полностью эквивалент в части генерации ЭДС вокруг цепь касается.

---

Далее: Закон Ленца Up: Магнитная индукция Предыдущий: Магнитная индукция

Ричард Фицпатрик 2007-07-14

Индуцированная ЭДС

Введение

Магнитный поток через небольшой элемент поверхности площадью Δ A составляет

(1)

ΔΦ _B = B cos ϕ ΔA.

Для плоской поверхности площадью A в однородном магнитном поле B , Поток – это мера количества силовых линий магнитного поля, проходящих через поверхность. Изменение магнитного потока в цепи (из-за некоторого внешнего поля) индуцирует в цепи ЭДС. Количественное соотношение: Если цепь представляет собой катушку с N витками и Φ _B – это поток через один виток, то Если цепь представляет собой полный проводящий контур с сопротивлением R , то наведенная ЭДС создает наведенный ток.Направление наведенной ЭДС – это направление тока, который она производит. Направление индуцированной ЭДС задается законом Ленца: индуцированная ЭДС направлена ​​в направлении, противоположном изменению, которое ее вызвало. То есть поток наведенного тока противодействует изменению потока из-за внешнего поля. Если поток внешнего поля увеличивается, магнитное поле индуцированного тока противоположно направлению внешнего поля. Если поток уменьшается, магнитное поле индуцированного тока направлено в том же направлении, что и внешнее поле.Закон Ленца – следствие сохранения энергии.

Цель

В этой лаборатории мы будем измерять направление наведенной ЭДС в катушке, когда электромагнит вставлен в катушку и когда он удален. Мы сравним наши измеренные результаты с направлением, предсказанным законом Ленца.

Аппарат

• Электромагнит (длинный стержень с проволочными обмотками на нем)
• источник постоянного тока
• Приемная катушка на 200 витков
• Гальванометр
• Два комплекта пары соединительных проводов с банановыми вилками

Процедура

Распечатайте лист для этой лабораторной работы.Этот лист понадобится вам для записи ваших данных.

Подготовка источника питания

1

Найдите источник питания постоянного тока на лабораторном столе, но пока не подключайте его к цепи. Нажмите кнопку питания On / Off в положение On . Затем нажмите кнопку RANGE в положение «включено» (это устанавливает источник питания в диапазоне 0–35 В / 0–0,85 А). Поверните ручки Voltage и Current ADJUST до упора против часовой стрелки.Затем установите максимальный выходной ток для этого эксперимента, нажав кнопку CC Set и, удерживая ее, вращайте ручку Current ADJUST по часовой стрелке, пока на дисплее AMP не появится 0,80. Отпустите кнопку CC Set . Не перемещайте ручку настройки Current после завершения этой регулировки. Регулятор Voltage ADJUST будет использоваться для установки выходного напряжения, но на этом этапе оставьте выходное напряжение равным нулю.

Калибровка гальванометра

2

Сначала мы определим связь между направлением тока через гальванометр и направлением отклонения стрелки гальванометра.

Осторожно:
Гальванометр легко повредить при неправильном подключении.

Убедитесь, что ручка Voltage ADJUST на блоке питания полностью повернута против часовой стрелки. Включите блок питания и увеличьте напряжение до не более 0,5 вольт . Подключите черный соединительный провод (провод) между гнездом – на источнике питания и черным гнездом на гальванометре.Подключите красный провод к разъему + на блоке питания. Не подключайте красный провод к гальванометру. Просто коротко постучите им по красному разъему на гальванометре и отметьте направление отклонения стрелки гальванометра. Напомним, что ток течет через клемму + источника питания. Когда ток течет в красное гнездо гальванометра, в каком направлении отклоняется стрелка?

3

Переместите черный провод, идущий от разъема – на источнике питания, к красному разъему на гальванометре.Используя красный провод, идущий от разъема + на источнике питания, нажмите на черный разъем на гальванометре. Обратите внимание на направление отклонения иглы. Когда ток течет в черный домкрат гальванометра, в каком направлении отклоняется стрелка?

Настройка электромагнита

4

Подключите электромагнит к источнику питания постоянного тока так, чтобы конец электромагнита, противоположный пластиковому держателю, был южным полюсом и имел силовые линии, направленные к нему. Увеличивайте напряжение на блоке питания, пока ток не станет равным 0.80 A. С помощью компаса убедитесь, что магнитное поле на конце электромагнита, противоположном пластиковому держателю, действительно направлено к этому концу стержня. При необходимости отрегулируйте соединения с электромагнитом.

