Эдс индукции закон фарадея: Закон Фарадея. Правило Ленца – Физика.Электромагнитная индукция

Эдс индукции (закон Фарадея)

Фарадей на основе своих опытов показал, что всякий раз, когда происходит изменение сцепленного с контуром потока магнитной индукции, в контуре возникает индукционный ток. Возникновение индукционного тока указывает на наличие в цепи ЭДС.

Закон можно сформулировать так:

ЭДС электромагнитной индукции в контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока сквозь поверхность, ограниченную этим контуром.

. (3.33)

Кпд трансформатора

В трансформаторе нет подвижных частей, поэтому потери энергии в нем идут только на нагревание обмоток и сердечника. КПД зависит от нагрузки и у мощных трансформаторов достигает 98–99%. Наибольший КПД трансформатор имеет при такой нагрузке, когда его потери в меди становятся равными потерям в стали.

, (3.34)

где – КПД,

Р

2– активная мощность на выходе трансформатора,

Р_ст – потери в стали,

Р_м – потери в меди.

3.4. Простейшие конструктивные схемы электрических машин с указанием основных элементов конструкции Однофазный двухобмоточный трансформатор

Трансформатор – это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока. Двухобмоточные трансформаторы имеют две гальванически несвязанные обмотки. Передача энергии из первичной цепи трансформатора во вторичную происходит через магнитный поток.

Основными частями трансформатора являются: магнитопровод, обмотки и охладительная система.

Магнитопровод – комплект пластин из электротехнической стали или другого ферромагнитного материала, собранный в определенной геометрической форме, предназначенный для локализации в нем основного магнитного поля трансформатора.

Обмотка – совокупность витков, образующих электрическую цепь, в которой суммируются ЭДС, наведенные в витках, с целью получения высшего, среднего или низшего напряжения, или с другой целью.

В двухобмоточном трансформаторе различают обмотку высшего напряжения, присоединяемую к сети более высокого напряжения, и обмотку низшего напряжения, присоединяемую к сети низшего напряжения (рис. 3.12).

Система охлаждения масляных трансформаторов – бак трансформатора, заливаемый маслом, а для мощных трансформаторов – охладители, вентиляторы, масляные насосы, теплообменники и т.д.

Рис. 3.13. Двухобмоточный трансформатор

Асинхронный двигатель

Статор электрических машин переменного тока несет на себе двух- или трехфазную обмотку, которая подключается соответственно к двух- или трехфазной сети переменного тока. Назначение статора с обмоткой – создание вращающегося магнитного поля.

Для трехфазной обмотки пространственный сдвиг составляет 120°. Для двухфазной обмотки пространственный и временной сдвиг составляет 90°.

Выводы фаз обмоток подключаются к трехфазной сети переменного тока через выводную коробку, расположенную на корпусе электрической машины.

Ротор набирается из пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга. В пазах находится обмотка.

Принцип действия асинхронного двигателя с короткозамкнутым

ротором: при подключении обмотки статора к сети переменного тока, в статоре практически мгновенно возникает вращающееся магнитное поле.

Вращающееся магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и по закону электромагнитной индукции наводит в них ЭДС Е₂. Направление ЭДС Е₂ определяем по правилу правой руки. Так как обмотка ротора – короткозамкнутая, в ней возникает ток I₂. В магнитном поле, создаваемом полюсами, появляются проводники с током I₂. На них, по закону Ампера, будет действовать сила, направление которой определяется правилом левой руки. За счет пары сил F₂ возникает вращающий момент М_2П – вращающий момент на валу двигателя при ω=0. Ротор приходит во вращение в направлении, совпадающем с направлением вращающегося магнитного поля (рис 3.

14).

Для нормальной работы асинхронного двигателя необходимо выполнение условия . Данное неравенство характеризуется специальной величиной, которая обозначаетсяS и называется скольжением.

. (3.35)

Рис. 3.14. Асинхронный двигатель

2. Закон Фарадея.

Обобщая опытные данные, Фарадей показал, что когда происходит изменение потока магнитной индукции через замкнутый контур в нем возникает индукционный ток, который указывает на наличие в цепи электродвижущей силы, эдс – электромагнитной индукции.

