Электромагнитная индукция закон электромагнитной индукции: Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея) – формула, физический смысл

Содержание

Законы электромагнитной индукции Фарадея • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»

После того как в начале XIX века было установлено, что электрические токи порождают магнитные поля (см. Открытие Эрстеда, Закон Био—Савара), ученые заподозрили, что должна наблюдаться и обратная закономерность: магнитные поля должны каким-то образом производить электрические эффекты. В 1822 году в своей записной книжке Майкл Фарадей записал, что должен найти способ «превратить магнетизм в электричество». На решение этой задачи у него ушло почти десять лет.

Не раз за эти годы он возвращался к этой проблеме, пока не придумал серию экспериментов, кажущихся крайне незамысловатым по современным меркам. На железную катушку в форме бублика, например, он с одной стороны намотал плотные витки длинного, заизолированного от железного сердечника проводника, подключаемые к сильной электрической батарее, а с другой — плотные витки электрического проводника, подключенного к гальванометру — прибору для обнаружения электрического тока. Железный сердечник был нужен для «поимки» силовых линий образующегося магнитного поля и передачи их внутрь контура второй обмотки.

Первые результаты пришли не сразу. Сначала, сколько Фарадей ни наблюдал за своей установкой, при протекании электрического тока по первичной обмотке тока во вторичной обмотке не возбуждалось. Могло показаться, что предположения Фарадея относительно «преобразования» электричества в магнетизм и обратно ошибочны. И тут на помощь пришел случай: обнаружилось, к полному удивлению Фарадея, что стрелка гальванометра в цепи вторичной обмотки скачкообразно отклоняется от нулевого положения лишь при подключении или отключении батареи. И тогда Фарадея посетило великое прозрение: электрическое поле возбуждается лишь при

изменении магнитного поля. Самого по себе присутствия магнитного поля недостаточно. Сегодня эффект возникновения электрического поля при изменении магнитного физики называют электромагнитной индукцией.

Повторяя свои опыты и анализируя результаты, Фарадей вскоре пришел к выводу, что протекающий по контуру электрический заряд пропорционален изменению т.  н. магнитного потока, проходящего через него. Представьте себе, что замкнутый электропроводящий контур положен на лист бумаги, через который проходят силовые линии магнитного поля. Магнитным потоком называется произведение площади контура на напряженность (условно говоря, число силовых линий) магнитного поля, проходящего через эту площадь перпендикулярно ей. В первоначальной формулировке закон электромагнитной индукции Фарадея гласил, что при изменении магнитного потока, проходящего через контур, по проводящему контуру протекает электрический заряд, пропорциональный изменению магнитного потока, который возбуждается без всякого внешнего источника питания типа электрической батареи. Не будучи до конца удовлетворенным формулировкой, в которой фигурировала столь трудноизмеримая величина, как электрический заряд, Фарадей вскоре объединил свой закон с законом Ома и получил формулу (иногда ее принято называть

вторым законом электромагнитной индукции Фарадея) для определения электродвижущей силы, возникающей в результате изменения магнитного потока через контур.

Изменить магнитный поток через контур можно тремя способами:

  • изменить площадь контура;
  • изменить интенсивность магнитного поля;
  • изменить взаимную ориентацию магнитного поля и плоскости, в которой лежит контур.

Последний метод работает, поскольку при таком движении изменяется проекция магнитного поля на перпендикуляр к площади контура, хотя ни напряженность магнитного поля, ни площадь контура не меняются. Это очень важно с практической точки зрения, поскольку именно это явление лежит в основе действия любого

электрогенератора. В самом простом варианте генератора проволочный контур вращается между полюсами сильного магнита. Поскольку в процессе вращения магнитный поток, проходящий через контур, постоянно меняется, по нему всё время протекает электрический ток. Согласно правилу Ленца, на протяжении одного полуоборота контура ток будет течь в одну сторону, а на протяжении следующего полуоборота — в другую. Собственно, по этому принципу и вырабатывается так хорошо нам знакомый переменный ток, который поступает в дома жителей всего мира по сетям энергоснабжения.
И не важно, что частота его в Америке равна 60 герц, а в Европе — 50 герц; важен сам принцип его получения. А тот факт, что американские генераторы совершают 60 оборотов в секунду, а европейские — 50 оборотов в секунду, — это уже дань исторической традиции.

Электрогенераторы играли, играют и будут играть важнейшую роль в развитии нашей технологической цивилизации, поскольку позволяют получать энергию в одном месте, а использовать ее в другом. Паровая машина, например, может преобразовывать энергию сгорания угля в полезную работу, но использовать эту энергию можно только там, где установлены угольная топка и паровой котел. Электростанция же может размещаться весьма далеко от потребителей электроэнергии — и, тем не менее, снабжать ею заводы, дома и т. п.

Рассказывают (скорее всего, это всего лишь красивая сказка), будто Фарадей, демонстрировал прототип электрогенератора Джону Пилу (John Peel), Канцлеру казначейства Великобритании, и тот спросил ученого: «Хорошо, мистер Фарадей, всё это очень интересно, а какой от всего этого толк?»

«Какой толк? — якобы удивился Фарадей.  — Да вы знаете, сэр, сколько налогов в казну эта штука со временем будет приносить?!»

Электромагнитная индукция. Закон электромагнитной индукции Фарадея. Правило Ленца.

Заглавная страница
Избранные статьи
Случайная статья
Познавательные статьи
Новые добавления
Обратная связь

КАТЕГОРИИ:

Археология
Биология
Генетика
География
Информатика
История
Логика
Маркетинг
Математика
Менеджмент
Механика
Педагогика
Религия
Социология
Технологии
Физика
Философия
Финансы
Химия
Экология

ТОП 10 на сайте

Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации

Техника нижней прямой подачи мяча.

Франко-прусская война (причины и последствия)

Организация работы процедурного кабинета

Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний

Коммуникативные барьеры и пути их преодоления

Обработка изделий медицинского назначения многократного применения

Образцы текста публицистического стиля

Четыре типа изменения баланса

Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву



Мы поможем в написании ваших работ!

ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Влияние общества на человека

Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации

Практические работы по географии для 6 класса

Организация работы процедурного кабинета

Изменения в неживой природе осенью

Уборка процедурного кабинета

Сольфеджио. Все правила по сольфеджио

Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления

⇐ ПредыдущаяСтр 9 из 18Следующая ⇒

Явление электромагнитной индукции было открыто выдающимся английским физиком М. Фарадеем в 1831 г. Оно заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении во времени

магнитного потока, пронизывающего контур.

Магнитным потоком Φ через площадь S контура называют величину

Φ = B · S · cos α,

где B – модуль вектора магнитной индукции, α – угол между вектором и нормалью к плоскости контура (рис. 1.20.1).

Рисунок 1.20.1. Магнитный поток через замкнутый контур. Направление нормали и выбранное положительное направление обхода контура связаны правилом правого буравчика

Определение магнитного потока нетрудно обобщить на случай неоднородного магнитного поля и неплоского контура. Единица магнитного потока в системе СИ называетсявебером (Вб). Магнитный поток, равный 1 Вб, создается магнитным полем с индукцией 1 Тл, пронизывающим по направлению нормали плоский контур площадью 1 м2:

1 Вб = 1 Тл · 1 м2.

Фарадей экспериментально установил, что при изменении магнитного потока в проводящем контуре возникает ЭДС индукции

инд, равная скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взятой со знаком минус:

Эта формула носит название закона Фарадея.


Опыт показывает, что индукционный ток, возбуждаемый в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток. Это утверждение, сформулированное в 1833 г. , называется правилом Ленца.

Рис. 1.20.2 иллюстрирует правило Ленца на примере неподвижного проводящего контура, который находится в однородном магнитном поле, модуль индукции которого увеличивается во времени.

Рисунок 1.20.2. Иллюстрация правила Ленца. В этом примере а инд < 0. Индукционный ток Iиндтечет навстречу выбранному положительному направлению обхода контура

Правило Ленца отражает тот экспериментальный факт, что инд и всегда имеют противоположные знаки (знак «минус» в формуле Фарадея). Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии.

 

Электромагнитная индукция– это явление возникновения тока в замкнутом проводнике, при прохождении через него магнитного потока. То есть, благодаря этому явлению мы можем преобразовывать механическую энергию в электрическую – и это замечательно.

Закон электромагнитной индукции

Электродвижущая сила, индуцируемая в проводящем контуре, равна скорости изменения магнитного потока, сцепляющегося с этим контуром.

В катушке, которая имеет несколько витков, общая ЭДС зависит от количества витков n:

Но в общем случае, применяют формулу ЭДС с общим потокосцеплением:

ЭДС возбуждаемая в контуре, создает ток. Наиболее простым примером появления тока в проводнике является катушка, через которую проходитпостоянный магнит. Направление индуцируемого тока можно определить с помощью правила Ленца.

Правило Ленца

Ток, индуцируемый при изменении магнитного поля проходящего через контур, своим магнитным полем препятствует этому изменению.

В том случае, когда мы вводим магнит в катушку, магнитный поток в контуре увеличивается, а значит магнитное поле, создаваемое индуцируемым током, по правилу Ленца, направлено против увеличения поля магнита. Чтобы определить направление тока, нужно посмотреть на магнит со стороны северного полюса. С этой позиции мы будем вкручивать буравчик по направлению магнитного поля тока, то есть навстречу северному полюсу. Ток будет двигаться по направлению вращения буравчика, то есть по часовой стрелке.

В том случае, когда мы выводим магнит из катушки, магнитный поток в контуре уменьшается, а значит магнитное поле, создаваемое индуцируемым током, направлено против уменьшения поля магнита. Чтобы определить направление тока, нужно выкручивать буравчик, направление вращения буравчика укажет направление тока в проводнике – против часовой стрелки.

 

 

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒



Читайте также:



Коммуникативные барьеры и пути их преодоления

Рынок недвижимости. Сущность недвижимости

Решение задач с использованием генеалогического метода

История происхождения и развития детской игры



Последнее изменение этой страницы: 2016-04-20; просмотров: 606; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia. su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь – 176.9.44.166 (0.006 с.)

2.11. Электромагнитная индукция. Основной закон электромагнитной индукции

Закон электромагнитной индукции(закон Фарадея – Максвелла)

ЭДС электромагнитной индукции в контуре численно равна скорости изменения магнитного потока сквозь поверхность, натянутую на этот контур, т. е.

.

Закон электромагнитной индукции можно также записать в форме

,

где потокосцепление электрической цепи.

Знак «минус» в выражении для ЭДС индукции объясняется правилом Ленца

«При всяком изменении магнитного потока сквозь поверхность, натянутую на замкнутый проводящий контур, в контуре возникает индукционный ток такого направления, что его собственное магнитное поле противодействует изменению магнитного потока, вызвавшему индукционный ток» (рис. 2.18).

Явление электромагнитной индукции в неподвижном замкнутом проводнике объясняется тем, что переменное магнитное поле вызывает появление вихревого электрического поля, циркуляция напряжённости которого вдоль замкнутого проводящего контураLравна ЭДС электромагнитной индукции

вихр.d=.

Явление электромагнитной индукции в проводнике, движущемся в постоянном магнитном поле, объясняется действием силы Лоренца: разделение зарядов в проводнике (т.е. создание ЭДС) производится составляющей силы Лоренца, параллельной проводнику; составляющая, перпендикулярная проводнику, тормозит его движение (поэтому необходимо прикладывать внешнюю силу для создания ЭДС). Работа силы Лоренца в целом равна нулю.

2.12. Явление самоиндукции

Самоиндукцией называется возникновение ЭДС электромагнитной индукции в электрической цепи вследствие изменения потокосцепления самоиндукции и находится по формуле

,

где S– потокосцепление самоиндукции рассматриваемого контура.

Индуктивностьюконтура называется положительная скалярная величина, численно равная потокосцеплению самоиндукции контура при силе тока в контуре 1 А.

Индуктивность зависит от размеров и формы контура, от магнитной проницаемости среды и в отсутствие ферромагнетиков не зависит от силы тока в контуре.

L = S / I.

Индуктивность длинного соленоида

L = S / l = n2V,

где относительная магнитная проницаемость среды, заполняющей весь объём соленоида ,V = lS;l длина соленоида,Sплощадь одного витка,Nобщее число витков,nчисло витков, приходящихся на единицу длины соленоида.

ЭДС самоиндукции

.

Если контур не деформируется и находится в неферромагнитной среде, то

.

Электродвижущая сила самоиндукции противодействует, в соответствии с правилом Ленца, изменению тока в цепи, замедляя его убывание или возрастание.

При замыкании цепи начальный ток I0=0 и зависимость силы тока от времени имеет вид

.

При отключении источника ЭДС (без изменения сопротивления Rцепи) ток в цепи спадает по закону

,

где Rэквивалентное сопротивление цепи, включенное последовательно с индуктивностью;Lиндуктивность цепи; ЭДС источника, действующего в цепи.

Графики зависимости силы тока от времени приведены на рис. 2.19 и 2.20.

2.13. Взаимная электромагнитная индукция

Взаимной индукцией называется явление возникновения ЭДС электромагнитной индукции в одной электрической цепи при изменении электрического тока в другой цепи или при изменении взаимного расположения этих двух цепей.

ЭДС взаимной индукции, возникающая во второй цепи вследствие изменения потокосцепления 21взаимной индукции этой цепи и другой (первой) цепи с током, рассчитывается по формуле

.