Индуцированная ЭДС

5

Подключите каждый разъем измерительной катушки к разъему на гальванометре. Обратите внимание на направление обмоток на приемной катушке, на что указывают черные отметки на красной ленте на концах катушки. Используйте правило правой руки и закон Ленца, чтобы предсказать направление индуцированного тока в приемной катушке, если южный полюс электромагнита быстро вставляется в приемную катушку.Затем объедините это прогнозируемое направление индуцированного тока с калибровкой гальванометра, чтобы предсказать направление, в котором стрелка будет отклоняться, когда южный полюс будет вставлен в катушку, и запишите свой прогноз. Быстро вставьте южный полюс электромагнита в катушку. Отметьте направление, в котором отклоняется стрелка гальванометра, и запишите свои экспериментальные результаты.

6

Предскажите отклонение стрелки, если южный полюс электромагнита удерживается в покое внутри катушки датчика.Запишите свой прогноз. Вставьте южный полюс электромагнита в катушку и удерживайте ее неподвижно. Обратите внимание на отклонение иглы, когда электромагнит не движется, и запишите свои экспериментальные результаты.

7

Предскажите отклонение стрелки, если южный полюс электромагнита будет быстро вытягиваться из катушки, и запишите свой прогноз. Быстро вытяните южный полюс электромагнита из катушки. Отметьте направление, в котором отклоняется стрелка гальванометра, и запишите свои экспериментальные результаты.

8

Измените подключение электромагнита к источнику постоянного тока так, чтобы конец электромагнита, противоположный пластиковому держателю, был северным полюсом. Используйте стрелку компаса, чтобы убедиться, что магнитное поле на этом конце электромагнита действительно направлено от конца стержня.

9

Повторите шаги 5, 6 и 7, используя северный полюс электромагнита вместо южного.

Когда вы закончите все части лаборатории, выключите источник питания и отсоедините все провода.

Авторские права © 2013-2014 Advanced Instructional Systems Inc. и Техасский университет A&M. Части из Университета штата Северная Каролина. | Кредиты

Наведенный ток> Лаборатория поддержки лекций по физике и астрономии> USC Dana and David Dornsife College of Letters, Arts and Sciences

EM.2 (1) – Эксперимент Фарадея по электромагнитной индукции

В этой демонстрации используются индукционная катушка и лекционный гальванометр.Погруженный в катушку стержневой магнит создает в катушке электрический ток, который отображается на гальванометре. Когда магнит удаляется, возникает ток в противоположном направлении. Прогиб стрелки гальванометра хорошо виден всем классом.

Эксперимент Фарадея теперь проводится с одной петлей вместо катушки с проволокой. Прогиб гальванометра в этом случае намного меньше. Это также можно сделать с увеличивающимся числом петель, чтобы показать его зависимость от числа петель.

верх

EM.2 (2) – Индукционные шины

К лекционному гальванометру подключаются две токопроводящие шины. Рельсы размещены вокруг магнитного поля большого подковообразного магнита. Когда проводник быстро скользит по рельсам, разрезая магнитное поле, индуцируется ЭДС. На индуцированную ЭДС указывает отклонение стрелки гальванометра. Переместите стержень в противоположном направлении, и стрелка гальванометра отклонится в противоположном направлении.Индуцированный ток направлен в таком направлении, чтобы создать магнитный поток, который противодействует изменению магнитного поля, вызванному скольжением проводника.

верх

EM.2 (3) – Катушки с токовой связью

Две индукционные катушки соединены длинными проводами и расположены далеко друг от друга в аудитории. Рядом с ними расположены высокие стойки, так что стержневые магниты на пружинах колеблются в них. Когда один магнит настроен на колебание, индуцированный ток заставляет колебаться и другой.

верх

EM.2 (4) – Индуцированный ток – две катушки

Одна индукционная катушка подключена к лекционным гальванометрам, как в EM.2 (2), а другая – к источнику питания постоянного тока и переключателю. Одна катушка установлена ​​поверх другой, но они не подключены. Включите блок питания. Когда переключатель разомкнут или замкнут, ток, индуцированный в другой катушке, будет отображаться на гальванометре.