Величина тока и эдс определяется только скоростью изменения магнитного потока.

Пользуясь этими представлениями, Максвелл сформулировал закон Фарадея

-электромагнитная индукция в контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром.

Знак – является математическим выражением правила Ленца для нахождения направления индукционного тока.

Правило Ленца: при всяком изменении магнитного потока сквозь замкнутый контур в последнем возникает ток такого направления, что его магнитное поле противодействует изменению магнитного потока.

3. Самоиндукция. Индуктивность контура.

Самоиндукцией называется возникновение эдс электромагнитной индукции в электрической цепи, вследствие изменения в ней электрического тока.

Это частный случай электромагнитной индукции. По закону Био-Савара- Лапласа при протекании в замкнутом контуре тока, вокруг контура возникает магнитное поле, магнитная индукция которого прямо пропорциональна величине тока. Поверхность, ограниченную контуром, пронизывает собственный магнитный поток , прямо пропорциональный току

(1)

– коэффициент пропорциональности, называемый индуктивностью контура.

При изменении тока изменяется и . Следовательно в контуре будет индуцироваться эдс самоиндукции. Из (1) найдем единицу индукции,

= Вб /А = Гн – единица индуктивности Генри.

1Гн индуктивность такого контура, магнитный поток самоиндукции которого при токе 1А равен 1Вб.

Применим к явлению самоиндукции закон Фарадея

,

при ,

.

По правилу Ленца эдс самоиндукции противодействует изменению электрического тока в контуре, то есть замедляет его возрастание и убывание. Эдс и индуктивный ток пропорционален индуктивности контура. Индуктивность контура является мерой его инертности по отношению к изменению силы тока.

4. Взаимная индукция.

Явление взаимной индукции заключается в наведении эдс индукции во всех проводниках, находящихся вблизи цепи переменного тока.

	Рассмотрим два неподвижных контура, расположенных близко друг от друга. – часть потока, которая пронизывает контур 2 .
Рис.2.

При протекании тока возникает магнитный поток, пронизывающий контур 1

.

Явление возникновения эдс в одном из контуров при изменении силы тока в другом называется взаимной индукцией.

Коэффициенты иназываются взаимной индуктивностью контуров. Расчеты показывают, что=и зависят от магнитной проницаемости среды, от геометрической формы, размеров и взаимного расположения контуров.

5. Энергия магнитного поля.

Проводник, по которому течет ток, окружен магнитным полем. Магнитное поле появляется и исчезает вместе с током. Часть энергии тока идет на создание магнитного поля, которое является как и электрическое носителем энергии.

Энергия магнитного поля равна работе, которая затрачивается током на создание этого поля.

Рассмотрим контур с индуктивностью , по которому течет ток. С данным контуром связан поток, при изменении тока напоток меняется на,. Для изменения потока нужно совершить работу

.

Тогда работа по созданию потока будет равна

Поэтому

.

Закон Фарадея и индуцированная ЭДС

Лаборатория высшей физики Электричество и магнетизм

ЗАКОН ФАРАДЕЯ И ЭДС ИНДУКЦИИ SED1003

 

• Эксперименты
• Отличительные особенности
• Ключевые темы

Exp-1 Проверка закона индукции Фарадея и Ленца путем измерения наведенного напряжения как функции времени.

Exp-2 Измерение индуцированного импульса напряжения в зависимости от скорости магнита.
Exp-3 Расчет магнитного потока, индуцированного падающим магнитом, в зависимости от скорости магнита.

• Многоцелевой регистратор данных.
• Простая настройка с расширенными функциями программного обеспечения.
• Цифровой таймер на базе микроконтроллера.

• Закон Фарадея и Ленца.
• Индуцированная ЭДС
• Магнитный поток.
• Свободное падение.

Принцип работы:
ЭДС индукции. (или индуцированный ток) возникает в проводнике, когда он подвергается воздействию изменения магнитного поля. Математический закон, связывающий изменяющееся магнитное поле с индуцированным током (или индуцированным напряжением), называется законом Фарадея. Закон Ленца описывает магнитный поток через цепь и указывает направление ЭДС индукции. Это вызывает индукционный ток, который препятствует изменению магнитного потока.
В настоящей установке постоянный магнит падает с разной скоростью через катушку, изменение магнитного потока генерирует наведенный импульс напряжения. Индуцированный импульс напряжения регистрируется пробником напряжения через систему компьютерного интерфейса Einstien LabMate+. В зависимости от полярности постоянного магнита индуцированный импульс напряжения бывает отрицательным или положительным.

