Индукция эл магнитная: Электромагнитная индукция. | Объединение учителей Санкт-Петербурга

Содержание

Электромагнитная индукция. | Объединение учителей Санкт-Петербурга

Электромагнитная индукция

1831 г. – М. Фарадей обнаружил, что в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля возникает так называемый индукционный ток. (Индукция, в данном случае, – появление, возникновение).

Индукционный ток в катушке возникает при

перемещении постоянного магнита относительно катушки;

при перемещении электромагнита относительно катушки;

при перемещении сердечника относительно электромагнита, вставленного в катушку;

при регулировании тока в цепи электромагнита;

при замыкании и размыкании цепи

Появление тока в замкнутом контуре при изменении магнит­ного поля, пронизывающего контур, свидетельствует о действии в контуре сторонних сил (или о возникно­вении ЭДС индукции).

Явление возникновения ЭДС в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля (потока), пронизывающего контур, назы­вается электромагнитной индукцией.

Или: явление возникновения электрического поля при изменении магнитного поля (потока), называется электромагнитной индукцией.

Закон электромагнитной индукции

При всяком изменении магнитного потока через проводящий замкнутый контур в этом контуре возникает электрический ток. I зависит от свойств контура (сопротивление):  .  e не зависит от свойств контура: .

ЭДС индукции в замкнутом контуре прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока через площадь, ограниченную этим контуром.

Основные применения электромагнитной индукции: генерирование тока (индукционные генераторы на всех электростанциях, динамомашины), трансформаторы.

 

Возникновение индукционного тока – следствие закона сохранения энергии!

В случае 1: При приближении магнита, увеличении тока, замыкании цепи: ; Магнитный поток Ф­ → ΔФ>0.Чтобы компенсировать это изменение (увеличение) внешнего поля, необходимо магнитное поле, направленное в сторону, противоположную внешнему полю: , где  – т.н. индукционное магнитное поле.

В случае 2: при удалении магнита, уменьшении тока, размыкании цепи: . Магнитный поток Ф  → ΔФ<0. Чтобы компенсировать это изменение (уменьшение), необходимо магнитное поле, сонаправленное с внешним полем: .

Источником магнитного поля является ток. Поэтому:

Возникающий в замкнутом контуре индукционный ток имеет такое направление, что созданный им поток магнитной индукции через площадь, ограниченную контуром, стремится компенсиро­вать то изменение потока магнитной индукции, которое вызывает данный ток (правило Ленца).

 

Ток в контуре имеет отрицательное направление (),если

противоположно (т.е. ΔΦ>0). Ток в контуре имеет положительное направление (), если  совпа­дает с ,   (т.е. ΔΦ<0).

Поэтому с учетом правила Ленца (знака) выражение для закона электромагнитной индукции записывается: .

Данная формула справедлива для СИ (коэффициент пропорциональности равен 1). В других системах единиц коэффициент другой.

Если контур (например, катушка) состоит из нескольких витков, то ,

где n – количество витков. Все предыдущие формулы справедливы в случае линейного (равномерного) изменения магнитного потока. В произвольном случае закон записывается через производную: , где 

e – мгновенное значение ЭДС индукции.

Электромагнитная индукция: применение индукции

 

Мы уже знаем, что электрический ток, двигаясь по проводнику, создает вокруг него магнитное поле. На основе этого явления человек изобрел и широко применяет самые разнообразные электромагниты. Но возникает вопрос: если электрические заряды, двигаясь, вызывают возникновение магнитного поля, а не работает ли это и наоборот?

То есть, может ли магнитное поле явиться причиной возникновения электрического тока в проводнике? В 1831 году Майкл Фарадей установил, что в замкнутой проводящей электрической цепи при изменении магнитного поля возникает электрический ток. Такой ток назвали индукционным током, а явление возникновения тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля, пронизывающего этот контур, носит название электромагнитной индукции.

Явление электромагнитной индукции

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

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

Применение электромагнитной индукции

В данной же статье мы поговорим о применении электромагнитной индукции. На использовании законов электромагнитной индукции основано действие многих двигателей и генераторов тока. Принцип их работы понять довольно просто.