Стальной сердечник, установленный через обе катушки, усилит эффект.

верх

EM.2 (5) – Эксперимент с прыгающим кольцом

Индукционная катушка с очень длинным железным сердечником поддерживается вертикально, при этом часть стального сердечника выдвинута вверх. Сплошное металлическое кольцо установлено вокруг железного сердечника над катушкой. Индукционная катушка подключена к источнику переменного тока. Когда на катушку подается переменный ток, металлическое кольцо подбрасывается вверх в воздух.Попробуйте с разрезным кольцом, и ничего не произойдет.

Ток, наведенный в металлическом кольце, создает магнитное поле, которое противодействует полю, создаваемому индукционной катушкой.

Нажмите здесь, чтобы посмотреть видео этой демонстрации.

верх

EM.2 (6) – Погружная лампа

Используется та же установка, что и EM.2 (5), но теперь с опущенным железным сердечником, так что стакан может быть помещен поверх змеевика.Внутри стакана находится небольшая катушка с проволокой с небольшой лампочкой посередине. Когда на индукционную катушку подаётся переменная ЭДС, загорается фонарик. Наполните стакан водой, и он снова загорится при подаче переменного тока ЭДС.

верх

EM.2 (7) – Магнитный фонарик

При встряхивании фонарика в течение 1 минуты будет светиться 1-2 часа.Внутри него две катушки, которые могут легко увидеть наблюдатели. Эта демонстрация демонстрирует принципы закона Ленца.

Верх

EM.2 (8) – Электромагнитное демпфирование

Индукционная катушка укладывается на бок и поддерживается так, чтобы стальной сердечник располагался горизонтально. Железный сердечник может выступать из катушки примерно на половину своей длины. Опорный стержень, прикрепленный к торцевой пластине индукционной катушки, удерживает медное или алюминиевое кольцо на сердечнике магнита с помощью шнура.Кольцо свободно висит вокруг сердечника. Катушка подключается к батарее 6 В или источнику постоянного тока через переключатель. Быстро замкните выключатель. Кольцо внезапно вытолкнется наружу, а затем медленно вернется в вертикальное положение без колебаний. Откройте переключатель, и кольцо сначала повернется к катушке, а затем начнет колебаться в своем свободном положении.

Когда переключатель замкнут, ток, наведенный в кольце, создает противоположное поле, которое, взаимодействуя с полем, создаваемым током в индукционной катушке, замедляет движение кольца.Энергия, передаваемая движением кольца, поглощается индуцированным током в кольце, таким образом обеспечивая превосходную демонстрацию электромагнитного затухания. Когда переключатель разомкнут, магнитное поле практически отсутствует и затухание не происходит.

Генератор с ручным заводом, подключенный к электрической лампочке, также является полезной демонстрацией закона Ленца, поскольку доброволец может проверить, что намного легче повернуть, когда в цепи нет нагрузки, т.е. отключен.

Верх

EM.2 (9) – Индукционная искровая катушка

Этот эксперимент демонстрирует электромагнитную индукцию: повторяющиеся обрывы первичного тока вызывают импульсы высокого напряжения на вторичных выводах. Это визуально наблюдается по возникающим искрам между этими выводами (расположенными наверху индукционной катушки). Аппарат подключен к источнику постоянного тока (напряжение ~ 7В, ток ~ 2А).

Включите прибор, убедившись, что вибратор расположен далеко от основного вывода. Медленно поверните ручку, чтобы переместить вибратор в сторону вывода, пока первый не начнет вибрировать и искры не начнут прыгать по вторичным выводам.

Верх

EM.2 (10) – Индукционная трубка

Цель этого эксперимента – продемонстрировать реализацию индукционного тока. К усилителю подключается трубка длиной примерно три фута с одинаково расположенными, плотно связанными катушками.Каждый набор катушек подключается к предыдущему набору, в конце концов, сходясь к месту подключения выводов. Индуцированный ток, собранный с катушек, передается от места подключения выводов к усилителю, где сигнал проявляется на слух через три пятидюймовых динамика. Сигнал может быть довольно низким, поэтому рекомендуется установить усилитель на максимальную громкость.

Нажмите здесь, чтобы посмотреть видео этой демонстрации.