Состав:

Кат. №	Наименование позиции	Кол-во
	Лабораторный помощник Эйнштейна+	1
	Датчик напряжения Эйнштейна	1
Ш419	База поддержки	1
Ш425	Опорный стержень	1
СВ190	Зажим с тремя пальцами	2
SW092	Босхед	3
CD121	Катушка N=700, L=75 мм, диаметр=32 мм	1
CD122	Катушка N=1150, L=75 мм, диаметр=32 мм	1
SE781	Цилиндрический магнит	1
CD120	Трубка 300 мм	1
С8599	Цифровой таймер	1
С8601	Фотозатвор	1

• Einstien LabMate+
• Цифровой таймер и фотозатвор

  • ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Дисплей: 2-строчный ЖК-дисплей
    Тип: микроконтроллер на базе
    Разрешение по времени: 0,1 миллисекунды
    Режим: Время, скорость и ускорение
    Фотозатвор: 2 номера
    Интерфейс: USB
    Рабочее напряжение: 5 В постоянного тока
    Детектор фотозатвора: Инфракрасный
    

• Наборы катушек

  • ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

    Кат. №	SWG	Д (мм)	Н	R(Ом)	л(мГн)	I(A)макс.
    CD121	30	75	700	19	13,8	0,3 А
    CD122	26	100	1150	13,5	8,8	0,7 А

• Датчик напряжения Эйнштейна
• Пластиковая туба CD120
• Цилиндрический магнит SE781
• Универсальный зажим SG152

  • ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Материал: алюминиевый сплав
    Затяжной винт: пластиковая ручка Т-образного типа
    Стержень: алюминий, длина = 160 мм
    Объект: удерживает до 75 мм в диаметре.

• Босхед SW092

  • ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Тип объекта: квадратная и круглая форма
    Размер объекта: до 13 мм в диаметре
    Материал: алюминиевый сплав
    Объект можно держать как вертикально, так и горизонтально.

• Опорное основание и опорный стержень

  • ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

    	Кат. №	Размер	Материал
    Основание	Ш419	250×160 мм (ДхШ)	Мягкая сталь
    Стержень	Ш425	1000×12,5 мм (ДxΦ)	Мягкая сталь
    		Резьба M10

* Требуется дополнительно

Компьютер не поставляется с этой настройкой.

Электричество и магнетизм

Эксперименты

 

• Кольцо запуска
• Микроволновая оптическая система
• Линии поля и эквипотенциальные линии
• Диэлектрическая проницаемость
• Эксперименты по проницаемости и диэлектрической проницаемости воздуха
• Закон Фарадея и индуцированная ЭДС
• Магнитное поле в катушке Гельмгольца
• Био Закон Савара
• Магнитное поле вдоль оси
• Набор для экспериментов со сверхпроводимостью
• Диа-пара-ферромагнетизм
• Изучение кривой BH с помощью Deep
• Метод с пробиркой Квинкса

Закон электромагнитной индукции Фарадея: эксперимент и формула

Закон электромагнитной индукции Фарадея был дан английским ученым Майклом Фарадеем. Этот закон был предложен Майклом Фарадеем в 1831 году. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, наведенный ток в цепи прямо пропорционален скорости изменения магнитного потока.

В этой статье мы подробно узнаем о законе электромагнитной индукции Фарадея, его выводе и многом другом.

Законы электромагнитной индукции Фарадея

Фарадей сформулировал два закона, лежащих в основе современного электромагнетизма, а именно:

• Первый закон электромагнитной индукции Фарадея
• Второй закон электромагнитной индукции Фарадея Индукция

  Согласно первому закону электромагнитной индукции Фарадея, «когда магнитный поток, связанный с замкнутой цепью, изменяется, в ней индуцируется ЭДС, которая существует только до тех пор, пока происходит изменение потока. Если цепь замкнута, то внутри цепи также индуцируется ток, который называется индуцированным током». Изменение магнитного поля изменяет индуцированный ток в цепи.