Изменение магнитного поля можно вызвать, например, перемещением магнита. Поэтому, если каким-либо сторонним воздействием передвигать магнит внутри  замкнутой цепи, то в этой цепи возникнет ток. Так можно создать генератор тока.

Если же наоборот, пустить ток от стороннего источника по цепи, то находящийся внутри цепи магнит начнет двигаться под воздействием магнитного поля, образованного электрическим током. Таким образом можно собрать электродвигатель.

Описанными выше генераторами тока преобразовывают механическую энергию в электрическую на электростанциях. Механическая энергия это энергия угля, дизельного топлива, ветра, воды и так далее. Электричество поступает по проводам к потребителям и там обратным образом преобразовывается в механическую в электродвигателях.

Электродвигатели пылесосов, фенов, миксеров, кулеров, электромясорубок и прочих многочисленных приборов, используемых нами ежедневно, основаны на использовании электромагнитной индукции и магнитных сил. Об использовании в промышленности этих же явлений и говорить не приходится, понятно, что оно повсеместно.

Нужна помощь в учебе?



Предыдущая тема: Действие магнитного поля на проводник с током: схема простого электродвигателя
Следующая тема:&nbsp&nbsp&nbspСвет: свойства, источники света, распространение света

Электромагнитная индукция, теория и примеры

Определение и общие понятия об электромагнитной индукции

Результаты своих эмпирических исследований М. Фарадей выразил наглядно. Если магнитное поле изображать при помощи линий магнитной индукции (), то модуль вектора индукции характеризует густота линий индукции. Допустим, что замкнутый проводник перемещается в неоднородном магнитном поле в сторону более сильного поля. При этом количество силовых линий поля, которые охватывает проводник, увеличивается. Если проводник перемещается в сторону ослабления магнитного поля, то число силовых линий поля уменьшается. Магнитное поле является вихревым, линии поля не имеют начала и конца. Поэтому линии индукции сцепляются с нашим контуром как звенья цепи. Любое изменение числа линий индукции, которые охватывает контур возможно только, если эти линии пересекают контур. В связи с этим М. Фарадей сделал вывод о том, что ток индукции появляется в проводнике только тогда, если проводник (или часть его) пересекает линии магнитной индукции.

Открытие явления электромагнитной индукции стало очень значимым событием. Оно показало, что можно получать не только магнитное поле при помощи токов, но и токи изменяя магнитное поле.

Так была установлена взаимная связь между электрическими и магнитными явлениями.

Основной закон электромагнитной индукции

Закон электромагнитной индукции был установлен М. Фарадеем, однако его современную формулировку, которую мы будем использовать, дал Максвелл.

Появление тока индукции говорит о том, что в проводнике возникает определенная электродвижущая сила (ЭДС). Причиной появления ЭДС индукции является изменение магнитного потока. В системе международных единиц (СИ) закон электромагнитной индукции записывают так:

   

где – скорость изменения магнитного потока сквозь площадь, которую ограничивает контур.

Закон электромагнитной индукции применяют для того, чтобы определить единицу магнитного потока (вебера). Знак магнитного потока зависит от выбора положительной нормали к плоскости контура. При этом направление нормали определяют при помощи правила правого винта, связывая его с положительным направлением тока в контуре. Так, произвольно назначают положительное направление нормали , определяют положительное направление тока и ЭДС индукции в контуре. Знак минус в основном законе электромагнитной индукции соответствует правилу Ленца.

Формула (1) – отображает закон электромагнитной индукции в наиболее общей форме. Ее можно применять к неподвижным контурам и движущимся проводникам в магнитном поле. Производная, которая входит в выражение (1) в общем случае составлена из двух частей: одна зависит от изменения магнитного потока во времени, другая связывается с движением (деформаций) проводника в магнитном поле.

Если в переменном магнитном поле рассматривается контур состоящий из N витков, то закон электромагнитной индукции примет вид:

   

где величину называют потокосцеплением.