Верх

EM.2 (11) – Петля индукционного проводника

Цель этого эксперимента – показать, что напряжение (то есть ток) будет индуцироваться вокруг контура, когда магнитный поток, проходящий через контур, изменяется со временем. Величина наведенного напряжения зависит от количества витков в проводящей петле. В этом эксперименте есть три варианта. Чтобы увидеть изменение наведенного напряжения, воспользуемся проекционным измерителем. Чтобы максимизировать отклонение вольтметра, перемещайте петлю рукой вместо встроенного двигателя.(ПРИМЕЧАНИЕ: индуцированное напряжение вызывает небольшое отклонение вольтметра, чтобы произвести впечатление на учащегося, вы можете переключиться в режим тока, который максимизирует отклонение проекционного измерителя).

Нажмите здесь, чтобы посмотреть видео этой демонстрации.

Верх

EM.2 (12) – Радиомодуль с двумя катушками индуктивности

Используя два набора туго намотанных катушек, этот эксперимент разработан, чтобы показать, как ток / напряжение могут передаваться от приемника к динамику с помощью магнитной индукции.Установка состоит из ресивера, подключенного к DVD-плееру, который обеспечивает передачу музыки. Приемник подключен к одному набору катушек, набору A, который обеспечивает зависящее от времени магнитное поле, необходимое для возникновения магнитной индукции. Второй набор катушек, набор B, подключен к пятидюймовому динамику, через который будет записываться выходной сигнал DVD-плеера. По мере приближения наборов A и B друг к другу магнитный поток будет увеличиваться в наборе B, тем самым увеличивая силу выходного сигнала, громкость.Изменение выходного сигнала относительно расстояния между наборами A и B может быть проанализировано вместе с эффектом вращения. Относительное вращение между наборами A и B изменит выходную мощность таким образом, что при 90 градусах магнитный поток в наборе B будет равен нулю, т.е. отсутствует выходной сигнал.

Нажмите здесь, чтобы посмотреть видео этой демонстрации.

верх

EM.2 (13) – Динамик для бумажных стаканчиков

Динамик – это устройство, преобразующее электронный сигнал в звук.В этой демонстрации электронный сигнал преобразуется в переменный ток и проходит через провод от источника сигнала. Токовая петля из проволоки индуцирует магнитное поле, перпендикулярное проволочной петле. Это небольшое магнитное поле взаимодействует с большим магнитным полем, создаваемым при вставке большого постоянного магнита в чашку динамика. Магнитный поток создает в среде возмущение, колебания, которые генерируют звук, который мы слышим из-за присутствия воздуха.

Нажмите здесь, чтобы посмотреть видео этой демонстрации.

Top

10.6 Электрогенераторы и обратная ЭДС – Введение в электричество, магнетизм и схемы

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

---

К концу этого раздела вы сможете:

• Объясните, как работает электрогенератор
• Определить наведенную ЭДС в петле в любой интервал времени, вращающейся с постоянной скоростью в магнитном поле.
• Покажите, что вращающиеся катушки имеют наведенную ЭДС; в двигателях это называется обратной ЭДС, потому что она противодействует входной ЭДС в двигатель

С помощью закона Фарадея можно понять множество важных явлений и устройств.В этом разделе мы рассмотрим два из них.

Электрогенераторы

Электрические генераторы индуцируют ЭДС, вращая катушку в магнитном поле, как кратко обсуждается в Движущей ЭДС. Теперь мы исследуем генератора более подробно. Рассмотрим следующий пример.

ПРИМЕР 10.6.1

---

Расчет ЭДС, индуцированной в катушке генератора

Катушка генератора, показанная на рисунке 10.6.1, вращается на одну четверть оборота (от до) дюйма.Кольцевая катушка с витком имеет радиус и находится в однородном магнитном поле. Что наведена ЭДС?

(рисунок 10.6.1)

Рисунок 10.6.1 Когда катушка генератора вращается на одну четверть оборота, магнитный поток изменяется от максимального до нуля, вызывая ЭДС.