  На изображении ниже показано отклонение катушки в соответствии с законом электромагнитной индукции.

   

  Магнитные поля Можно изменить,

  • Перемещение стержневого магнита к катушке или от нее.
  • Перемещение катушки в магнитное поле или вне магнитного поля.
  • Вращение катушки относительно магнита.
  • Изменение площади катушки, помещенной в магнитное поле.
  Второй закон электромагнитной индукции Фарадея

  Согласно второму закону электромагнитной индукции Фарадея, «Величина ЭДС индукции равна скорости изменения магнитного потока, связанного с катушкой».

  E = D ⲫ/DT

  E = -N D ⲫ/DT

  E = -N (ⲫ ₂ -ⲫ ₁ )/T

  , где
  401818. N – количество витков катушки.
  ⲫ — изменение потока

  Закон Ленца

  Закон Ленца назван в честь немецкого физика Эмиля Ленца, сформулировавшего его в 1834 году. Согласно Ленцу, «направление индукционного тока в цепи таково, что он противостоит изменению производимого магнитного потока». Это научный закон, который определяет направление индуцированного тока, но ничего не говорит о его величине.

  Согласно второму закону электромагнитной индукции Фарадея,

  E = -N(d∅/dt)

  Здесь отрицательный знак указывает на то, что направление ЭДС индукции таково, что оно противодействует изменению магнитного потока, которое находится в в соответствии с законом Ленца

  Эксперименты Фарадея

  Фарадей провел три эксперимента, которые составляют основу электромагнитной индукции.

  Эксперимент 1

  В этом эксперименте Фарадей взял круглую катушку и соединил ее с гальванометром, а теперь он берет сильный стержневой магнит. При перемещении северного полюса стержневого магнита в сторону катушки гальванометр показал отклонение вправо от нулевой отметки гальванометра. Когда магнит снова отдалили от катушки, он показал отклонение, но в противоположном направлении. Точно так же эксперимент проводится с южным полюсом стержневого магнита, снова наблюдается отклонение, но противоположное направлению, указанному северным полюсом стержневого магнита. Когда магнит удерживается неподвижно около катушки, в гальванометре не наблюдается никакого отклонения.

  Заключение: По мере приближения магнита к катушке магнитный поток увеличивается, следовательно, в катушке возникает индукционный ток в одном направлении. Когда магнит удаляется от катушки, магнитный поток уменьшается, следовательно, в катушке возникает индуцированный ток в противоположном направлении. Когда магнит удерживается неподвижно рядом с катушкой, магнитный поток не изменяется.

  Эксперимент 2

  В этом эксперименте стержневой магнит остается неподвижным, а катушка перемещается. Тот же результат наблюдается и в опыте 1. При быстром относительном движении магнита и катушки отклонение в гальванометре больше, и наоборот.

  Эксперимент 3

  Как видно из рисунка ниже. Две катушки первичная (p) и вторичная (s) намотаны на цилиндрическую опору. Первичная катушка соединена с ключом, реостатом и аккумулятором. Вторичка связана с гальванометром. При нажатии клавиши в первичной обмотке гальванометр показывает отклонение в одну сторону. Когда ключ отпускается, он снова показывает отклонение, но в противоположном направлении. Когда ключ удерживается нажатым, через первичные катушки течет постоянный ток, и гальванометр не показывает никакого отклонения. Когда ток в первичной обмотке увеличивается с помощью реостата, индуцированный ток течет во вторичной обмотке в том же направлении, что и в первичной обмотке.

  На изображении ниже показана установка эксперимента Фарадея.