Примеры решения задач

Ученые получили новые ограничения на величину внегалактических магнитных полей

Откуда берутся пронизывающие всю Вселенную космологические магнитные поля протяженностью в миллионы световых лет и зачем нужно знать их величину, а также как эти ограничения помогут ученым выбрать верную модель эволюции ранней Вселенной — на эти и другие вопросы отвечает отдел науки «Газеты. Ru».

Известно, что магнитные поля присутствуют практически во всех типах космических структур во Вселенной — от небольших планет до галактик и крупнейших скоплений галактик. Есть основания полагать, что и на самых больших, космологических масштабах Вселенная пронизана магнитными полями, пусть и меньшей величины. Определение характеристик таких космологических полей имеет важное значение для космологии и физики космических частиц. Основной характеристикой магнитного поля является магнитная индукция — именно она определяет силу поля, действующую на движущиеся заряды.

Российские ученые из Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга и Института ядерных исследований Российской академии наук вместе с зарубежными коллегами

получили самую точную на сегодняшний день оценку максимальной величины космологических магнитных полей.

Результаты исследования опубликованы в престижном научном журнале Physical Review Letters и попали в рубрику Editor’s Suggestion — «Выбор редакции». Работу удалось осуществить благодаря финансовой поддержке Российского научного фонда (РНФ). Авторы статьи использовали большой обзор далеких радиоисточников. Данные обзора позволили поставить сильные верхние ограничения на индукцию космологических полей.

Максим Пширков с коллегами применили метод изучения космологических магнитных полей с помощью явления фарадеевского вращения плоскости поляризации радиоизлучения: при распространении поляризованного излучения от далекого источника его плоскость поляризации поворачивается на некоторый угол, величина которого зависит от величины космических магнитных полей. Таким образом, изучая величины поворотов, можно оценивать эти магнитные поля.

Максим Пширков и соавторы использовали уже имевшиеся результаты измерений для примерно 3 тыс. радиоисточников, распределенных по большей части небесной сферы. При анализе данных был учтен локальный вклад в эффект Фарадея, возникающий внутри Млечного Пути.

Сравнивая данные наблюдений с предсказаниями модели с дополнительным вкладом от космологических полей, исследователи смогли получить строгие ограничения сверху на величину этих полей — около 1 нГс.

«До последнего времени было известно очень мало о космологических полях, — говорит Максим Пширков. — Около шести лет назад наблюдения спутника «Ферми» дали косвенные указания на существование очень слабых внегалактических магнитных полей (10-17 Гс), то есть была сделана оценка снизу для силы этих полей. Для сравнения, на поверхности Земли сила поля составляет примерно 0,5 Гс.

Оценку сверху на максимальную силу космологических полей делали и ранее, но полученные тогда ограничения были в пять раз больше, чем полученные нами сейчас.

Совсем недавно с использованием данных со спутника Planck была дана оценка максимальной величины космологических полей, которую теперь нам удалось улучшить в два раза. Однако Planck изучал реликтовое излучение, то есть полученные им данные могут ограничить только магнитные поля, существовавшие на ранних стадиях эволюции Вселенной».

Среди ученых пока нет единого мнения о природе космологического магнитного поля. Существует две гипотезы. В соответствие с первой, это поле первично, оно образовалось на ранних стадиях эволюции Вселенной. По другой гипотезе, это поле образовалось позже, в первый миллиард лет существования галактик. В этих ранних галактиках образовывалось магнитное поле, которое затем было вынесено из них и «загрязнило» окружающую межгалактическую среду.

Полученные учеными данные важны для изучения космических лучей сверхвысоких энергий — они помогут решить задачу отождествления источников космических лучей, которая остается нерешенной уже более полувека.

«Если бы космологическое магнитное поле оказалось больше, скажем, 3 нГс, то космические лучи от далеких источников испытывали бы сильное отклонение, и мы не смогли бы отождествить их с источниками, — объясняет Максим Пширков. — Полученное нами ограничение сверху означает, что лучи в межгалактическом пространстве отклоняются не очень значительно.

Также возможно, что полученные нами ограничения помогут ученым-теоретикам в выборе правильной модели эволюции ранней Вселенной».