Стратегия

Закон индукции Фарадея используется для нахождения индуцированной ЭДС:

Мы признаем эту ситуацию такой же, как в Примере 10.3.3. Согласно диаграмме, проекция вектора нормали к поверхности , на магнитное поле является исходной, и она вставляется по определению скалярного произведения. Величина магнитного поля и площадь контура фиксируются во времени, что позволяет быстро упростить интеграцию. Индуцированная ЭДС записывается по закону Фарадея:

Решение

Нам дано, что,,, и. Площадь петли

Ввод этого значения дает

Значение

Это практическое среднее значение, аналогичное используемому в бытовой электросети.

ЭДС, рассчитанная в примере 10.6.1, является средним значением за четверть оборота. Какова ЭДС в любой момент времени? Он меняется в зависимости от угла между магнитным полем и перпендикуляром к катушке. Мы можем получить выражение для ЭДС как функции времени, рассматривая ЭДС движения на вращающейся прямоугольной катушке ширины и высоты в однородном магнитном поле, как показано на рисунке 10.6.2.

(рисунок 10.6.2)

Рисунок 10.6.2 Генератор с одной прямоугольной катушкой, вращающейся с постоянной угловой скоростью в однородном магнитном поле, создает ЭДС, синусоидально изменяющуюся во времени.Обратите внимание, что генератор похож на двигатель, за исключением того, что вал вращается для выработки тока, а не наоборот.

На заряды в проводах петли действует магнитная сила, потому что они движутся в магнитном поле. Заряды в вертикальных проводах испытывают силы, параллельные проводу, вызывая токи. Но те, кто находится в верхнем и нижнем сегментах, ощущают силу, перпендикулярную проводу, которая не вызывает тока. Таким образом, мы можем найти наведенную ЭДС, рассматривая только боковые провода.Движущаяся ЭДС равна, где скорость перпендикулярна магнитному полю. Здесь скорость находится под углом к, так что ее составляющая, перпендикулярная к, равна (см. Рисунок 10.6.2). Таким образом, в этом случае ЭДС, наведенная с каждой стороны, равна, и они направлены в одном направлении. Суммарная ЭДС вокруг контура тогда составляет

(10.6.1)

Это выражение допустимо, но оно не дает ЭДС как функцию времени. Чтобы найти зависимость ЭДС от времени, предположим, что катушка вращается с постоянной угловой скоростью.Угол связан с угловой скоростью соотношением, так что

(10.6.2)

Итак, линейная скорость связана с угловой скоростью соотношением. Здесь, так что и

(10.6.3)

Учитывая, что площадь петли равна, и учитывая петли, мы находим, что

(10.6.4)

Это ЭДС, индуцированная в обмотке генератора с витками и областью, вращающейся с постоянной угловой скоростью в однородном магнитном поле. Это также можно выразить как

(10.6.5)

где

(10.6.6)

– пиковая ЭДС, так как максимальное значение. Обратите внимание, что частота колебаний равна, а период равен. На рисунке 10.6.3 показан график зависимости ЭДС от времени, и теперь кажется разумным, что переменное напряжение синусоидально.

(рисунок 10.6.3)

Рисунок 10.6.3 ЭДС генератора направляется на лампочку с показанной системой колец и щеток. График показывает зависимость ЭДС генератора от времени, где – пиковая ЭДС.Период, где – частота.

Тот факт, что пиковая ЭДС есть, имеет смысл. Чем больше катушек, тем больше их площадь и чем сильнее поле, тем больше выходное напряжение. Интересно, что чем быстрее вращается генератор (больше), тем больше ЭДС. Это заметно на велосипедных генераторах – по крайней мере, на более дешевых моделях.

На рис. 10.6.4 показана схема, по которой генератор может вырабатывать импульсный постоянный ток. Более сложные конструкции из нескольких катушек и разрезных колец могут обеспечить более плавный постоянный ток, хотя для создания постоянного тока без пульсаций обычно используются электронные, а не механические средства.

(рисунок 10.6.4)

Рис. 10.6.4. Разделенные кольца, называемые коммутаторами, в этой конфигурации создают импульсный выходной сигнал ЭДС постоянного тока.

В реальной жизни электрические генераторы сильно отличаются от рисунков в этом разделе, но принципы те же. Источником механической энергии, вращающей катушку, может быть падающая вода (гидроэнергия), пар, образующийся при сжигании ископаемого топлива, или кинетическая энергия ветра. На рис. 10.6.5 показан разрез паровой турбины; пар движется по лопастям, соединенным с валом, который вращает катушку внутри генератора.Производство электрической энергии из механической энергии – основной принцип всей энергии, которая направляется через наши электрические сети в наши дома.