Потокосцепление 21обусловлено магнитным полем токаI1в первой цепи и, при прочих равных условиях, пропорционально силе тока I1

L21I1,

где L21взаимная индуктивность второго и первого контуров (цепей). В отсутствие ферромагнетиков она зависит от размеров и формы контуров, их взаимного расположения, магнитной проницаемости среды и не зависит от силы тока. Если контуры находятся в неферромагнитной среде, тоL12 = L21. ЕслиL12=L21=const, то ЭДС взаимной индукции

и.

ЭДС индукции. Основные определения и формулы. Электромагнитная индукция. Закон электромагнитной индукции

Физика \ Физика

Страницы работы

15 страниц (Word-файл)

Посмотреть все страницы

Скачать файл

Фрагмент текста работы

ЭДС ИНДУКЦИИ

Электромагнитная индукция: в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока (т.е. вектора B! ), охватываемого этим контуром, возникает электрический ток  индукционный ток.

Правило Ленца: индукционный ток всегда направлен так, чтобы противодействовать причине его вызывающей.

Закон электромагнитной индукции: εi = − ddtΦ  возникающая в контуре

ЭДС индукции.

Если замкнутый контур, в котором индуцируется ЭДС состоит не из одного витка, а из N витков и, если, магнитный поток, охватываемый каждым витком одинаков и равен Φ1, то суммарный поток Φ сквозь поверхность, натянутую на данный контур: Φ = NΦ1  полный магнитный поток или потокосцепление. εi = −N ddtΦ1 .

Изменение тока в контуре, которое ведет к возникновению ЭДС индукции в этом же контуре называется самоиндукцией.

Если в пространстве, где находится контур с током I , нет ферромагнетиков, то полный магнитный поток через контур пропорционален силе тока I : Φ = LI , где L  коэффициент пропорциональности  индуктивность контура.

Взаимная индукция:

Рассмотрим два неподвижных контура 1 и 2, расположенных достаточно близко друг к другу. Если в контуре 1 течет ток I1, то он создает через контур 2 полный магнитный поток Φ2, пропорциональный (при отсутствии ферромагнетиков) току I1: Φ =2 L I21 1.

Аналогично, если в контуре 2 течет ток I2, он создает через контур 1 полный магнитный поток: Φ =1 L I12 2.

Коэффициенты L12 и L21 называют взаимной индуктивностью контуров.

Теорема взаимности: при отсутствии ферромагнетиков коэффициенты L12 и L21 одинаковы: L12 = L21.

Взаимная индукция: при всяком изменении тока в одном из контуров в другом контуре возникает ЭДС индукции.

Согласно закону электромагнитной индукции, ЭДС, возникающие в контурах 1 и 2 равны, соответственно: ε1 = − ddtΦ1 = −L12 dIdt2 ,

ε2 = − ddtΦ = −L21 dIdt1 .

С учетом явления электромагнитной индукции, закон Ома для контура 1:

R I1 1 1 L1 dIdt1 L12 dIdt2 , где ε1  сторонняя ЭДС в контуре 1 (помимо индукционных ЭДС), L1  индуктивность контура 1.

Энергия магнитного поля:

Дополнительная работа, совершаемая сторонними силами против ЭДС самоиндукции в процессе установления тока: δAдоп = IdΦ .

При отсутствии ферромагнетиков контур с индуктивностью L, по которому течет ток I обладает энергией: W = 12 LI2 = 12 IΦ = Φ2L2  магнитная

 

W dV  энергия магнитного поля.

                объемная плотность магнитной энергии. Данное выражение справедливо лишь для случаев, когда зависимость B H! !( ) линейная, т.е. для пара- и диамагнетиков.

W = L I1 12 2 + L I2 22 2 + L I I12 1 2  магнитная энергия двух контуров с токами; первые два слагаемых  собственная энергия, последнее слагаемое  взаимная энергия.

W dV dV dV  полевая трактовка энергии, где B1  магнитное поле тока I1, B2  магнитное поле тока I2.

ЗАДАЧИ ЭДС индукции, ЭДС самоиндукции:

1.  Провод, имеющий форму параболы y = kx2 , находится в однородном магнитном поле B! , перпендикулярном плоскости параболы. Из вершины параболы перемещают поступательно и без начальной скорости перемычку с постоянным ускорением a. Найти ЭДС индукции в образовавшемся контуре как функцию времени.

Решение:

 

За время dt перемычка переместится на dy , и замкнутый контур получит приращение площади dS = 2xdy .

Если S! ↑↑ B! , то dΦ = BdS .

Поток Φ возрастает и индукционный ток Iи течет против часовой стрелки, порождая поле B!и ↑↓ B! компенсируя изменение Φ .

Тогда εи = − ddtΦ = −B 2xdydt . Но dydt = v = at , x =   ky at2k2 .

Поэтому εи = −B⋅2at   at2k2 = −Ba 2kat2.

Ответ: Ba       t2.

2.  Плоская спираль с большим числом N витков, плотно прилегающих друг к другу, находится в однородном магнитном поле, перпендикулярном в плоскости спирали. Наружный радиус спирали равен a. Магнитное поле изменяется со временем по закону B = B0 sinωt . Найти амплитудное значение ЭДС индукции, наведенной в спирали.

Решение:

Выделим участок спирали толщиной dr . В нем dN = Na dr витков по форме совпадающих с окружностью радиуса r .

Полный магнитный поток через этот участок спирали равен dΦ = B r dNπ 2 = B Nπa r dr2 .

Полный        магнитный        поток        через        всю        спираль                           равен

Φ = 0a dΦ = B Nπa r33 0aNa3 2 B0 sinωt.

Тогда       B   t и амплитуда εи0 = −πNa3 2ωB0.

Ответ: εи0 = −πNa3 2ωB0.

3.  По двум металлическим столбам, поставленным вертикально

Похожие материалы

Информация о работе

Скачать файл

Электромагнитная индукция

Определение электромагнитной индукции

Возникновение электрического тока в проводнике, движущемся в магнитном поле, называют явлением индукцией в движущихся проводниках. В случае движения проводника в магнитном поле, его свободные электроны приходят в движение относительно проводника под воздействием силы Лоренца. Явление электромагнитной индукции обнаружил Фарадей в 1831 г. в проводящем контуре. Он заметил, что в замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции через поверхность, которую ограничивает контур, появляется электрический ток. Это также явление электромагнитной индукции, возникающий ток в контуре, называют индукционным.

Итак, явление электромагнитной индукции состоит в возникновении электрического тока в замкнутом проводнике при изменении потока магнитной индукции, охватываемого контуром. При этом контур может быть неподвижным.

ЭДС индукции

Существование явления электромагнитной индукции говорит о том, что при изменении магнитного потока в контуре появляется электродвижущая сила индукции (ЭДС, ${{\mathcal E}}_i$). Величина ${{\mathcal E}}_i$ не зависит от способа изменения магнитного потока $(Ф)$, и связана со скоростью его изменения ($\frac{dФ}{dt}$). С изменением знака скорости изменения потока направление ЭДС индукции тоже изменяется:

Знак потока $Ф$ и знак ${{\mathcal E}}_i$ связывают с выбором направления нормали к плоскости контура. ${{\mathcal E}}_i$ считают положительной если ее направление образует с направлением нормали к контуру правый винт. Для рис 1. и заданном направлении нормали «от нас», перпендикулярно плоскости рисунка ($\overrightarrow{n}$) $\frac{dФ}{dt} >0,\ {{\mathcal E}}_i

Рисунок 1.

Основной единицей измерения индукционной ЭДС служит вольт $(В)$. Если скорость изменения магнитного потока равна $1\frac{Вб}{с}$ в контуре индуцируется ЭДС, равная $1 В$.

В гауссовой системе формула (1) принимает вид:

где $с$ – скорость света в вакууме. Основной единицей измерения магнитного потока в СГСЭ является максвелл $(Мкс)$, тогда ${{\mathcal E}}_i$ измеряется в СГСЭ – единицах потенциала. Для того, чтобы перевести ЭДС из системы гаусса в вольты необходимо умножить имеющееся значение на $300$. Следовательно, формулой связи системы СИ и СГСЭ можно записать выражение:

Среднее значение ЭДС индукции может быть определено как:

Поток сцепления

Если контур, в котором индуцируется ЭДС, состоит из $N$ витков (соленоид), витки соединены последовательно, ${{\mathcal E}}_i$ равна сумме ЭДС, которые индуцируются каждым витком в отдельности. Следовательно, используя формулу (1), можно записать:

Величину $\Psi$, равную:

называют потоком сцепления, или полным магнитным потоком. В том случае, если поток, который пронизывает каждый из витков, одинаковый, то можно записать, что:

В сложном контуре ${{\mathcal E}}_i$ вычисляют как:

Уравнение (8) называют основным законом электромагнитной индукции (уравнением Фарадея – Максвелла).

Частные случаи применения закона электромагнитной индукции

  1. Если проводник длины $l\ $движется в однородном магнитном поле (с индукцией $В$) с постоянной скоростью $v$, то на его концах возникает разность потенциалов $U$:

где $\alpha $ – угол между направлением скорости и вектором магнитной индукции.

  1. ЭДС индукции возникает в рамке, которая содержит $N$ витков, имеет площадь $S$ и вращается с постоянной угловой скоростью $\omega$ в однородном магнитном поле с индукцией $В$ и она равна:

где $\omega t$ – мгновенное значение угла между вектором магнитной индукции ($\overrightarrow{B}$) и вектором нормали к плоскости рамки ($\overrightarrow{n}$).

Пример 1

Задание: Найдите мгновенное значение ЭДС индукции рамки, которое соответствует углу поворота рамки $\alpha ,$ площадь рамки, равна $S$, она содержит $N$ витков. Рамка вращается в постоянном магнитном поле с индукцией $B$. Частота вращения рамки равна $n$.

Решение:

За основу решения задачи примем уравнение Фарадея – Максвелла:

\[{{\mathcal E}}_i=-\frac{d \Psi}{dt}\ \left(1.1\right),\]

где потокосцепление можно определить как:

\[\Psi=NФ\ \left(1.2\right),\]

где $N$ – количество витков, которые пронизывает магнитный поток $Ф$. Соответственно (1.1) примет вид:

\[{{\mathcal E}}_i=-N\frac{dФ}{dt}\ \left(1.3\right).\]

Если рамку вращать, то магнитный поток изменяется в соответствии с законом:

\[Ф=BScos\omega t\left(1.4\right),\]

где $\omega $ — угловая частота вращения. Подставим выражение (1.4) в (1.3), получим:

\[{{\mathcal E}}_i=NBS\omega sin\omega t\left(1.5\right).\]

Связь угловой частоты и часты вращения, определим как:

\[\omega =2\pi n\ \left(1.6\right),\] \[\omega t=\alpha \left(1.7\right).\]

Подставим выражения (1.6), (1.7) в формулу (1.5) получим:

\[{{\mathcal E}}_i=2\pi nNBSsin\alpha .\]

Ответ: ${{\mathcal E}}_i=2\pi nNBSsin\alpha .$

Пример 2

Задание: Определите среднее ЭДС индукции ($\left\langle {{\mathcal E}}_i\right\rangle )$, если магнитный поток, который пронизывает контур, изменяется от $Ф_1=40Вб$ до $Ф_2=0Вб$ в течении промежутка времени равного $2 с$.

Решение:

За основу решения примем формулу, определяющую среднюю ЭДС индукции:

\[\left\langle {{\mathcal E}}_i\right\rangle =-\frac{\Delta Ф}{\Delta t}\left(2.1\right).\]

Проведем вычисления:

\[\left\langle {{\mathcal E}}_i\right\rangle =-\frac{0-40}{2}=20\ \left(В\right).\]

Ответ: $\left\langle {{\mathcal E}}_i\right\rangle =20 В$.

Тема 11. Электромагнитная индукция 11 Закон электромагнитной индукции


©stom. tilimen.org 2022
әкімшілігінің қараңыз

ТЕМА 11. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ

11.1. Закон электромагнитной индукции

Явление электромагнитной индукции впервые наблюдалось Фарадеем в 1831 г. и заключается в возникновении тока в проводящем контуре при изменении магнитного потока через поверхность, охватываемую этим контуром. Согласно закону, установленному Фарадеем, э.д.с. индукции пропорциональна быстроте изменения магнитного потока. Поскольку в системе СИ коэффициент пропорциональности равен единице,

.

Минус единица в правой части имеет символический смысл; она означает, что явление электромагнитной индукции подчиняется правилу Ленца: при всяком изменении магнитного потока через поверхность, охватываемую проводящим контуром, в нем возникает индукционный ток такого направления, что создаваемое им магнитное поле противодействует изменению магнитного потока, вызвавшего этот ток. Изменение магнитного потока может быть вызвано различными причинами: изменением внешнего магнитного поля, ориентации контура в пространстве либо геометрии контура.

Закон электромагнитной индукции можно получить из закона сохранения энергии. Действительно, при медленном перемещении контура в магнитном поле внешние силы совершают работу, равную работе индукционного тока: . Эта же работа равна (с точностью до знака) работе сил Ампера: . Поэтому

.

Э.д.с. индукции возникает и при перемещении отрезка проводника в стационарном магнитном поле, если проводник пересекает линии индукции. Поскольку при этом в качестве э.д.с. выступает сила Лоренца, действующая на свободные электроны в движущемся проводнике, нетрудно показать, что и в данном случае

(здесь – магнитный поток через поверхность, «прочерченную» движущимся проводником за промежуток времени ). Действительно, на электрон в движущемся со скоростью проводнике со стороны магнитного поля действует сила

.

Эта сила является сторонней (не кулоновской), напряженность поля сторонних сил:

.