Работа ученых была выполнена в рамках гранта Российского научного фонда (РНФ) «За пределами возможностей земных ускорителей: происхождение космических лучей, нейтрино и фотонов с энергиями (1015–1020) эВ» под руководством Сергея Троицкого из Института ядерных исследований Российской академии наук. Этот грант нацелен на исследования в области астрофизики частиц — новой области науки, в которой астрономические исследования используются для целей фундаментальной физики, многие из которых просто не могут быть проверены экспериментально в земных лабораториях. Для примера, энергии космолучей доходят до 1020 эВ, что в 10 млн раз больше энергий частиц на Большом адронном коллайдере.

Электромагнитная индукция

Магнитный поток. В однородном магнитном поле, модуль вектора индукции которого равен В, помещен плоский замкнутый контур площадью S. Нормаль n к плоскости контура составляет угол a с направлением вектора магнитной индукции В (см. рис. 1).
Магнитным потоком через поверхность называется величина Ф, определяемая соотношением:
Ф = В·S·cos a.         
      
Единица измерения магнитного потока в систем СИ – 1 Вебер (1 Вб).

Электромагнитная индукция. Явление электромагнитной индукции обнаружено в 1831 г. Фарадеем. Оно выражает взаимосвязь электрических и магнитных явлений.
Рассмотрим некоторые экспериментальные факты:

постоянный магнит вставляют в катушку, замкнутую на гальванометр, или вынимают из нее. При движении магнита в контуре возникает электрический ток

Аналогичный результат будет иметь место в случае перемещения электромагнита, по которому пропускают постоянный ток, относительно первичной катушки или при изменении тока в неподвижной вторичной катушке.


рамку, замкнутую на гальванометр, помещают в однородное магнитное поле и вращают. В рамке возникает электрический ток. Если же рамка движется поступательно, не пересекая силовых линий, то ток в ней не возникает.

рамка движется  в неоднородном магнитном поле. Число линий индукции, пересекающих рамку, изменяется. В рамке возникает электрический ток

Ток, возникающий в контуре при изменении магнитного потока, называют индукционным током.
Вы знаете, что условием существования электрического тока в замкнутом контуре является наличие электродвижущей силы, поддерживающей разность потенциалов. Следовательно, при изменении магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, в нем возникает ЭДС, которую называют ЭДС индукции (ei).

Явление возникновения ЭДС в контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего контур, называется электромагнитной индукцией.
Если контур замкнут, то ЭДС индукции проявляется в возникновении электрического индукционного тока
I = ei/R , где R- сопротивление контура.
Если контур разомкнут, то на концах проводника возникает разность потенциалов, равная ei.
Направление индукционного тока в контуре определяется правилом Ленца:
Индукционный ток направлен так, чтобы своим магнитным полем противодействовать изменению магнитного потока, которым он вызван.
Направление индукционного тока определяется следующим образом:

   1. установить направление внешнего магнитного поля В.
   2. определить увеличивается или уменьшается поток вектора магнитной индукции внешнего поля.
   3. по правилу Ленца указать направление вектора магнитной индукции индукционного тока Вi.
   4. по правилу правого винта определить направление индукционного тока в контуре.

ЭДС индукции в движущемся проводнике. Пусть проводник длиной L перемещается со скоростью V в однородном магнитном поле, пересекая силовые линии. Вместе с проводником движутся заряды, находящиеся в проводнике. На движущийся в магнитном поле заряд действует сила Лоренца. Свободные электроны смещаются к одному концу проводника, а на другом остаются нескомпенсированные положительные заряды. Возникает разность потенциалов, которая и представляет собой ЭДС индукции ei. Ее величину можно определить, рассчитав работу, совершаемую силой Лоренца при перемещении заряда вдоль проводника:
ei = A/q = F·L/q.

Отсюда следует, что
ei = B·V·L·sin a.

Самоиндукция является частным случаем разнообразных проявлений электромагнитной индукции.

Рассмотрим контур, подключенный к источнику тока. По контуру протекает электрический  ток I. Этот ток создает в окружающем пространстве магнитное поле. В результате контур пронизывается собственным магнитным потоком Ф. Очевидно, что собственный магнитный поток пропорционален току в контуре, создавшему магнитной поле:
Ф = L·I.