  Все три эксперимента Faraday могут быть обобщены в таблице, приведенной ниже,

  Положение магнита	в гальванометре
  , когда магнит
  , когда магнит
  . Гальванометр
  При движении магнита к катушке	В гальванометре наблюдается отклонение в одну сторону. (скажем по часовой стрелке)
  При удалении магнита от катушки	В гальванометре наблюдается отклонение, но в противоположную сторону. (скажем, против часовой стрелки)
  Когда магнит удерживается неподвижно в том же положении (рядом с катушкой)	В гальванометре не наблюдается отклонения
  Когда магнит удерживается неподвижно в том же положении (вдали от катушки) от катушки)	В гальванометре не наблюдается отклонения

  Faraday’s Law Derivation

  Now we take a magnet approaching a coil and consider instances at times T ₁ and T ₂

  At time T ₁ flux linked with the coil = NΦ ₁

  Во время T ₂ поток, связанный с катушкой = NΦ ₂

  Изменение потока = N(Φ ₂ – Φ ₁ )

  Скорость изменения потока = N(34Φ 90 90 Φ ₁ ) / t

  Взяв производную от вышеприведенного уравнения, получим

  N dΦ/dt

  Второй закон электромагнитной индукции Фарадея гласит, что ЭДС индукции в катушке равна скорости изменения потока, связанного с катушкой. Таким образом,

  E = – N dΦ/dt…(1)

  Знак минус добавлен, так как это помогает учесть закон Ленца.

  Изменение электромагнитной силы

  Электромагнитную силу, связанную с катушкой, можно легко изменить, следуя описанным ниже шагам.

  • ЭДС индукции можно легко увеличить, увеличив количество витков в катушке.
  • Если напряженность магнитного поля увеличивается, ЭДС индукции также увеличивается

  Изображение, приведенное ниже, говорит нам об изменении электромагнитной силы, связанной с катушкой, при выполнении вышеуказанных условий.

   

  Применение закона Фарадея

  Закон Фарадея имеет различные применения, и некоторые из наиболее распространенных применений закона Фарадея:

  • Закон Фарадея используется в электрическом оборудовании, таком как трансформаторы и электродвигатели.
  • Индукционная плита работает по принципу взаимной индукции, который вытекает из закона Фарадея.
  • Закон Фарадея также полезен при разработке музыкальных инструментов, таких как электрогитара, электроскрипка и других.

  Подробнее

  • Параллельная плита конденсатор
  • Закон Гаусса
  • Закон Кулона

  Решаемый примеры Фарадай с магнитом 10393

  4. 2Вб до 0,2Вб за 0,5 секунды. Вычислите ЭДС индукции.

  Решение:

  δ ⲫ = 0,2-2 = 1,8WB

  ΔT = 0,5 с

  E = -(Δ ⲫ/ΔT)

  E = -1,8/0,5 Вольт

  E).

  Следовательно, ЭДС индукции будет -3,6 вольта.

  Пример 2: В катушке сопротивлением 200 Ом индуцируется ток за счет изменения магнитного потока через нее, как показано на рисунке. Рассчитайте величину изменения потока через катушку.

  Решение:

  dq = – (N/R) dt

  i = (1/R). (dq/dt)

  Δⲫ = R.Δq

  Δⲫ = 200 × (Площадь кругового графика)

  Δⲫ = 200 × (1/2×20×0,5)

  ΔⲫΫ = 200 × 4

  = 200 × 4 9000 1000 Вб

  Следовательно, величина изменения потока равна 1000 Вб.

  Пример 3: Рассчитайте ЭДС, индуцируемую в проводе. Когда небольшой кусок металлической проволоки протащили через зазор между полюсными наконечниками магнита за 0,6 сек. Известно, что магнитный поток между полюсными наконечниками равен 9×10 ^-4 Вб.

  Solution:

  dt = 0.5 s

  dⲫ = 9×10 ^-4 -0 = 9×10 ^-4 Wb

  E = (dⲫ)/dt

  E= ( 9×10 ^-4 )/0,6

  E= 0,0036 В

  Следовательно, ЭДС индукции 0,0036 В

  Часто задаваемые вопросы по закону Фарадея об электромагнитной индукции.

  Ответ:

  Есть два закона, объясненные Фарадеем, которые называются законами электромагнитной индукции Фарадея. Первый закон объясняет ЭДС индукции в проводнике, а второй закон говорит об ЭДС, создаваемой в проводнике.

  Вопрос 2: Что такое первый закон электромагнитной индукции Фарадея?

  Ответ:

  Согласно первому закону электромагнитной индукции Фарадея, «ЭДС возникает, когда проводник помещается в переменное магнитное поле», и ток, возникающий в этом процессе, называется индуцированным током.