По определению э.д.с. индукции в проводнике :

. (11.1)

Поскольку

(здесь – вектор перемещения элемента проводника),

.

Так как вектор при поступательном движении проводника не зависит от времени,

.

Согласно геометрическому смыслу векторного произведения,

.

Здесь – вектор площади параллелограмма, построенного на перемножаемых векторах (рис. 11.1). С учетом этого имеем:

Рис. 11.1

. (11.2)

Если магнитное поле стационарно,

(11. 3)

(здесь – магнитный поток через поверхность, прочерченную элементом проводника при перемещении ). Согласно (11.1),

.

С учетом равенств (11.2) и (11.3) имеем:

(здесь – магнитный поток через поверхность, прочерченную всем проводником при перемещении ). В частном случае прямолинейного проводника длиной , который движется поступательно со скоростью в однородном стационарном магнитном поле перпендикулярно линиям индукции, (здесь – угол между проводником и вектором скорости).

Как уже отмечалось, индукционная э.д.с. возникает и в том случае, когда проводник неподвижен, но изменяется индукция внешнего поля. В такой ситуации на свободные электроны проводника действует т.н. вихревое электрическое поле, порождаемое переменным магнитным полем, но не сила Лоренца. Действительно, если – вектор напряженности этого поля, то индукционная э.д.с. в неподвижном контуре . Далее имеем:

, .

Поскольку контур неподвижен,

.

Более подробно вихревое электрическое поле будет рассматриваться позже; пока отметим лишь, что оно не потенциально, поэтому его силовые линии всегда замкнуты.

Индукционный ток возникает не только в замкнутых проводниках типа проволоки, но и в массивных проводящих телах произвольной формы. Такие токи называются токами Фуко; они приводят к значительным потерям энергии в устройствах типа трансформаторов и дросселей. Для уменьшения потерь стальные сердечники делаются в виде пакета пластин, изолированных друг от друга тонким картоном. В некоторых устройствах токи Фуко играют положительную роль, например – в индукционных сталеплавильных печах, в медицинских приборах для прогрева внутренних органов, в бытовых СВЧ-печах.

11.2. Самоиндукция

Самоиндукцией называется явление возникновения индукционной э.д.с. в цепи при изменении силы тока в ней. Легко видеть, что самоиндукция – это частный случай электромагнитной индукции. Действительно, ток в цепи создает в окружающем пространстве магнитное поле. В соответствии с этим существует магнитный поток через поверхность, охватываемую цепью. При изменении силы тока изменяется индукция поля; следовательно, изменяется магнитный поток и возникает индукционная э.д.с.

Согласно закону Био-Савара-Лапласа, индукция магнитного поля пропорциональна силе тока в проводнике. Поэтому магнитный поток через поверхность, охватываемую цепью, также пропорционален силе тока: .

Здесь – коэффициент пропорциональности, который называется индуктивностью цепи. Из последнего равенства следует, что

Вб/А=1 Гн.

Если среда, в которой находится электрическая цепь, неферромагнитна (магнитная проницаемость среды не зависит от силы тока), индуктивность определяется только геометрией цепи. Поэтому

.

Минус единица здесь имеет то же значение, что и в основном законе электромагнитной индукции.

Далее найдем индуктивность соленоида, обмотка которого состоит из витков. Поскольку все они соединены последовательно, индукционная э. д.с, возникающая в соленоиде при наличии переменного магнитного поля, равна сумме э.д.с, индуцируемых в каждом витке в отдельности:

.

Величина называется потокосцеплением (полным магнитным потоком) соленоида. Если поток, пронизывающий каждый виток, одинаков, то . Индуктивность соленоида представляет собой коэффициент пропорциональности между потокосцеплением и силой тока в нем: .

Ранее было показано, что внутри обмотки соленоида с током существует однородное магнитное поле с индукцией . Поскольку магнитный поток через каждый виток равен , потокосцепление соленоида

(здесь – длина обмотки соленоида, – объем

пространства внутри него). Из сопоставления двух последних равенств следует, что .

11.3. Ток при замыкании и размыкании цепи

Рассмотрим цепь, состоящую из источника тока с внутренним сопротивлением и соленоида индуктивностью и электрическим сопротивлением. В соответствии с правилом Ленца ток самоиндукции направлен так, чтобы противодействовать изменению силы тока в цепи. Поэтому при замыкании или размыкании цепи сила тока изменяется не мгновенно, но постепенно. По обобщенному закону Ома

,

где и – суммарная э.д.с. и суммарное сопротивление цепи (далее вместо будем писать просто ) . Понятно, что в рассматриваемом случае , а суммарная э.д.с. складывается из э.д.с. источника тока и самоиндукции. Поэтому

.

В результате интегрирования этого уравнения получим следующее:

.

Если при , имеем:

.

В момент включения тока поэтому .

С течением времени сила тока увеличивается до стационарного значения , причем нарастание происходит тем быстрее, чем больше отношение . В момент отключения цепи от источника тока , соответственно

.

При этом уменьшение силы тока тем быстрее, чем больше отношение .

Если по проводнику протекает переменный ток, магнитное поле внутри него изменяется, и в толще проводника возникают вихревые токи самоиндукции. Согласно правилу Ленца плоскости вихревых токов в цилиндрическом проводнике проходят через его ось. На рис. 11.2 показана

Рис. 11.2

ситуация в тот момент, когда сила тока в проводнике увеличивается. При этом ток самоиндукции вблизи оси проводника направлен в противоположную сторону и противодействует увеличению тока. Соответственно плотность переменного тока внутри проводника неодинакова; она минимальна вблизи его оси и максимальна у поверхности. В результате этого высокочастотный переменный ток сосредоточен лишь в тонком приповерхностном слое проводника (это явление называется скин-эффектом). Именно поэтому в высокочастотных силовых цепях используются не обычные, но трубчатые проводники.

11.4. Энергия магнитного поля

При увеличении силы тока в цепи возникает э.д.с. самоиндукции, препятствующая этому. По обобщенному закону Ома для замкнутой цепи

,

где – алгебраическая сумма э.д.с всех источников тока, – э.д.с. самоиндукции, – суммарное электрическое сопротивление цепи. Поскольку

,

имеем:


.

Работа, совершаемая источниками тока цепи за промежуток времени :

.

Здесь первое слагаемое в правой части – теплота Джоуля-Ленца, второе слагаемое – работа источников тока против э.д.с. самоиндукции, в результате чего в контуре устанавливается постоянный ток и возникает магнитное поле. Следовательно, приращение энергии магнитного поля за промежуток времени : . Полную энергию магнитного поля найдем путем интегрирования:

(здесь – сила установившегося тока). Понятно, что полученный результат справедлив лишь в случае неферромагнитной среды, когда индуктивность цепи неизменна.

Далее выразим энергию магнитного поля через его характеристики – магнитную индукцию и напряженность. Для этого найдем энергию однородного поля соленоида, индуктивность которого . Имеем:

.

Так как поле однородно, для объемной плотности энергии получим:

.

Учитывая, что , имеем:

.

Поскольку , .

11.5. Взаимная индукция

Явление взаимной индукции состоит в том, что при изменении силы тока в одном контуре возникает индукционная э. д.с. в другом близкорасположенном контуре. Легко видеть, что взаимная индукция обусловлена более общим уже известным явлением – электромагнитной индукцией.

Пусть сила тока в контуре 1 равна (рис. 11.3). Поток магнитной индукции через поверхность, охватываемую контуром 2, пропорционален :

(здесь – коэффициент взаимной индукции контура 2 относительно

контура 1, его единица измерения – 1 Гн). При изменении силы тока в первом

Рис. 11.3

контуре будет изменяться величина , поэтому во втором контуре возникает индукционная э.д.с.

.

Если геометрия и взаимное расположение обоих контуров неизменно, величина также остается постоянной. Поэтому

.

Рассуждая аналогично, можно показать, что индукционная э.д.с. в первом контуре, обусловленная изменением тока во втором контуре, определяется следующим равенством:

(здесь – коэффициент взаимной индукции первого контура относительно второго, причем ). Если среда, в которой расположены оба контура, неферромагнитна, значения коэффициентов и определяются только их геометрией и взаимным расположением. В противном случае значения и зависят и от силы тока в контурах, поскольку силой тока определяется магнитная проницаемость ферромагнетика и, соответственно, магнитная индукция и магнитный поток.

В качестве примера найдем коэффициент взаимной индукции двух обмоток, расположенных одна поверх другой на парамагнитном каркасе в виде тора. Если радиус тора () много больше радиуса его поперечного сечения (), то при наличии в первой обмотке тока внутри каркаса создается практически однородное магнитное поле с индукцией

(здесь – количество витков в первой обмотке). При этом через каждый виток второй обмотки существует магнитный поток , где – площадь поперечного сечения тора. Следовательно, полный магнитный поток, сцепленный со второй обмоткой,

.

Аналогично, при наличии тока во второй обмотке внутри тора возникает поле с индукцией

;

в результате этого с первой обмоткой будет сцеплен поток

.

С другой стороны, потокосцепление первой и второй обмоток

. Поэтому

.

Рассмотренный пример вычисления коэффициентов взаимной индукции можно рассматривать как иллюстрацию того, что, как уже отмечалось, .

11.6. Электромагнитные источники э.д.с.

Мы уже рассматривали явления, лежащие в основе работы химических источников тока – т.н. гальванических элементов. Помимо них на практике широко используются электромагнитные источники, которые называются генераторами переменного тока. Их действие основано на явлении электромагнитной индукции.

Пусть в однородном поле постоянного магнита вращается прямоугольная рамка, на которую намотана проволока, содержащая витков (рис. 11.4). Как известно, поток магнитной индукции через

Рис. 11.4

поверхность, охватываемую рамкой, (здесь – угол между линиями магнитной индукции и нормалью к плоскости рамки). Если рамка вращается с постоянной угловой скоростью, то , .

Согласно закону Фарадея индукционная э.д.с, возникающая в одном витке,

.

Поскольку витки обмотки соединены последовательно, суммарная э.д.с.. Обозначив (амплитудное значение э.д.с.), имеем:

.

Таким образом, при вращении рамки в постоянном магнитном поле в обмотке возникает э.д.с, изменяющаяся по гармоническому закону (такая э.д.с. называется синусоидальной). Поскольку магнитное поле стационарно, в роли э.д.с. выступает сила Лоренца, действующая на свободные электроны в металлическом проводе. Если источник синусоидальной э.д.с. включить в цепь, в ней возникает переменный синусоидальный ток.

11.7. Трансформатор

Во многих случаях бывает необходимым использовать значения э.д.с, которые значительно больше либо меньше тех, которые дают генераторы. Особенно важно повышение э.д.с. для передачи электроэнергии на большие расстояния, иногда на многие сотни и тысячи километров. Дело в том, что электрическая мощность, передаваемая по ЛЭП, равна произведению э.д.с. на силу тока. Мощность потерь, обусловленных нагреванием проводов, пропорциональна квадрату силы тока. Следовательно, для снижения потерь на тепло при неизменной передаваемой мощности необходимо уменьшать ток и увеличивать э.д.с. В случае переменного тока для этого используется повышающий трансформатор, действие которого основано на явлении электромагнитной индукции.

Впервые трансформатор был сконструирован российским инженером П.Н. Яблочковым; в простейшем случае он представляет собой две обмотки на замкнутом стальном сердечнике. Первичная обмотка повышающего трансформатора состоит из небольшого количества витков толстого провода, вторичная обмотка содержит большое число витков тонкого провода. Если первичная обмотка подключена к источнику переменной э.д.с, ток в ней создает переменный магнитный поток, который практически целиком сосредоточен внутри сердечника. Поэтому во вторичной обмотке существует такой же переменный поток магнитной индукции и, соответственно, индукционная э.д.с. В случае, когда вторичная обмотка разомкнута, т.е. к ней не подключена нагрузка, трансформатор работает в режиме холостого хода. При этом, если электрическое сопротивление первичной обмотки мало, величина возникающей в ней э.д.с. самоиндукции в точности равна напряжению на ее концах. Поскольку в одном витке

,

э.д.с. самоиндукции всей первичной обмотки

(здесь – количество витков). Поскольку магнитный поток через витки вторичной и первичной обмоток практически одинаков, э.д.с. индукции во вторичной обмотке

.

Отношение э.д.с. самоиндукции к э.д.с. электромагнитной индукции соответственно в первичной и вторичной обмотках называется коэффициентом трансформации:

.

Если , т.е. , трансформатор повышает э.д.с; в противном случае трансформатор является понижающим.

Итак, в режиме холостого хода, когда к клеммам вторичной обмотки не подключена нагрузка, трансформатор практически не потребляет энергии. Если же вторичная обмотка нагружена, первичная обмотка потребляет энергию, причем с увеличением тока в нагрузке автоматически увеличивается энергопотребление. Действительно, ток нагрузки создает дополнительный магнитный поток через витки первичной обмотки. Согласно правилу Ленца ток в этой обмотке увеличивается с тем, чтобы воспрепятствовать этому.

В электромагнитных процессах, протекающих в трансформаторе, неизбежны энергетически потери. Наиболее существенное значение здесь имеет выделение джоулевого тепла в проводах обмоткок, а также нагревание сердечника вихревыми индукционными токами. Тем не менее в современных трансформаторах удается снизить потери до 2%, в результате их к.п.д. приближается к 98%. Полагая мощность тока в обеих обмотках примерно одинаковой, имеем:

.

Следовательно, сила тока и э.д.с. в обмотках обратно пропорциональна количеству витков в них.