Коэффициент пропорциональности L называется индуктивностью контура. Индуктивность зависит от размеров, формы проводника, магнитных свойств среды. Единица измерения индуктивности в системе СИ – 1 Генри (Гн).
Если ток в контуре изменяется, то изменяется и собственный магнитный поток Фс. Изменение величины Фс приводит к возникновению в контуре ЭДС индукции. Данное явление называется самоиндукцией, а соответствующее значение – ЭДС самоиндукции eiс.
Из закона электромагнитной индукции следует, что
eiс = dФс/dt.

Если L = const, то eiс= – L·dI/dt.

Открытый урок “Явление электромагнитной индукции. Опыты Фарадея. Закон Ленца”

Задачи урока:

  • изучить явление электромагнитной индукции и условия его возникновения;
  • рассмотреть историю вопроса о связи магнитного поля и электрического;
  • показать причинно-следственные связи при наблюдении явления электромагнитной индукции, раскрыть отношения явления и его сущности при постановке опытов;
  • продолжить формирование изменений, наблюдать, выделять главное, объяснять увиденное.

Оборудование: разборный школьный трансформатор, гальванометр, постоянный магнит, аккумулятор, источник переменного тока, реостат, ключ, замкнутый виток с низковольтной лампой, соединительные провода, стержень с двумя алюминиевыми кольцами на концах, одно из которых сплошное, другое с разрезом, портрет М. Фарадея, телевизор, в/ф “Явление электромагнитной индукции”, карточки-задания, кроссворды, ребус, криптограмма, оборудование для опытов.

I. Оргмомент.

II. Мотивация учебной деятельности

Учитель. Мы с вами прошли тему “Электромагнетизм”. Сегодня нам предстоит выяснить, как вы усвоили этот материал. Обобщим знания о магнитном поле, будет совершенствовать умения объяснять магнитные явления. Раскроем особенные и общие черты магнитного и электрического полей, проведем контроль знаний, продолжим формирование умений наблюдать, обобщать, синтезировать изученное.

III. Практическая работа -КМД-

Класс делится на 4 группы. Они работают так:

Первая группа – пишет физический диктант. (Приложение 1.)
Вторая группа – решает кроссворд. (Приложение 2.)
Третья группа – решает качественные задачи. (Приложение 3. )

И получают баллы за каждую работу. Потом обмениваются между собой заданиями.

Четвертая группа – четверо играют в карты.

Пока они готовятся, желающие получить жетоны, правильно отвечают на поставленные вопросы:

– В каком месте Земли магнитная стрелка обоими концами показывает на юг? (На северном географическом полюсе)

– Если поднести несколько раз к часам сильный магнит, то показания часов будут неправильными. Как объяснить это? (Стальная пружина и другие стальные детали часов, намагничиваясь, взаимодействуют друг с другом, вследствие чего правильный ход часов нарушается)

– Где ошибка?

– Правильно ли указано направление тока?

Учитель. А вот, что написал о магнитных явлениях Д.И. Менделеев, мы сможем сказать, если расшифруем, что здесь написано. (Приложение 3). К доске идет…

Решение задач.

IV. Изучение нового материала

Учитель. Ранее в электродинамике изучались явления, связанные или обусловленные существованием постоянных во времени (статических и стационарных) электрических и магнитных полей. Появляются ли новые явления при наличии переменных полей? Впервые явление, вызванное переменным магнитным полем, наблюдал в 1831году М.Фарадей. Он решал ПРОБЛЕМУ: может ли магнитное поле вызвать появление электрического тока в проводнике? А теперь посмотрим опыты и послушаем объяснение их.

По итогам зачета объявляются оценки и комментируются.