(рисунок 10.6.5)

Рисунок 10.6.5 Паровая турбина / генератор. Пар, образующийся при сжигании угля, ударяется о лопатки турбины, вращая вал, который соединен с генератором.

Генераторы, показанные в этом разделе, очень похожи на двигатели, показанные ранее. Это не случайно. Фактически, двигатель становится генератором, когда его вал вращается.В некоторых ранних автомобилях стартер использовался в качестве генератора. В следующем разделе мы подробнее исследуем действие двигателя как генератора.

Задний Emf

Генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую, а двигатели преобразуют электрическую энергию в механическую. Таким образом, неудивительно, что двигатели и генераторы имеют одинаковую общую конструкцию. Двигатель работает, посылая ток через проволочную петлю, находящуюся в магнитном поле. В результате магнитное поле оказывает крутящий момент на петлю.Это вращает вал, тем самым извлекая механическую работу из первоначально подаваемого электрического тока. (См. Раздел «Сила и крутящий момент на токовой петле», чтобы обсудить двигатели, которые помогут вам лучше понять их, прежде чем продолжить.)

Когда катушка двигателя поворачивается, магнитный поток через катушку изменяется, и индуцируется ЭДС (в соответствии с законом Фарадея). Таким образом, двигатель действует как генератор всякий раз, когда его катушка вращается. Это происходит независимо от того, поворачивается ли вал под действием внешнего источника, например ременной передачи, или под действием самого двигателя.То есть, когда двигатель выполняет работу и его вал вращается, возникает ЭДС. Закон Ленца говорит нам, что ЭДС противодействует любому изменению, так что входной ЭДС, питающей двигатель, противостоит самогенерируемая ЭДС двигателя, называемая обратной ЭДС двигателя (рисунок 10.6.6).

(рисунок 10.6.6)

Рисунок 10.6.6 Катушка двигателя постоянного тока представлена ​​на этой схеме как резистор. Обратная ЭДС представлена ​​как переменная ЭДС, которая противодействует ЭДС, приводящей в движение двигатель.Обратная ЭДС равна нулю, когда двигатель не вращается, и увеличивается пропорционально угловой скорости двигателя.

Выходная мощность генератора двигателя – это разница между напряжением питания и обратной ЭДС. При первом включении двигателя обратная ЭДС равна нулю, что означает, что катушка получает полное управляющее напряжение, а двигатель потребляет максимальный ток, когда он включен, но не вращается. По мере того, как двигатель вращается быстрее, обратная ЭДС возрастает, всегда противодействуя управляющей ЭДС, и снижает как напряжение на катушке, так и величину потребляемого ею тока.Этот эффект заметен во многих обычных ситуациях. Когда пылесос, холодильник или стиральная машина включается в первый раз, свет в той же цепи на короткое время тускнеет из-за падения, возникающего в питающих линиях из-за большого тока, потребляемого двигателем.

Когда двигатель впервые включается, он потребляет больше тока, чем когда он работает с нормальной рабочей скоростью. Когда на двигатель оказывается механическая нагрузка, например, электрическая инвалидная коляска, поднимающаяся в гору, двигатель замедляется, обратная ЭДС падает, течет больше тока и можно выполнять больше работы.Если двигатель работает на слишком низкой скорости, больший ток может его перегреть (из-за резистивной силы в катушке), возможно, даже сжечь. С другой стороны, если на двигатель нет механической нагрузки, он увеличивает свою угловую скорость до тех пор, пока обратная ЭДС не станет почти равной управляющей ЭДС. Тогда двигатель использует достаточно энергии только для преодоления трения.

Вихревые токи в железных сердечниках двигателей могут вызывать серьезные потери энергии. Их обычно сводят к минимуму, собирая сердечники из тонких электрически изолированных листов железа.На магнитные свойства сердечника практически не влияет ламинация изолирующего листа, в то время как резистивный нагрев значительно снижается. Рассмотрим, например, катушки двигателя, представленные на рисунке 10.6.6. Катушки имеют эквивалентное сопротивление и управляются эдс. Вскоре после включения они потребляют ток

и, таким образом, рассеивает энергию в виде теплопередачи. Предположим, что при нормальных условиях эксплуатации для этого двигателя обратная ЭДС равна.Тогда на рабочей скорости полное напряжение на катушках будет (за вычетом обратной ЭДС), а потребляемый ток составит

Таким образом, при нормальной нагрузке рассеиваемая мощность составляет. Это не вызывает проблем для этого двигателя, в то время как первый приведет к сгоранию катушек, если будет продолжаться.