Используя повышающие трансформаторы, тепловые потери в ЛЭП сводятся к минимуму. Перед распределением электрической энергии потребителям э.д.с. вторичной обмотки уменьшается до нужных значений с помощью понижающих трансформаторов.

жүктеу/скачать 127.43 Kb.


Достарыңызбен бөлісу:

Законы электромагнитной индукции Фарадея: Первый и второй закон

от Electrical4u

Что является законом Фарадея

Фарадея в Законе о электромагнитной индукции . ) — это основной закон электромагнетизма, предсказывающий, как магнитное поле будет взаимодействовать с электрической цепью, создавая электродвижущую силу (ЭДС). Это явление известно как электромагнитная индукция.

Закон Фарадея гласит, что в проводнике, который подвергается воздействию изменяющегося магнитного поля, возникает ток. Закон электромагнитной индукции Ленца утверждает, что направление этого индуцированного тока будет таким, что магнитное поле, создаваемое индуцированным током , противодействует начальному изменяющемуся магнитному полю, которое его создало. Направление этого тока можно определить с помощью правила правой руки Флеминга.

Закон индукции Фарадея объясняет принцип работы трансформаторов, двигателей, генераторов и катушек индуктивности. Закон назван в честь Майкла Фарадея, который провел эксперимент с магнитом и катушкой. В ходе эксперимента Фарадей обнаружил, как ЭДС индуцируется в катушке при изменении потока, проходящего через катушку.

Эксперимент Фарадея

В этом эксперименте Фарадей берет магнит и катушку и подключает к катушке гальванометр. При запуске магнит покоится, поэтому в гальванометре нет отклонения, т. е. стрелка гальванометра находится в центральном или нулевом положении. При приближении магнита к катушке стрелка гальванометра отклоняется в одну сторону.

Когда магнит удерживается неподвижно в этом положении, стрелка гальванометра возвращается в нулевое положение. Теперь, когда магнит удаляется от катушки, стрелка имеет некоторое отклонение, но в противоположном направлении, и снова, когда магнит становится неподвижным, в этой точке относительно катушки стрелка гальванометра возвращается в нулевое положение. Точно так же, если магнит удерживается неподвижно, а катушка движется в сторону и к магниту, гальванометр также показывает отклонение. Также видно, что чем быстрее изменяется магнитное поле, тем больше будет ЭДС индукции или напряжение в катушке.

Положение магнита Уточнение в гальванометре
Магнит в поколении . Никакие отклонения в Galvanometer
Magnet Moves Magnet Movels в сторону CoIl
Magnet Moves Magnet Movels в сторону CoIl
Magnet Moves Magnet. удерживается неподвижно в том же положении (около катушки) Нет отклонения в гальванометре
Магнит отходит от катушки Отклонение в гальванометре, но в противоположном направлении
Магнит удерживается неподвижно в том же положении (от катушки) В гальванометре нет отклонения магнитного поля, потокосцепление с катушкой изменяется, и это изменение потока индуцирует напряжение на катушке.

Майкл Фарадей сформулировал два закона на основе приведенных выше опытов. Эти законы называются Законы электромагнитной индукции Фарадея .

Первый закон Фарадея

Любое изменение магнитного поля катушки с проводом вызывает появление в катушке ЭДС. Эта индуцированная ЭДС называется ЭДС индукции, и если цепь проводника замкнута, ток также будет циркулировать по цепи, и этот ток называется индуктивным током.
Способ изменения магнитного поля:

  1. Путем перемещения магнита к катушке или от нее
  2. Путем перемещения катушки в магнитное поле или из него
  3. Путем изменения площади катушки, помещенной в магнитное поле
  4. Путем вращения катушки относительно магнита

Второй закон Фарадея

Он гласит, что величина ЭДС, индуцированной в катушке, равна скорости изменения потока, который взаимодействует с катушкой. Потокосцепление катушки является произведением числа витков в катушке и потока, связанного с катушкой.

Формула закона Фарадея

Рассмотрим магнит, приближающийся к катушке. Здесь мы рассматриваем два момента времени T 1 и время T 2 .

Потокосцепление с катушкой во времени,

Потокосцепление с катушкой во времени,

Изменение потокосцепления,

Пусть это изменение потокосцепления будет,

Итак, Изменение потокосцепления

Теперь скорость изменения потокосцепления

Возьмем производную справа и получим

Скорость изменения потокосцепления

Но по закону электромагнитной индукции Фарадея скорость изменения потокосцепления равна ЭДС индукции .

С учетом закона Ленца.

Где:

  • Поток Φ в Вб = B.A
  • B = напряженность магнитного поля
  • A = площадь катушки

Как увеличить ЭДС, индуцированную в катушке

  • По мере увеличения числа витков катушки, т. е. N, из полученных выше формул легко видно, что если число витков в катушке увеличивается, ЭДС индукции также увеличивается.
  • За счет увеличения напряженности магнитного поля, т.е. B, окружающего катушку. Математически, если магнитное поле увеличивается, увеличивается поток, а если поток увеличивается, индуцированная ЭДС также увеличивается. Теоретически, если катушка проходит через более сильное магнитное поле, будет больше силовых линий, которые катушка может разрезать, и, следовательно, будет больше индуцированной ЭДС.
  • За счет увеличения скорости относительного движения между катушкой и магнитом. Если относительная скорость между катушкой и магнитом увеличивается по сравнению с предыдущим значением, катушка будет перерезать линии потока с большей скоростью, поэтому ЭДС индукции будет больше. будет производиться.

Применение закона Фарадея

Закон Фарадея — один из самых основных и важных законов электромагнетизма. Этот закон находит применение в большинстве электрических машин, промышленности, медицине и т. д.

  • Работа силовых трансформаторов основана на законе Фарадея
  • Основным принципом работы электрического генератора является закон взаимной индукции Фарадея.
  • Индукционная плита — самый быстрый способ приготовления пищи. Он также работает по принципу взаимной индукции. Когда ток течет по катушке из медной проволоки, расположенной под контейнером для приготовления пищи, он создает изменяющееся магнитное поле. Это переменное или меняющееся магнитное поле индуцирует ЭДС и, следовательно, ток в проводящем сосуде, а мы знаем, что протекание тока всегда производит в нем тепло.
  • Электромагнитный расходомер используется для измерения скорости определенных жидкостей. Когда магнитное поле приложено к электрически изолированной трубе, в которой течет проводящая жидкость, то согласно закону Фарадея в ней индуцируется электродвижущая сила. Эта индукционная ЭДС пропорциональна скорости течения жидкости.
  • Основы электромагнитной теории. Представление Фарадея о силовых линиях используется в хорошо известных уравнениях Максвелла. Согласно закону Фарадея, изменение магнитного поля вызывает изменение электрического поля, и в уравнениях Максвелла используется обратное этому закону.
  • Он также используется в музыкальных инструментах, таких как электрогитара, электроскрипка и т. д.

Хотите учиться быстрее? 🎓

Каждую неделю получайте электротехнические товары на свой почтовый ящик.
Кредитная карта не требуется — это абсолютно бесплатно.

О Electrical4U

Electrical4U посвящен обучению и распространению всего, что связано с электротехникой и электроникой.

Принципы и законы электромагнитной индукции

Трудно представить мир без электричества. В нашем современном обществе электричество стало основой нашего комфорта, обеспечивая нас светом, охлаждая нас, предлагая развлечения и многое другое. Знаете ли вы, что электромагнитная индукция используется для питания многих электрических устройств? Можно использовать практически любой источник механической энергии, такой как текущая вода и ветер, для выработки электрического тока, если его можно подключить к электрическому генератору.

Закон электромагнитной индукции был открыт Майклом Фарадеем. Сегодня он используется при проектировании электрических генераторов и трансформаторов. Электромагнитная индукция – это производство напряжения, когда электрический проводник пересекает стационарные линии магнитного поля или изменяющееся магнитное поле. Возникающее напряжение называется индуцированной электродвижущей силой (ЭДС индуцирования). Читайте дальше, чтобы узнать больше о принципах электромагнитной индукции!

Принципы электромагнитной индукции
Явление электромагнитной индукции показывает, что когда проводник, например провод, проходит через магнитное поле и пересекает силовые линии, в проводе возникает ток.

Например, соедините два конца катушки с гальванометром (измерителем силы тока) и поместите рядом с ним магнит. Показания гальванометра при неподвижном магните будут равны нулю. Вы заметите, что гальванометр будет указывать вправо, когда северный полюс магнита перемещается по направлению к катушке. Он указывает обратно на ноль, когда движение магнита прекращается. Если магнит отодвинуть от катушки, ток течет в противоположном направлении. Таким образом, гальванометр указывает налево.

Этот эксперимент показывает, что:

Относительное движение между магнитом и катушкой отвечает за производство тока в катушке.
Направление, которое указывает гальванометр, меняется на противоположное, если направление движения меняется на противоположное.

На основе эксперимента мы можем прийти к двум законам электромагнитной индукции.

Закон Фарадея
При изменении магнитного потока, связывающего катушку из металлической проволоки, возникает Э.Д.С. индуцируется. Закон индукции Фарадея гласит, что величина ЭДС индукции прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока. Другими словами, чем быстрее меняется магнитное поле, тем больше ЭДС индукции. будет.

Закон Ленца
Закон Ленца гласит, что направление ЭДС индукции а индуцированный ток в замкнутой цепи всегда противодействует изменению вызывающего его магнитного потока.

Электромагнитная индукция в генераторе переменного тока
В то время как электродвигатель представляет собой устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую, электрический генератор делает обратное. Он использует механическую энергию для выработки электричества с помощью электромагнитной индукции. Генератор переменного тока применяет закон электромагнитной индукции Фарадея, вращая катушку в магнитном поле, чтобы индуцировать ЭДС. между концами катушки.

Напряжение в проводе можно увеличить, перемещая провод быстрее, используя большую катушку или увеличивая силу магнитного поля. Увеличение числа витков катушки также создает больший ток в катушке.

Правило правой руки Флеминга можно использовать для определения направления индуцированного тока, протекающего по проводу. Согласно этому правилу, покажите большой, указательный и средний пальцы так, чтобы все 3 пальца были перпендикулярны друг другу. Учитывая, что ваш указательный палец указывает направление магнитного поля с севера на юг, большой палец будет указывать в направлении движения проводника, средний палец выровняется по направлению индуцированного тока.

Электронно-лучевой осциллограф
Электронно-лучевой осциллограф — это электронный дисплей, используемый для преобразования электрических сигналов в визуальные. Они используются в таких приложениях, как радиостанции, для наблюдения за передачей и приемом сигналов. Такие свойства, как напряжение, ток, частота и сопротивление, можно рассчитать с помощью измерений с помощью электронно-лучевого осциллографа.

Электронно-лучевой осциллограф обеспечивает точное измерение времени и амплитуды сигналов напряжения в широком диапазоне частот. Когда электронно-лучевой осциллограф подключен к генератору переменного тока, на экране можно увидеть волну. При увеличении скорости вращения генератора вдвое количество пиков на экране и амплитуда волны увеличатся вдвое.

Заключение
Теперь, когда вы лучше понимаете принципы электромагнитной индукции, вы можете исследовать другие интересные темы физики! Если вы ищете обучение по физике уровня O, чтобы преуспеть в своем классе, у нас есть лучшие преподаватели, готовые помочь вам! Запишитесь на уроки физики прямо сейчас!

Закон Фарадея и закон Ленца об электромагнитной индукции

Магнитная индукция – это эпоха электродвижущего давления вокруг электрического проводника в преобразующем магнитном поле. Индукция изменилась, наблюдаемая через Майкла Фарадея в 1831 году, и превратилась в официально описанную как фарадеевская регуляция индукции через Джеймса Клерка Максвелла. А правило Ленца описывает маршрут осажденного поля.

Электромагнитная индукция используется электрическими добавками, такими как катушки индуктивности и трансформаторы, а также устройствами, такими как электромобили и генераторы.

Законы индукции Фарадея

 

Согласно электромагнитной индукции, изменение магнитного поля вокруг электрической цепи приводит к возникновению тока в цепи. Сила магнитного поля или относительная скорость магнитного поля и электрической цепи являются факторами, влияющими на величину тока, индуцируемого в проводе.

Закон электромагнитной индукции Фарадея, также известный как закон электромагнетизма , отвечает за работу электрических генераторов, двигателей, трансформаторов и катушек индуктивности.

Первый эксперимент

 

Фарадей и Генри провели ряд экспериментов для лучшего понимания электромагнитной индукции.

В эксперименте используются стержневой магнит, катушка, присоединенная к цепи, содержащей провод, соединенный с гальванометром, и гальванометр. Когда магнит приближают к катушке северным полюсом, направленным к ней, гальванометр показывает отклонение. Отклонение катушки означает, что через нее протекает ток. Отклонение гальванометра сохраняется, пока движется магнит, и исчезает, как только магнит перестает двигаться. Когда магнит оттягивается от гальванометра, регистрируется отклонение, но в другом направлении, что свидетельствует об изменении направления тока.

Когда стержневой магнит оттягивали от катушки так, чтобы его южный полюс был обращен к катушке, эффекты были полярно противоположными.

Отклонение, возникающее в гальванометре при быстром перемещении магнита от катушки или к ней, велико, что обеспечивает большой объем протекающего тока. Аналогичные результаты достигаются, когда магнит удерживается неподвижно, а цепь перемещается ближе или дальше от него. В результате катушка генерирует электрический ток благодаря относительному движению катушки и магнита.

Второй эксперимент

 

Во втором эксперименте Фарадей и Генри заменили стержневой магнит другой электрической катушкой, подключенной к батарее, как показано на схеме ниже. Известно, что магнитное поле связано с движущимися электрическими зарядами. В результате непрерывного протекания тока через вторую катушку вокруг нее будет формироваться однородное магнитное поле. В гальванометре создается отклонение, когда вторая катушка перемещается к первой катушке, показывая протекание электрического тока через первую катушку. Отклонение прекращается, когда вторая катушка приходит в состояние покоя, а когда вторая катушка удаляется от первой катушки, направление отклонения восстанавливается. Аналогичные результаты были получены, когда вторую катушку оставили в покое, а первую катушку притянули к ней. Ток индуцируется в результате относительного движения между катушками.

Третий эксперимент

Как показано в первых двух тестах, электрический ток индуцируется всякий раз, когда происходит относительное движение между магнитом и катушкой или между двумя катушками. Фарадей, с другой стороны, в своем третьем эксперименте установил, что для протекания тока по катушке не требуется относительного движения. Для своего третьего эксперимента он использовал две катушки, одна из которых была подключена к гальванометру, а другая — к батарее и постукивающему ключу.

 

Цепь замыкается, ток течет через катушку, и замечается кратковременное отклонение гальванометра на первой катушке, когда две катушки сближены и нажата клавиша постукивания на второй катушке. При отпускании ключа происходит временное отклонение в противоположную сторону. Прогиб в гальванометре увеличивается, если вдоль оси катушек расположить железный стержень. Использование железного стержня увеличивает силу электромагнита. В результате величина тока, протекающего через катушку, увеличивается, что видно по увеличенному отклонению гальванометра.

Заключение из экспериментов

Три испытания привели Фарадея к заключению, что полный магнитный поток, связанный с катушкой, меняется всякий раз, когда катушка и магнитное поле перемещаются друг относительно друга. Осциллирующее магнитное поле будет генерировать напряжение на катушке. Электродвижущая сила генерируется на катушке за счет колебаний магнитного потока во времени.

Первый закон Фарадея

Первый закон электромагнитной индукции Фарадея гласит, что когда проводник помещается в колеблющееся магнитное поле, в проводнике возникает электродвижущее напряжение. Современный день доставляется примерно одновременно с замыканием этой цепи, и этот современный день называется доставленным примерно современным.

Ниже приведены некоторые методы изменения магнитного поля:

  1. Катушка обведена кружком, когда дело доходит до магнита.
  2. Регулируя роль катушки, когда речь идет о магнитном поле.
  3. Регулируя расположение катушки внутри магнитного поля.
  4. Путем перемещения магнита спереди или сзади катушки.

Второй закон Фарадея

Согласно второму закону Фарадея, количество ЭДС, генерируемой в электрической катушке, равно скорости изменения электрического потока, связанного с катушкой. Поток, связанный с катушкой, определяется произведением числа витков в катушке на поток, связанный с ней.

ЭДС катушки пропорциональна заряду переменного магнитного потока, проходящего через нее. Регулятор Фарадея может быть математически представлен как:

ε = –NdΦ/dt

, где

  • ε — генерируемая ЭДС,
  • Φ — магнитный поток, связанный с катушкой, а
  • Н — число витков. катушка.

Применение закона электромагнитной индукции Фарадея

  1. Этот регламент регулирует работу таких устройств, как трансформаторы и электродвигатели.
  2. Закон индукции Фарадея может помочь понять, как работает индукционная плита.
  3. Скорость потока жидкости можно измерить с помощью электромагнитного расходомера.

Закон Ленца

Генрих Ленц предложил правило Ленца в 1834 году. Фарадеевское регулирование электромагнитной индукции помогло нам понять, как большое электродвижущее давление возникает во всей цепи, а правило Ленца помогло нам понять, каким образом электрическое передовое лезвие становится течет. Согласно правилу Ленца, процесс создания переднего края внутри катушки противостоит варианту, который создает вызванную ЭДС. Чтобы расположить его каким-либо другим образом, передовой край будет нестись в полярно противоположном направлении потока, который его создает.

 

  • Первый опыт – Когда в цепи протекает ток в катушке, в первом эксперименте формируются силовые линии магнитного поля. По мере увеличения тока, протекающего через катушку, увеличивается и магнитный поток. Поток индуцированного тока будет в противоположном направлении по мере увеличения магнитного потока.
  • Второй эксперимент — Во втором эксперименте он пришел к выводу, что после того, как современная катушка намотана на железный стержень, а ее левый полюс перестает вести себя как N-полюс и перемещается к катушке S, может быть произведен сработавший модерн. .
  • Третий эксперимент — В третьем эксперименте связанная с ним катушка уменьшается по мере приближения ее миль к магнитному потоку, что означает, что близость катушки внутри магнитного объекта также уменьшается.

Правило Ленца предполагает, что движение катушки является антагонистическим, в то время как вызванная синхронность задана в пределах равного курса из-за движения катушки. Оказывая давление, магнит петли генерирует современника. Чтобы компенсировать изменение, современник должен наблюдать за давлением на магнит.

Формула закона Ленца

Когда изменение магнитного потока создает электромагнитное поле, полярность индуцированного электромагнитного поля создает индуцированный ток, магнитное поле которого противодействует начальному изменяющемуся магнитному полю, создавшему его, в соответствии с законом Ленца.

ε = –NdΦ B /dt

где,

  • ϵ = ЭДС индукции
  • dΦ 8 B 3 = 9 0 изменение магнитного потока в катушке

    84

Примеры вопросов

Вопрос 1. Первый закон штата Фарадея.

Ответ:

Когда проводник помещается в флуктуирующее магнитное поле, первый закон Фарадея гласит, что в проводнике возникает ЭДС, или электродвижущая сила.

Вопрос 2: Что такое закон электромагнитной индукции Ленца?

Ответ:

Направление индукционного тока в катушке таково, что он противостоит изменению, вызывающему ЭДС индукции, согласно закону Ленца.

Вопрос 3: Что такое вихревые токи и как можно использовать закон Ленца для их понимания?

Ответ:

Закон Ленца регулирует ток Эдди, который представляет собой слабый электрический ток. В проводниках он генерирует массивный петлевой ток, несмотря на то, что используется для обозначения малых токов. Когда проводник движется через магнитное поле, возникают электрические токи, что соответствует закону Ленца и противодействует эффекту движения, вызывающему магнитное демпфирование. Магнитные тормозные устройства, такие как американские горки, часто используют этот тип движения, при котором индуцированное поле действует против движения, посредством которого оно формируется.

Вопрос 4. Что такое второй закон Фарадея?

Ответ

Согласно второму закону Фарадея, величина ЭДС, возникающая в электрической катушке, равна скорости изменения электрического потока, связанного с катушкой. Поток, связанный с катушкой, определяется произведением числа витков в катушке на поток, связанный с ней.

ЭДС катушки пропорциональна скорости изменения магнитного потока, проходящего через нее. Закон Фарадея можно математически представить как:

ε=–NdΦ/dt

Вопрос 5: Что такое магнитный поток?

Ответ

Величина магнитного поля, проходящего через данную область, называется магнитным потоком. Это также известно как количество силовых линий магнитного поля, которые проходят через данное место. Тесла – это единица СИ для него. Для его вычисления используется скалярное произведение магнитного поля и вектора площади.

ϕ=B’⋅A’

Где
B’ — магнитное поле.
A’ — вектор площади.


Электромагнитная индукция: применение, метод, единицы измерения

Электромагнитная индукция — это процесс индуцирования электродвижущей силы путем перемещения проводника с зарядом (например, металлической проволоки) в магнитном поле. Когда электрический проводник движется через магнитное поле, он пересекает силовые линии магнитного поля, вызывая изменение магнитного поля.

При изменении магнитного потока (обозначается Φ), работа совершается в виде электрической энергии , создавая напряжение или электродвижущую силу через проводник.

Электромагнитная индукция возникает, когда электродвижущая сила генерируется в замкнутой цепи из-за переменного магнитного потока.

Магнитный поток — это измерение общего магнитного поля в данной области. Его можно описать как общее количество линий магнитного поля, пересекающих определенную область.

Обязательно ознакомьтесь с нашим пояснением по ЭДС и внутреннему сопротивлению.

Открытие электромагнитной индукции

Майкл Фарадей открыл закон индукции в 1831 году. Он провел экспериментальную процедуру, в ходе которой соединил батарею, гальванометр, магнит и проводник. Вы можете видеть это на рисунке 1.

Вот что обнаружил Фарадей в ходе своего эксперимента:

  • Когда он отключил батарею, не было протекания электрического тока, и в магните не индуцировался магнитный поток.
  • Когда он замкнул выключатель, переходный ток можно было наблюдать, протекающий через гальванометр. Фарадей назвал это «электрической волной».
  • Когда он разомкнул переключатель, измеренный ток быстро подскочил до противоположной стороны показаний, прежде чем вернуться к нулю.

В последующие месяцы Фарадей продолжил свои эксперименты, которые привели его к открытию других свойств электромагнитной индукции. Он наблюдал те же переходные токи, когда быстро перемещал стержневой магнит через катушку с проводами. Он также создал постоянный ток (постоянный ток) путем вращения медного диска рядом со стержневым магнитом с помощью скользящего электрического провода.

Фарадей обобщил свои выводы, используя понятие, которое он назвал «силовыми линиями». Когда переключатель был первоначально изменен с разомкнутого на замкнутый, магнитный поток внутри магнитного сердечника увеличился от нуля до максимального значения (которое было постоянным значением). При увеличении потока наблюдался индуцированный ток на противоположной стороне. Точно так же, когда переключатель был разомкнут, магнитный поток в сердечнике уменьшился бы от его постоянного максимального значения до нуля. Следовательно, уменьшающийся поток внутри сердечника индуцировал противоположный ток с правой стороны.

Эксперимент Фарадея по индукции тока магнитным полем (батарейка, железное кольцо и гальванометр), Wikimedia Commons

Закон электромагнитной индукции Фарадея

Фарадей наблюдал за результатами своего эксперимента и выражал свои наблюдения математически. Он заметил, что резкое изменение магнитного потока внутри магнита увеличилось от нуля до некоторого максимального значения. Так, при изменении потока на противоположной стороне создается индукционный ток .

Фарадей пришел к выводу, что изменяющийся магнитный поток в замкнутой цепи индуцирует электродвижущую силу или напряжение , что показано в уравнении ниже. В этом уравнении ε — электродвижущая сила (измеряется в вольтах), Φ — магнитный поток в цепи (измеряется в Вебере), N — число витков катушки, t — время (измеряется в секундах).

Из этого уравнения мы можем определить параметры, влияющие на магнитное поле: более сильный магнит (что влияет на магнитный поток), больше катушек (что влияет на N) и скорость, с которой движется провод.

Уравнение Максвелла-Фарадея

Уравнение Максвелла-Фарадея утверждает, что изменяющееся во времени магнитное поле создает пространственно изменяющееся электрическое поле и наоборот. Вы можете увидеть уравнение Максвелла-Фарадея ниже, где × — математический символ, обозначающий градиент электрического поля E, а B — магнитное поле. Оба поля являются функцией положения r и времени t.

Закон электромагнитной индукции Ленца

Наведенный ток в проводнике создаст магнитное поле. Направление тока будет таким, чтобы магнитное поле противодействовало первоначальным изменениям магнитного поля, вызвавшим ток. Это известно как закон Ленца.

Закон Ленца также математически выражается в приведенном ниже уравнении. Знак минус — это добавление закона Ленца к выражению Фарадея , чтобы показать, что направление индуцированной силы противоположно изменениям в магнитном поле.

Закон Ленца дополняет закон Фарадея, добавляя, что направление индуцированного тока будет препятствовать изменению магнитного поля.

Катушка с проволочными резисторами состоит из 20 витков. Магнитное поле изменяется от -5T до 3T за 0,5 секунды. Найдите ЭДС индукции в катушке.

Solution

В примере T означает тесла. Плотность магнитного потока в один Вб/м 2 равна одному тесла.

Правило правой руки Ленца

Направление индуцированного тока можно найти с помощью правила правой руки Ленца . Разгибаем пальцы так, чтобы они были взаимно перпендикулярны друг другу. Большой палец указывает на силу (F), указательный палец указывает направление магнитного поля (В), а средний палец указывает направление индукционного тока (I).

Рис. 2. Правило правой руки Ленца, Oğulcan Tezcan — StudySmarter Originals

Электромагнитная индукция и магнитная потокосцепление

Магнитная потокосцепление (ΦΝ) представляет собой произведение магнитного потока и числа витков в катушке.

Это видно из приведенного ниже уравнения, где Φ — магнитный поток (Вт), N — число витков, B — плотность магнитного потока (Тл), A — площадь поперечного сечения (м 2 ). Когда мы рассматриваем магнитный поток катушки, компонент N имеет решающее значение для расчета магнитной связи катушки.

ΦN = BAN

Мы рассчитываем полную магнитную связь, умножая магнитный поток на количество витков в катушке. Мы можем игнорировать член N, когда рассматривается магнитный поток данной области.

ΦN = BA

Применение электромагнитной индукции

Электромагнитная индукция очень важна, поскольку она позволяет генерировать электричество в замкнутом контуре. Электромагнитная индукция очень полезна в электрических генераторах, трансформаторах и двигателях. Наиболее известными приложениями электромагнитной индукции являются генератор переменного тока, электрический трансформатор и магнитный расходомер.