Кандела Цитаты

Лицензионный контент CC, конкретная атрибуция

• Загрузите бесплатно по адресу http://cnx.org/contents/[email protected]. Получено из : http://cnx.org/contents/[email protected]. Лицензия : CC BY: Attribution

23,1 Индуцированная ЭДС и магнитный поток – College Physics

Сводка

• Рассчитайте поток однородного магнитного поля через петлю произвольной ориентации.
• Опишите методы создания электродвижущей силы (ЭДС) с помощью магнитного поля или магнита и проволочной петли.

Аппарат, использованный Фарадеем для демонстрации того, что магнитные поля могут создавать токи, показан на рисунке 1. Когда переключатель замкнут, магнитное поле создается в катушке в верхней части железного кольца и передается на катушку в нижней части. часть кольца. Гальванометр используется для обнаружения любого тока, наведенного в катушке внизу. Было обнаружено, что каждый раз, когда переключатель замыкается, гальванометр обнаруживает ток в одном направлении в катушке внизу.(Вы также можете наблюдать это в физической лаборатории.) Каждый раз, когда переключатель открывается, гальванометр обнаруживает ток в противоположном направлении. Интересно, что если переключатель остается замкнутым или разомкнутым в течение некоторого времени, через гальванометр нет тока. Замыкание и размыкание переключателя индуцирует ток. Это изменение в магнитном поле, которое создает ток. Более важным, чем текущий ток, является вызывающая его ЭДС . Ток является результатом ЭДС , индуцированной изменяющимся магнитным полем , независимо от того, есть ли путь для протекания тока.

Рис. 1. Аппарат Фарадея для демонстрации того, что магнитное поле может производить ток. Изменение поля, создаваемого верхней катушкой, вызывает ЭДС и, следовательно, ток в нижней катушке. Когда переключатель разомкнут и замкнут, гальванометр регистрирует токи в противоположных направлениях. Когда переключатель остается замкнутым или разомкнутым, через гальванометр не течет ток.

Эксперимент, который легко проводится и часто проводится в физических лабораториях, показан на рисунке 2.ЭДС индуцируется в катушке, когда стержневой магнит вставляется и выходит из нее. ЭДС противоположных знаков создаются движением в противоположных направлениях, и ЭДС также меняются на противоположные за счет изменения полюсов. Те же результаты будут получены, если перемещать катушку, а не магнит – важно относительное движение. Чем быстрее движение, тем больше ЭДС, и когда магнит неподвижен относительно катушки, ЭДС отсутствует.

Рис. 2. Движение магнита относительно катушки создает ЭДС, как показано.Такие же ЭДС возникают при перемещении катушки относительно магнита. Чем больше скорость, тем больше величина ЭДС, и при отсутствии движения ЭДС равна нулю.

Метод создания ЭДС, используемый в большинстве электрических генераторов, показан на рисунке 3. Катушка вращается в магнитном поле, создавая ЭДС переменного тока, которая зависит от скорости вращения и других факторов, которые будут исследованы в следующих разделах. Обратите внимание, что генератор очень похож по конструкции на двигатель (другая симметрия).

Рис. 3. При вращении катушки в магнитном поле возникает ЭДС. Это основная конструкция генератора, в котором работа, выполняемая по вращению катушки, преобразуется в электрическую энергию. Обратите внимание, что генератор очень похож по конструкции на двигатель.

Итак, мы видим, что изменение величины или направления магнитного поля вызывает ЭДС. Эксперименты показали, что существует критически важная величина, называемая магнитным потоком, [латекс] \ boldsymbol {\ phi} [/ latex], который определяется как

[латекс] \ boldsymbol {\ phi = BA \; \ textbf {cos} \; \ theta}, [/ латекс]

где [латекс] \ boldsymbol {B} [/ latex] – это напряженность магнитного поля над областью [латекс] \ boldsymbol {A} [/ latex] под углом [латекс] \ boldsymbol {\ theta} [/ latex ] с перпендикуляром к области, как показано на рисунке 4.2} [/ латекс]. Как видно на рисунке 4, [latex] \ boldsymbol {B \; \ textbf {cos} \; \ theta = B _ {\ perp}} [/ latex], который является компонентом [latex] \ boldsymbol {B} [ / latex] перпендикулярно области [латекс] \ boldsymbol {A} [/ latex]. Таким образом, магнитный поток – это [латекс] \ boldsymbol {\ phi = B _ {\ perp} A} [/ latex], произведение площади и составляющей магнитного поля, перпендикулярной ей.

Рис. 4. Магнитный поток Φ связан с магнитным полем и площадью, на которой оно существует.Поток Φ = BA cos θ связан с индукцией; любое изменение Φ вызывает ЭДС.

Вся индукция, включая приведенные до сих пор примеры, возникает из-за некоторого изменения магнитного потока [латекс] \ boldsymbol {\ phi} [/ латекс]. Например, Фарадей изменил [латекс] \ boldsymbol {B} [/ latex] и, следовательно, [латекс] \ boldsymbol {\ phi} [/ latex] при открытии и закрытии переключателя в своем устройстве (показано на рисунке 1). Это также верно для стержневого магнита и катушки, показанных на рисунке 2.При вращении катушки генератора угол [латекс] \ boldsymbol {\ theta} [/ latex] и, следовательно, [латекс] \ boldsymbol {\ phi} [/ latex] изменяется. Насколько велика ЭДС и какое направление она принимает, зависит от изменения [latex] \ boldsymbol {\ phi} [/ latex] и от того, как быстро это изменение будет выполнено, как будет рассмотрено в следующем разделе.

• Ключевой величиной в индукции является магнитный поток [латекс] \ boldsymbol {\ phi} [/ latex], определяемый как [латекс] \ boldsymbol {\ phi = BA \; \ textbf {cos} \; \ theta} [ / latex], где [latex] \ boldsymbol {B} [/ latex] – это напряженность магнитного поля над областью [latex] \ boldsymbol {A} [/ latex] под углом [латекс] \ boldsymbol {\ theta} [ / латекс] с перпендикуляром к площади.2} [/ латекс].
• Любое изменение магнитного потока [латекс] \ boldsymbol {\ phi} [/ latex] вызывает ЭДС – процесс определяется как электромагнитная индукция.

Концептуальные вопросы

1: Каким образом многопетлевые катушки и железное кольцо в версии аппарата Фарадея, показанной на рисунке 1, усиливают наблюдение наведенной ЭДС?

2: Когда магнит вдавливается в катушку, как показано на рисунке 2 (а), каково направление силы, прикладываемой катушкой к магниту? Нарисуйте диаграмму, показывающую направление тока, индуцируемого в катушке, и создаваемое ею магнитное поле, чтобы обосновать вашу реакцию.Как величина силы зависит от сопротивления гальванометра?

3: Объясните, как магнитный поток может быть нулевым, когда магнитное поле не равно нулю.

4: Индуцируется ли ЭДС в катушке на рисунке 5, когда она растягивается? Если да, укажите причину и укажите направление индуцированного тока.

Рис. 5. Круглая катушка с проволокой натянута в магнитном поле.

Задачи и упражнения

1: Какое значение магнитного потока в катушке 2 на рисунке 6 из-за катушки 1?

Рисунок 6. (a) Плоскости двух катушек перпендикулярны. (б) Проволока перпендикулярна плоскости катушки.

2: Какое значение имеет магнитный поток, проходящий через катушку на рисунке 6 (b) из-за провода?

Глоссарий

магнитный поток

величина магнитного поля, проходящего через определенную область, рассчитывается с помощью [latex] \ boldsymbol {\ phi = BA \; \ textbf {cos} \; \ theta} [/ latex] где [latex] \ boldsymbol {B} [/ latex] – это напряженность магнитного поля над областью [латекс] \ boldsymbol {A} [/ latex] под углом [латекс] \ boldsymbol {\ theta} [/ latex] с перпендикуляром к площади

электромагнитная индукция

Процесс наведения ЭДС (напряжения) с изменением магнитного потока

Решения

Задачи и упражнения

1: Ноль

.