Электромагнитная индукция — Основные выводы

  • Электромагнитная индукция — это процесс индуцирования электродвижущей силы путем перемещения проводника, несущего заряд, в магнитном поле.
  • Майкл Фарадей открыл закон электромагнитной индукции. Этот закон гласит, что изменение магнитного потока в замкнутой цепи индуцирует электродвижущую силу или напряжение в цепи.
  • Закон Максвелла-Фарадея гласит, что изменяющееся во времени магнитное поле создает электрическое поле, изменяющееся в пространстве, и наоборот.
  • Магнитная потокосцепление (ΦΝ) представляет собой произведение магнитного потока и числа витков в катушке.
  • Электромагнитная индукция очень важна, поскольку она позволяет генерировать электричество в замкнутом контуре.

10.3 Закон электромагнитной индукции Фарадея | Электромагнетизм

Предыдущий

10.2 Магнитное поле, связанное с током

Следующий

10. 4 Краткое содержание главы

10.3 Закон электромагнитной индукции Фарадея (ESBPY)

Ток, индуцированный изменяющимся магнитным полем (ESBPZ)

В то время как неожиданное открытие Эрстедом электромагнетизма проложило путь к более практическим применениям электричество, именно Майкл Фарадей дал нам ключ к практическому производству электричества: электромагнитная индукция .

Фарадей обнаружил, что когда он подносил магнит к проводу, на нем возникало напряжение. Если бы магнит был удерживался неподвижно, никакого напряжения не генерировалось, напряжение существовало только во время движения магнита. Мы называем это напряжение ЭДС индукции (\(\mathcal{E}\)).

Контур цепи, подключенный к чувствительному амперметру, будет регистрировать ток, если он настроен так, как показано на этом рисунке, и магнит перемещается вверх и вниз:

Магнитный поток

Прежде чем мы перейдем к определению закона электромагнитной индукции Фарадея и примерам, нам сначала нужно провести некоторое время, наблюдая за магнитным потоком. Для петли площади \(A\) при наличии равномерного магнитное поле, \(\vec{B}\), магнитный поток (\(φ\)) определяется как: \[\фи = БА\cos\тета\] Где: \начать{выравнивать*} \theta & = \text{угол между магнитным полем B и нормалью к петле площади A}\\ A & = \text{площадь петли}\\ B & = \text{магнитное поле} \end{выравнивание*}

Единицей магнитного потока в системе СИ является вебер (Вб).

Вы можете спросить себя, почему угол \(\theta\) включен. Поток зависит от магнитного поля, которое проходит через поверхность. Мы знаем, что поле, параллельное поверхности, не может индуцировать ток, потому что оно не пройти через поверхность. Если магнитное поле не перпендикулярно поверхности, то есть составляющая которая является перпендикулярной и компонентой, которая параллельна поверхности. Параллельный компонент не может вклад в поток может вносить только вертикальная составляющая.

На этой диаграмме мы показываем, что магнитное поле под углом, отличным от перпендикулярного, может быть разбито на составные части. Компонент, перпендикулярный поверхности, имеет величину \(B\cos(\theta)\), где \(\theta\) угол между нормалью и магнитным полем.

temp text
Закон электромагнитной индукции Фарадея

ЭДС, \(\mathcal{E}\), возникающая вокруг контура проводника, пропорциональна скорости изменения магнитный поток φ через площадь контура A. Математически это можно выразить так:

\[\mathcal{E} = -N\frac{\Delta\phi}{\Delta t}\]

, где \(\phi =B·A\) и B — напряженность магнитного поля. \(N\) – количество контуров цепи. Магнитное поле измеряется в единицах тесла (Тл). Знак минус указывает направление и то, что индуцированное ЭДС стремится противодействовать изменению магнитного потока. Знак минус можно не учитывать при расчете величины.

temp text

Закон Фарадея связывает ЭДС индукции со скоростью изменения потока, которая является произведением магнитного поля и площадь поперечного сечения, через которое проходят силовые линии.

Это не площадь самого провода, а область, которую окружает провод. Это означает, что если согнуть проволоки в круг, площадь, которую мы будем использовать при расчете потока, — это площадь поверхности круга, а не провод.

На этом рисунке, где магнит находится в той же плоскости, что и петля цепи, тока не будет даже если бы магнит был перемещен ближе и дальше. Это связано с тем, что силовые линии магнитного поля не проходят через замкнутую область, но параллельны ей. Линии магнитного поля должны проходить через область, ограниченную петля цепи для индукции ЭДС.

Направление индуктивного тока (ESBQ2)

Самое важное, что нужно помнить, это то, что индуцированный ток противостоит любым происходящим изменениям.

На первом рисунке (слева) южный полюс магнита приближается к петле цепи. Величина поле от магнита увеличивается. Ответом от ЭДС индукции будет попытка сопротивляться полю к полюсу становится сильнее. Поле является вектором, поэтому ток будет течь в таком направлении, что поля, вызванные током, имеют тенденцию нейтрализовать поля от магнита, сохраняя результирующее поле прежним.

Чтобы противостоять изменению от приближающегося южного полюса сверху, ток должен привести к линиям поля, которые отойти от приближающегося полюса. Следовательно, индуцированное магнитное поле должно иметь силовые линии, идущие вниз. внутреннюю часть петли. Направление тока, указанное стрелками на контуре цепи, позволит достичь этого. Проверьте это, используя правило правой руки. Поместите большой палец правой руки в направлении одной из стрелок и обратите внимание что поле закручивается вниз в область, ограниченную петлей.

На второй диаграмме южный полюс удаляется. Это означает, что поле от магнита будет получать слабее. Реакцией на индуцированный ток будет создание магнитного поля, которое добавляется к существующему. от магнитного, чтобы сопротивляться его уменьшению в силе.

Еще один способ представить ту же функцию — использовать столбы. Чтобы противостоять приближающемуся южному полюсу тока индуцированное создает поле, похожее на еще один южный полюс со стороны приближающегося южного полюса. Подобно тому, как полюса отталкиваются, вы можете представить себе течение, создающее южный полюс, чтобы отразить приближающийся южный полюс. В на второй панели течение устанавливает северный полюс, чтобы притянуть южный полюс, чтобы остановить его удаление.

Мы также можем использовать вариант правила правой руки, помещая пальцы в направлении тока, чтобы направьте большой палец в направлении линий поля (или на северный полюс).

Мы можем проверить все это на примере северного полюса, приближающегося или удаляющегося от контура. Для В первом случае приближения к северному полюсу ток будет сопротивляться изменению, создав поле в противоположное направление полю от магнита, который становится сильнее. Используйте правило правой руки для подтверждения что стрелки создают поле с линиями поля, которые закручиваются вверх в замкнутой области, отменяя эти закручивается вниз от северного полюса магнита.

Подобно тому, как шесты отталкиваются, в качестве альтернативы проверьте, что, положив пальцы правой руки в направлении ток оставляет ваш большой палец вверх, указывая на северный полюс.

Для второй фигуры, где северный полюс удаляется, ситуация обратная.

Направление индукционного тока в соленоиде (ESBQ3)

Подход для определения направления тока в соленоиде аналогичен подходу, описанному выше. Единственное отличие состоит в том, что в соленоиде есть несколько витков проволоки, поэтому величина наведенного ЭДС будет другой. Поток можно рассчитать, используя площадь поверхности соленоида, умноженную на количество петель.

Помните: направления токов и связанных с ними магнитных полей можно найти с помощью только Правило правой руки. Когда пальцы правой руки направлены в сторону магнитного поля, большой палец указывает направление течения. Когда большой палец направлен в сторону магнита поле, пальцы указывают в направлении тока.

Направление тока будет препятствовать изменению. Мы будем использовать настройку, как в этом скетче, чтобы сделать тест:

В случае, когда северный полюс подведен к соленоиду, ток будет течь так, что северный полюс установленный на конце соленоида, ближайшем к приближающемуся магниту, чтобы оттолкнуть его (проверьте с помощью правого Ручное правило):

В случае, когда северный полюс удаляется от соленоида, ток будет течь так, что южный полюс устанавливается на конце соленоида, ближайшем к удаляющемуся магниту, для его притяжения:

В случае, когда южный полюс удаляется от соленоида, ток будет течь так, что северный полюс устанавливается на конце соленоида, ближайшем к удаляющемуся магниту, для его притяжения:

В случае, когда южный полюс подведен к соленоиду, ток будет течь так, что южный полюс будет устанавливается на конце соленоида, ближайшем к приближающемуся магниту, для его отражения:

temp text

Простой способ создать магнитное поле с изменяющейся интенсивностью — переместить постоянный магнит рядом с проводом или проводом. моток проволоки. Магнитное поле должно увеличиваться или уменьшаться по интенсивности перпендикулярно проводу (так что силовые линии магнитного поля «пересекают» проводник), иначе не будет индуцироваться напряжение.

Индуцированный ток создает магнитное поле. Наведенное магнитное поле имеет направление, которое стремится к компенсировать изменение магнитного поля в петле провода. Таким образом, вы можете использовать правило правой руки, чтобы найти направление индуцированного тока, помня, что индуцированное магнитное поле противоположно по направлению к изменению магнитного поля.

Индукция

Электромагнитная индукция находит практическое применение в конструкции электрических генераторов, использующих механическая сила для перемещения магнитного поля мимо катушек провода для создания напряжения. Однако это отнюдь не единственное практическое применение этого принципа.

Если мы помним, магнитное поле, создаваемое проводом с током, всегда перпендикулярно проводу, и что интенсивность потока этого магнитного поля зависит от количества тока, проходящего через него. Мы поэтому можно видеть, что провод способен индуцировать напряжение по собственной длине если ток меняется. Этот эффект называется самоиндукцией . Самоиндукция – это когда переменное магнитное поле производится изменением тока через провод, индуцируя напряжение по длине того же провода.

Если магнитный поток усиливается за счет сгибания проволоки в виде катушки и/или наматывания этой катушки вокруг материала с высокой проницаемостью этот эффект самоиндуцируемого напряжения будет более интенсивным. Устройство созданный для использования этого эффекта, называется индуктор .

Помните, что индуцированный ток создаст магнитное поле, противодействующее изменению магнитного потока. Это известно как закон Ленца.

Рабочий пример 1: Закон Фарадея

Рассмотрим плоскую квадратную катушку с 5 витками. Катушка имеет размер \(\text{0,50}\) \(\text{m}\) с каждой стороны и имеет магнитное поле \(\text{0,5}\) \(\text{T}\), проходящее через него. Плоскость катушки перпендикулярна магнитное поле: поле направлено за пределы страницы. Используйте закон Фарадея для расчета ЭДС индукции, если магнитное поле равномерно увеличивается от \(\text{0,5}\) \(\text{T}\) до \(\text{1}\) \(\text{T}\) в \(\text{10}\) \(\text{s}\). Определить направление индукционного тока.

Определите, что требуется

Мы должны использовать Закон Фарадея для расчета ЭДС индукции.

Запишите закон Фарадея

\[\mathcal{E}=-N\frac{\Delta\phi}{\Delta t}\] Мы знаем, что магнитное поле направлено под прямым углом к ​​поверхности и, таким образом, выровнено с нормалью. Это означает нам не нужно беспокоиться об угле, который поле образует с нормалью и \(\phi=BA\). Старт или начальное магнитное поле, \(B_i\), задается как окончательная величина поля, \(B_f\). Мы хотим определить величина ЭДС, поэтому мы можем игнорировать знак минус. 92(\текст{1} – \текст{0,50})}{\текст{10}} \\ &=\текст{0,0625}\текст{В} \конец{выравнивание*}

Индуцированный ток направлен против часовой стрелки, если смотреть со стороны возрастающего магнитного поля.

Рабочий пример 2: Закон Фарадея

Рассмотрим соленоид из 9 витков неизвестного радиуса \(r\). На соленоид действует магнитное поле \(\text{0,12}\) \(\text{T}\). Ось соленоида параллельна магнитному полю. Когда поле равномерно переключается на \(\text{12}\) \(\text{T}\) в течение 2 минут ЭДС величиной \(-\text{0,3}\) \(\text{V}\) индуцируется. Определить радиус соленоида.

Определите, что требуется

Нам необходимо определить радиус соленоида. Мы знаем, что связь между индуцированным ЭДС и поле подчиняются закону Фарадея, который включает в себя геометрию соленоида. Мы можем использовать это соотношение для нахождения радиуса.

Запишите закон Фарадея

\[\mathcal{E}=-N\frac{\Delta\phi}{\Delta t}\] Мы знаем, что магнитное поле направлено под прямым углом к ​​поверхности и, таким образом, выровнено с нормалью. Это означает нам не нужно беспокоиться об угле, который поле образует с нормалью и \(\phi=BA\). Начальный или начальное магнитное поле, \(B_i\), задается как окончательная величина поля, \(B_f\). Можем скинуть минус знак, потому что мы работаем только с величиной ЭДС. 9{-\text{2}}\) \(\text{m}\). соленоид подвергается воздействию переменного магнитного поля, которое равномерно изменяется от \(\text{0,4}\) \(\text{T}\) до \(\text{3,4}\) \(\text{T}\) в интервале \(\text{27}\) \(\text{s}\). Ось соленоида делает угол \(\text{35}\)\(\text{°}\) к магнитному полю. Найдите ЭДС индукции.

Определите, что требуется

Мы должны использовать Закон Фарадея для расчета ЭДС индукции.

Запишите закон Фарадея

\[\mathcal{E}=-N\frac{\Delta\phi}{\Delta t}\] Мы знаем, что магнитное поле направлено под углом к ​​нормали к поверхности. Это означает, что мы должны учитывать угол, который поле образует с нормалью и \(\phi=BA\cos(\theta)\). Стартовый или начальный магнитный поле, \(B_i\), задается как окончательная величина поля, \(B_f\). Мы хотим определить величину ЭДС, поэтому мы можем игнорировать знак минус. 9{-\текст{3}}\текст{В} \конец{выравнивание*}

Индуцированный ток направлен против часовой стрелки, если смотреть со стороны возрастающего магнитного поля.

временный текст

Моделирование: 23ZW

Реальные приложения

Следующие устройства используют закон Фарадея в своей работе.

  • индукционные плиты

  • магнитофон

  • металлоискатели

  • трансформаторы

Применение закона Фарадея в реальной жизни

Выберите одно из следующих устройств и поищите в Интернете или в библиотеке, как работает ваше устройство. работает. Вам нужно будет обратиться к закону Фарадея в вашем объяснении.

  • индукционные плиты

  • магнитофон

  • металлоискатели

  • трансформаторы

Закон Фарадея

Учебник Упражнение 10.2

Сформулируйте закон Фарадея об электромагнитной индукции словами и запишите математическое соотношение.

ЭДС, \(\mathcal{E}\), создаваемая вокруг контура проводника, пропорциональна скорости изменения магнитного потока φ через площадь контура A. Это можно сформулировать математически как:

\[\mathcal{E} = -N\frac{\Delta\phi}{\Delta t}\]

где \(\phi =B·A\) и B — напряженность магнитного поля. \(N\) – количество цепей петли. Магнитное поле измеряется в единицах тесла (Тл). Знак минус указывает направление и что ЭДС индукции стремится противодействовать изменению магнитного потока. Знак минус можно игнорировать при вычислении величин.

Опишите, что происходит, когда стержневой магнит вставляется или вытягивается из соленоида, соединенного с амперметр. Нарисуйте картинки, подтверждающие ваше описание.

В случае, когда северный полюс подведен к соленоиду, ток будет течь так, что северный полюс устанавливается на конце соленоида, ближайшем к приближающемуся магниту, чтобы оттолкнуть его (проверьте с использованием правила правой руки):

В случае, когда северный полюс удаляется от соленоида, ток будет течь так, что южный полюс устанавливается на конце соленоида, ближайшем к удаляющемуся магниту, чтобы притягивать его:

В случае, когда южный полюс удаляется от соленоида, ток будет течь так, что северный полюс устанавливается на конце соленоида, ближайшем к удаляющемуся магниту, чтобы притягивать его:

В случае, когда южный полюс приближается к соленоиду, ток будет течь так, что полюс устанавливается на конце соленоида, ближайшем к приближающемуся магниту, чтобы отталкивать его:

Объясните, как магнитный поток может быть равен нулю, когда магнитное поле не равно нулю.

Поток связан с магнитным полем:

\(\фи = БА \cos\тета\)

Если \(\cos \theta\) равно 0, то магнитный поток будет равен 0, даже если есть магнитное поле. В этом случае магнитное поле параллельно поверхности и не проходит через нее.

Используйте правило правой руки, чтобы определить направление индуцированного тока в соленоиде ниже.

К соленоиду приближается южный полюс магнита. Закон Ленца говорит нам, что ток будет течь чтобы противостоять изменениям. Южный полюс на конце соленоида будет противодействовать приближающемуся югу. столб. Ток будет циркулировать по странице в верхней части катушки, так что большой палец правой рука указывает налево.

Рассмотрим круглую катушку из 5 витков радиусом \(\text{1,73}\) \(\text{м}\). Катушка подвергается к переменному магнитному полю, которое равномерно изменяется от \(\text{2,18}\) \(\text{T}\) до \(\text{12,7}\) \(\text{T}\) с интервалом \(\text{3}\) \(\text{минуты}\). {2} & = \текст{0,0479} \\ г & = \текст{0,22}\текст{м} \end{align*}

Найдите изменение потока, если ЭДС равна \(\text{12}\) \(\text{V}\) за период \(\text{12}\) \(\текст{ы}\).

\begin{выравнивание*} \mathcal{E} &= N\frac{\Delta\phi}{\Delta t} \\ 12 & = 5 \ влево ( \ гидроразрыва {\ Delta \ phi} {12} \ вправо) \\ \Дельта\фи & = \текст{28,8}\текст{Wb} \end{align*}

Если угол изменить на \(\text{45}\)\(\text{°}\), какой временной интервал должен быть изменить на , чтобы ЭДС индукции осталась прежней?

\начать{выравнивать*} \mathcal{E} &= N\frac{\Delta\phi}{\Delta t} \\ & = N\frac{\phi_{f} – \phi_{i}}{\Delta t} \\ & = N\frac{B_{f}A\cos\theta – B_{i}A \cos\theta}{\Delta t} \\ & = \cos\theta \times N\frac{B_{f}A – B_{i}A}{\Delta t} \конец{выравнивание*}

Все значения остаются одинаковыми между двумя описанными ситуациями, за исключением угла и время. Мы можем приравнять уравнения для двух сценариев:

\начать{выравнивать*} \mathcal{E}_1 &= \mathcal{E}_2 \\ \cos\theta_1 \times N\frac{B_{f}A – B_{i}A}{\Delta t_1} & = \cos\theta_2 \times N\frac{B_{f}A – B_{i}A}{\Delta t_2} \\ \cos\theta_1 \frac{1}{\Delta t_1} & = \cos\theta_2 \frac{1}{\Delta t_2} \\ \Delta t_2 & = \frac{\Delta t_1 \cos\theta_2}{\cos \theta_1} \\ \Delta t_2 & = \frac{(\text{12} \cos(\text{45}}{\cos(\text{23})} \\ \Дельта t_2 & = \text{9,22}\text{ с} \конец{выравнивание*}

Предыдущий

10.2 Магнитное поле, связанное с током

Оглавление

Следующий

10. 4 Краткое содержание главы

Электромагнитная индукция

Электромагнитная индукция

Основные термины

вихревые токи
Закон Фарадея-Генри
генератор
катушки индуктивности
трансформатор

А великое открытие…

Около 1830 года Майкл Фарадей и Джозеф Генри независимо друг от друга открыли явление, известное как электромагнитная индукция. Они обнаружили, что вы может индуцировать токи для движения в проводе при определенных условиях в магнитном поле. поле.

 В этой анимации сила магнитного поля меняется со временем. (анимация).

Они обнаружили, что ток будет течь в замкнутом контуре провода при условии, что провод был окружен меняющимся магнитным полем. Это известно как Закон Фарадея-Генри . Электромагнитная индукция принцип работы электрического генератора и силовых трансформаторов . .. вещи, которые мы рассматриваем в этом разделе.

На самом деле в проводе может быть наведен электрический ток (в замкнутой цепи) просто перемещая его поперек магнитного поля.

 В этой анимации провод перемещает через постоянное магнитное поле. (анимация).

В этом примере провод (который должен быть частью замкнутой цепи) перемещается мимо магнита. В процессе движения в провод. Когда провод перестает двигаться, ток прекращается.

Суть в том, что вы можете заставить ток течь в проводе, если:

  1. провод находится в изменяющемся магнитном поле
  2. провод движется через магнитное поле

Однако, если провод просто находится в постоянном магнитном поле… ничего бывает!

Нажмите ссылка 3.4.a, чтобы увидеть апплет Java.
Нажмите ссылка 3.4.b, чтобы увидеть другой апплет Java.

Идея звучит примерно так: у каждого магнита есть силовые линии (или магнитные поля). линии), уходящие в пространство. Эти линии соединяют северный (N) полюс магнита к южному (S) полюсу того же магнита. Вы, возможно, видели демонстрация в начальной школе, где металлические опилки рассыпают возле магнита, чтобы показать этот эффект (см. изображение ниже).

 

 

Предоставлено Викисклад

 

 

 

 

Предоставлено Викисклад

 

 

Если провод перемещается так, что он «пересекает» эти линии, свободные электроны в провода получают «толчок», который заставляет их двигаться. Это представляет собой электрический ток. Вы должны увидеть, что вы получите тот же эффект, если провод неподвижен, а магнитное поле становится сильнее или слабее. Либо Таким образом, силовые линии магнитного поля «пересекают» провод.

Использование индукции

Пример 1 – Электрогитары работают на принципы индукции. Прямо под каждой гитарной струной находится небольшой магнит. Вибрация гитарной струны изменяет магнитное поле вокруг магнит (заставляя силовые линии раскачиваться в пространстве). Катушка проволоки, обернутая вокруг магнита, чувствует эти изменения. в магнитном поле… и в них индуцируются электрические токи. Этот сигнал поступает на усилитель. Зажигай, чувак!

Пример 2 – Задумывались ли вы, как эти крошечные одометры и спидометры работают на велосипеде? К колесу прикреплен постоянным магнитом, а вдоль рамы закреплена крошечная катушка проволоки, так что каждый пока колесо вращается, катушка движется мимо магнита. Это вызывает крошечные электрические токи, которые считываются микроконтроллером… который преобразует синхронизация импульсов со скоростью велосипеда (сначала одометр должен знать размер велосипедной шины для ее калибровки). Тот же принцип можно использовать в вашем автомобиле, чтобы определить его скорость, если ваш автомобиль оснащен цифровым одометром.

Например, предположим, что время между импульсами составляет 0,4 секунды на Велосипедная шина диаметром 27 дюймов (колесо вращается каждые 0,4 секунды). Простой преобразование показывает, что этот велосипед движется со скоростью 12 миль в час (не беспокойтесь, если вы не можете математика, микроконтроллер может сделать это легко). Примечание: датчик Холла (описано в последнем разделе) также можно использовать для того же.

Пример 3 – Рассмотрим две анимации ниже. В первом случае магнит движется по катушкам медленно. скорость, и результирующий индуцированный ток низок. Однако, если магнит движется быстро через катушку, индукционный ток в катушке намного выше.

 

Медленно движущийся магнит                                                                             Быстро движущийся магнит (анимация)

Поскольку величина наведенного тока зависит от скорости движущегося магнит, такое расположение является полезным инструментом для определения скорости любого движущегося объект. Все, что нужно сделать инженеру, это убедиться, что движущийся объект имеет магнит, прикрепленный к нему, и магнит находится в состоянии индуцировать токи в моток проводов.

Электрические генераторы

Приведенные ниже системы поразительно похожи на двигатели, представленные в последней раздел. Им следует! Электрический генератор – это электродвигатель, вращающийся назад. Это похоже на обсуждение водяного колеса и насос. Как вы помните, в случае с водяным колесом колесо получает энергии падающей воды и поэтому начинает вращаться. Насос тоже есть колесо, но в данном случае прялка доставляет энергии в жидкости… создают перепады давления и заставляют воду течь. Ан электродвигатель (как и водяное колесо) имеет якорь, который вынужден вращаться когда ток подается по проводу, и соответствующее ему магнитное поле взаимодействует с постоянным магнитом. Электрический генератор (например, водяной насос) имеет якорь, который, когда заставит вращаться в магнитном поле, индуцировать токи, протекающие по проводу. Другими словами:

Двигатель, преобразующий электрическую энергию в кинетическую энергию вращения … а генератор преобразует кинетическую энергию вращения в электрическую энергию!

Идея проста: вы можете заставить ток течь по проводу, если провод находится в изменяющемся магнитном поле. Вращающаяся арматура «видит» постоянные внешние магниты как изменяющееся поле, поэтому индуцируется ток в проводах якоря. Спасибо, Майкл Фарадей и Джозеф Генри.

Генераторы переменного тока

На изображении ниже показан простой генератор переменного тока. Так как арматура (петля проволока) вынуждена вращаться во внешнем магнитном поле, индуцируется ток течь внутри проволоки. Однако, когда якорь поворачивается на 180 градусов, направление тока меняется на противоположное …. создавая переменный ток (переменный ток).

Простой генератор переменного тока.

Щелкните ссылку 3.4.c за отличную демонстрацию

Генераторы постоянного тока

Генератор постоянного тока (постоянного тока) работает почти так же, но требует немного настроить. Как предотвратить изменение направления тока при якорь вращается на 180 градусов??? Просто… спроектируйте переключатель в системе. Этот переключатель имеет форму разъемного кольца, которое действует как коммутатор. Щетки (которые остаются неподвижными) сохраняют электрический контакт с вращающимся коммутатор. Когда якорь поворачивается на 180 градусов, этот переключатель автоматически удерживает ток в том же направлении.

 

Генератор постоянного тока (анимация)

 

Нажмите ссылка 3.4.d, чтобы увидеть Java-апплет генератора переменного тока и нажмите ссылка 3.4.e, чтобы увидеть Java-апплет генератора постоянного тока. Нажмите ссылка 3. 4.f для демонстрации генераторов переменного и постоянного тока

Претворение этой идеи в жизнь

В детстве мне подарили небольшой генератор, прикрепленный к моему велосипеду. По щелкнув рычагом, металлический цилиндр вступит в физический контакт с колесом. При езде на велосипеде трение о колесо заставит цилиндр вращаться. и засиял бы свет. Никаких батареек! Я был поражен (и зацепил с тех пор физика). В вашем автомобиле есть генератор, работающий от вентилятора. ремень подключен к вашему двигателю. Пока ваша машина работает, у вас есть все электричество, которое вам нужно, чтобы контролировать все (в том числе достаточно для зарядки аккумулятор для следующего запуска автомобиля). Примечание: Генератор на выходе переменный ток, но, поскольку автомобиль работает от постоянного тока, эту мощность необходимо преобразовать (напротив инвертора). В старых автомобилях использовались генераторы, которые работали на тот же принцип, но имел выход постоянного тока.

Электричество в вашей газонокосилке вырабатывается магнето (ссылка) 3.4.ж). Вы можете найти магнето в большинстве газовых инструментов для газонов, таких как цепь. пилы и травоядные. Магнето обеспечивает электричество, используемое для Свечи зажигания. К маховику прикреплен очень сильный магнит. двигатель. Каждый раз, когда вам нужно электричество для свечи зажигания, магнит вращается мимо магнето, которое постоянно прикреплено к раме. Это устройство состоит из катушки «первичных» проводов. Как известно, когда магнит движется мимо В этих проводах индуцируется ток (закон Фарадея-Генри). Однако, напряжение в этих проводах слишком низкое, чтобы искрить свечи зажигания, поэтому другой шаг нужен. Вам не придется долго ждать. Обсуждение Трансформеры не за горами.

Энергетическая компания

Электричество, вырабатываемое электростанциями в США, имеет переменный ток с частотой 60 Гц… ток проходит через 60 «циклов» триггеров каждую секунду. «Среднее» напряжение составляет 110-120 вольт. МЫ энергии снабжает район Милуоки электричеством. У них огромные генераторы которые должны быть раскручены каким-то внешним источником. Электростанция Ок-Крик сжигает уголь для получения пара высокого давления. Это движется через турбину (точно так же, как вода вращает водяное колесо). Электростанция Пойнт-Бич производит пар с теплом, выделяемым ядерным реактором. Тем не менее самый дешевый и чистый способ крутить колесо – это использовать гидроэлектроэнергию… возобновляемый. К сожалению, только северо-западная часть Тихого океана (Вашингтон и Орегон) имеет достаточное количество осадков и рельеф (перекрыть большое количество воды), что означает, что только гидроэлектроэнергия становится возможным в этом регионе.

Трансформаторы

Электричество в вашем доме 110-120 вольт переменного тока. Не все устройства могут сделать использование электроэнергии в этом виде. Многие устройства в доме требуют низкой напряжение (переменного или постоянного тока) ток для правильной работы. В другом примере искра штепсельные вилки в вашем автомобиле требуют напряжения в диапазоне 30 000–40 000 вольт, но у тебя аккумулятор всего 12 вольт. Трансформеры делают все это возможным. В большинстве домов есть такие крошечные черные ящики, которые вы подключаете к стене, чтобы преобразовать энергию … это трансформаторы… так и катушка зажигания в вашем автомобиле.

Держу пари, у тебя дома много таких трансформеров!

Как все это работает?

Трансформаторы используют закон Фарадея-Генри. Трансформатор имеет два наборы проводов, первичная катушка и вторичная катушка . два набора катушек (первичная и вторичная) находятся в непосредственной близости друг от друга (но не подключен физически). Обе катушки обычно намотаны на железный стержень, помогающий концентрировать магнитные поля и снижать потери мощности; Однако, железный стержень не необходимо, чтобы заставить его работать.

Базовый трансформатор А

Основной задачей трансформатора является регулировка напряжения (в вторичная катушка) в соответствии с применением. Они работают, потому что источник ток в первичной обмотке переменный (переменный ток). Трансформеры делают использование электромагнитной индукции, но давайте замедлимся и рассмотрим это в большом подробно, потому что это очень важно.

Почему работает трансформатор:

  • Провод с током создает магнитное поле вокруг провода. Это простой электромагнит. Нам нужен ток, чтобы течь в первичной катушка для создания магнитного поля.
  • Если ток в первичной обмотке стабилен, то же самое происходит и с окружающим магнитным полем. поле вокруг катушки. Это бесполезно! Нам нужна смена магнитное поле, чтобы сделать эту работу.
  • Когда мы используем переменный ток в первичной обмотке, он генерирует изменяющийся магнитное поле, сосредоточенное железным сердечником. Это магнитное поле нарастает и спадает с той же частотой, что и линейный ток в первичная – 60 раз в секунду.
  • Вторичная катушка «чувствует» это изменяющееся магнитное поле.
  • Теперь во вторичной обмотке индуцируются токи. по закону Фарадея-Генри. … переменные токи должны быть точный. Это трансформатор.
  • Напряжение и сила тока во вторичной обмотке задаются количеством обмотки провода у вас есть (сколько раз проволока обернута вокруг магнит) относительно количества витков в первичной обмотке. Если оба первичная и вторичная катушки имеют одинаковое количество обмоток, вы в основном Ничего не сделал. Если вы хотите более высокое напряжение во вторичной обмотке, просто сделайте уверен, что в этой катушке больше обмоток, чем в первичной катушке.

Точное выходное напряжение (и сила тока) определяется в основном соотношением витков в каждой катушке. Однако, вы никогда не получите что-то бесплатно. Должен быть компромисс. В случае трансформатор, вы в основном обмениваете вольты на амперы (или наоборот). То есть, если вы хотите получить более высокое напряжение во вторичной обмотке, вы обнаружите, что имеют меньшую силу тока (по сравнению с первичной катушкой).

В каком-то смысле трансформатор можно представить как «электрический» рычаг. Ты вспомните, что рычаг позволяет создавать большую силу (на коротком расстоянии) за счет обеспечивая гораздо меньшую силу на гораздо большем расстоянии. Рычаг не создает никакой энергии, так как работа на входе = работа на выходе. Трансформатор работает так же, но с электроэнергией. Электрическая мощность является произведением напряжение, умноженное на ток:

Электрическая мощность = вольт * ампер

или P = V * I

Если одно количество увеличивается, другое уменьшается.

Если во вторичной обмотке больше витков, чем в первичной, трансформатор называется « повышающий трансформатор », что означает напряжение повышено. вторичный может имеют в 10 раз большее напряжение (по сравнению с первичным), но будут выдавать только 1/10 силы тока (без учета потери тепла).

Выезд ссылка 3.4.h и ссылка 3.4.i, чтобы увидеть несколько отличных апплетов Java.

Беспроводная передача энергии? Ещё бы! У вас может быть электрическая зубная щетка (см. ниже), которая, кажется, никогда не нуждается в подзарядке. Все вам нужно поместить его в док-станцию, и он будет работать вечно??? Однако, док-станцию ​​еще нужно подключить к стене. Так что же все это о? Это не что иное, как трансформер. Док-станция имеет витки проводов, встроенные в основание, по которым течет ток. Базовые катушки представляют собой первичные обмотки трансформатора. вторичные провода встроены в основание самой зубной щетки. В течение при стыковке изменяющиеся магнитные поля в базовом блоке вызывают протекание токов в вторичные обмотки в щетках. Эти индуцированные токи заряжают маленькая батарея. Эта технология прижилась в устройстве, известном как Splashpower. для подзарядки многих типов устройств, используя одну и ту же идею (включая новейшие айфон).

 

Электроэнергия для вашего дома

В электрической компании на первичную обмотку подается напряжение 110-120 вольт переменного тока (среднее) от генераторов. Повышающий трансформатор преобразует это в высокий напряжение … которое отправляется в удаленные места. На подстанции а серия понижающих трансформаторов в конечном итоге преобразует это обратно в 110-120 вольт. (иметь в виду).

Томас Эдисон (1847-1931) пытался провести электричество в домах Нью-Йорка. Город в 1882 году. Он использовал постоянный ток (DC), но обнаружил, что потери мощности, когда он пытался передавать электричество на большие расстояния. Этот в результате такого высокого тока (много ампер) в проводах передачи, что потери на электрическое сопротивление были чрезмерными. решение пришло в виде переменного тока (AC), потому что повышающие трансформаторы были способен преобразовывать более низкое напряжение – большую силу тока в высокое напряжение – низкую мощность ампер. Это позволило передавать электроэнергию на большие расстояния. с гораздо меньшими потерями мощности на тепло. Эти возвышающиеся линии электропередачи на выходе из электростанций может быть до 500 000 вольт (ссылка 3. 4.к). Когда-то рядом с домами понижающие трансформаторы снова может быть использован для преобразования высокого напряжения с малой силой тока обратно в годная к употреблению форма. Эта идея принадлежит сербско-американскому изобретателю Николе. Тесла (1856-1919 гг.)43) и Джорджа Вестингауза (1846–1914). я только что прочитал книга под названием Последние дни ночи (ссылка 3.4.k), в котором рассказывалось о битвах Эдисона, Теслы и Вестингауза. должен был установить стандарт на поставку электричества в наши дома. Вы уже знаете результат – AC выиграли эту битву.

Если интересно, читайте ссылка 3.4.l статья, чтобы увидеть, как электричество распределяется от электростанции к твой дом.

GFCI — прерыватели замыкания на землю

Электрические розетки в вашем доме подключены к 2 проводам (давайте пока забудем о зеленом «земляном» проводе). Черный провод “горячий” … это означает, что он несет 120 вольт (в среднем) переменного тока по отношению к белый или «нейтральный» провод. Когда вы используете прибор (называемый «нагрузкой»), переменный ток течет как по черному, так и по белому проводу.

Электрическое короткое замыкание (анимация)

При случайном прикосновении к черному «горячему» проводу можно получить потенциально смертельный шок, потому что теперь вы становитесь «грузом», когда ваши ноги находятся в контакта с нейтральной землей. Чтобы предотвратить этот сценарий, большинство торговых точек в ванные комнаты или бассейны защищены прерывателем цепи замыкания на землю или GFCI коротко. Эти устройства умеют следить за током в черном «горячий» провод, а также ток, протекающий по белому «нейтральному» проводу. Под нормальные условия, эти токи должен быть точно таким же, как . Однако, если вы уроните фен в воду, ток потечет прямо к земля (и обход белого провода). Датчик определяет наличие дисбаланс между токами в черном и белом проводах, и что-то неправильно… поэтому он быстро активирует электромагнит, чтобы остановить поток во всех провода. Но задумывались ли вы когда-нибудь, как сенсор способен это ощущать? Текущий дисбаланс?

Сначала вы окружаете небольшой участок черного (горячего) провода моток проволоки. Когда по этому «горячему» проводу течет переменный ток, он автоматически создают изменяющееся магнитное поле, которое вызывает протекание токов в этой окружающей катушке. То же самое можно сказать и о текущей в белый «нейтральный» провод. Хитрость здесь заключается в том, чтобы направить ток в оба провода, поэтому поток движется в противоположных направлениях (как автомобили, движущиеся по противоположные направления на двухполосном шоссе). В нормальных условиях работы, магнитные поля обоих проводов компенсируют друг друга, и никакие токи индуцируются в этой соседней катушке. Однако, если ток течет через ваше тело, она течет по «горячему» проводу, а не по белому нулевому проводу. Это мгновенно возбудит ток в соседней катушке … который возбуждает электромагнит. .. который размыкает все цепи.

Катушки индуктивности

Катушка индуктивности — это просто электромагнит (или трансформатор без вторичной обмотки). катушка, но теперь железный сердечник является необходимым компонентом). Когда через катушку пропускают переменный ток, происходит интересное. В железе возникают небольшие «вихревые токи». основной.

Индуктор (анимация)

Эти «вихревые токи» индуцируют токи в исходной катушке! Электрики называют это «обратной ЭДС»… это потому, что индукционный ток находится в направлении, противоположном тому, которое первоначально произвело его. Этот эффект присутствует во всех двигателях и трансформаторах… но мы проигнорировали это к этому моменту. Однако некоторые устройства полагаются на “обратную ЭДС”, чтобы сделать они работают.

Для ясности давайте пройдемся по шагам здесь, потому что это немного сложно:

  • Если токи в катушке устойчивы… ничего не происходит, потому что соответствующее магнитное поле не меняется.
  • Если ток в катушке возрастает или падает (как при переменном токе), магнитный поле растет и схлопывается соответственно.
  • Свободные электроны в железном стержне «чувствуют» эти изменяющиеся магнитные поля и индуцируется течением. Только проводов действительно нет… они просто бегают по кругу в кругах внутри железного стержня (вихревые токи).
  • Эти вращающиеся электроны действуют точно так же, как провода, движущиеся по катушке… то есть, они создают собственное магнитное поле.
  • Это магнитное поле нестабильно. По мере того как эти вихревые токи усиливаются и ослабевают, создаваемое ими магнитное поле также увеличивается и уменьшается.
  • Теперь катушка «чувствует» этот эффект, и внутри нее индуцируются новые токи. катушка… только они в обратном направлении от токов, которые начал все это дело. Вот почему они называются «обратной ЭДС». (для электродвижущей силы).

Еще одна вещь, о которой следует помнить, это тот факт, что все это процесс представляет собой преобразование форм энергии. то есть электрическая энергия преобразуется в магнитную энергию, а затем обратно в электрическую энергию. Помните маятник? Когда мы изучаем, как работает радио (и другие средства беспроводной передачи), мы вернуться к этому примеру.

Металлоискатели используют принципы индукции, чтобы помочь вам найти клад (они также используются на светофорах, чтобы определить, находится ли машина на перекресток). Это потому, что закопанные монеты (или ваша машина) действуют как железный сердечник … через который «вихревые токи» могут инициировать «обратную ЭДС» к катушка, с которой все началось. Этот обратный ток улавливается и сообщает вам что ты разбогател!

Готовится индукционная петля на будущей полосе левого поворота

Индукционные петли, скорее всего, находятся под большинством окон для проезда… подача серверу сигнала о том, что автомобиль ждет.

Инструмент аналогичный к металлоискателю используется для обнаружения небольших трещин напряжения в каркасе самолеты.

Оставить комментарий