Учитель. А сейчас переходим к изучению новой темы. Цель урока мы узнаем, если разгадаем ребус. (Приложение 2) Да, да! Именно эти слова записал Майкл Фарадей в своем дневнике в 1822 году. “Превратить магнетизм в электричество”. После открытия Эрстедом в 1820 году магнитного поля, было установлено, что магнитное поле и эл.ток всегда существуют одновременно. Фарадей, зная о тесной связи между током и магнитном полем, был уверен, что с помощью магнитного поля можно создать в замкнутом проводнике эл.ток. Он провёл многочисленные опыты и доказал это, открыв в 1831году явление электромагнитной индукции.
С биографией М.Фарадея нас познакомит студент …

V. Демонстрация опытов Фарадея.

Учитель. Рассмотрим опыты Фарадея, с помощью которых он открыл явление электромагнитной индукции.

1. Возьмем соленоид, соединенный с гальванометром (рис. 1), и будем вдвигать в него постоянный магнит. Оказывается, что при движении магнита стрелка гальванометра отклоняется. Если же магнит останавливается, то стрелка гальванометра возвращается в нулевое положение. То же самое получается при выдвижении магнита из соленоида или при надевании соленоида на неподвижный магнит. Такие опыты показывают, что индукционный ток возникает в соленоиде только при относительном перемещении соленоида и магнита.

Рис. 1

2. Будем опускать в соленоид В катушку с током А (рис. 2). Оказывается, что и в этом случае в соленоиде В возникает индукционный ток только при относительном перемещении соленоида В и катушки А.

Рис. 2

3. Вставим катушку А в соленоид В и закрепим их неподвижно (рис. 3). При этом тока в соленоиде нет. Но в моменты замыкания или размыкания цепи катушки А в соленоиде В появляется индукционный ток. То же самое

Рис. 3

Рис. 4

получается в моменты усиления или ослабления тока в катушке А с помощью изменения сопротивления R.
В дальнейшем цепь катушки А, соединенную с источником электрической энергии, будем называть первичной, а цепь соленоида В, в которой возникает индукционный ток, – вторичной. Эти же названия будем применять и к самим катушкам.

4. Включим первичную катушку в сеть переменного тока, а вторичную катушку соединим с лампой накаливания (рис. 4). Оказывается, лампа непрерывно горит, пока в первичной катушке течет переменный ток.
Нетрудно заметить, что общим для всех описанных опытов является изменение магнитного поля в соленоиде, которое и создает в нем индукционный ток.
Выясним теперь, всякое ли изменение магнитного поля вокруг замкнутого контура наводит в нем индукционный ток. Возьмем плоский контур в виде рамки, соединенной с гальванометром. Поместим рядом с рамкой магнит так, чтобы его линии индукции не проходили внутри рамки, а находились в ее плоскости (рис. 5а).

Рис. 5

Оказывается, что при перемещении рамки или магнита вдоль плоскости рисунка стрелка гальванометра не отклоняется. Если же рамку поворачивать вокруг оси 00′ (рис. 5б), то в ней возникает индукционный ток.

На основании описанных опытов можно сделать следующий вывод: индукционный ток (и э. д. с. индукции) в замкнутом контуре появляется только в том случае, когда изменяется магнитный поток, который проводит через площадь, охваченную контуром.
С помощью этого явления может получится эл. ток практически любой мощности, а это позволяет широко использовать эл. энергию в промышленности. Получается она в основном с помощью индукционных генераторов, принцип работы которых основан на явлении эл-магнитной индукции. Поэтому Фарадей по праву считается одним из основателей электротехники.

Рассмотрим подробнее явление электромагнитной индукции.

Пусть в однородном магнитном поле с индукцией В находится прямолинейный металлический проводник длиной L.
Приведем этот проводник в движение со скоростью так, что бы угол между векторами В и составлял 90 градусов, то вместе с проводником будут направленно двигаться и его собственные электроны, так как их движение происходит в магнитном поле, то на них должна действовать сила Лоренца.
С помощью правила левой руки можно установить, что свободные электроны будут смещаться к концу А. И тогда между А и В возникает напряжение U , которое создаст в нем эл. силу Fэл., которая уравновесит Fл. Fэл.= Fл., в этом случае смещение электронов прекратится.
Fэл.= Е . q = U/L . q, а Fл.= В . . q . sinU/L . q = В . . q . sinU = В . . L . sin, но напряжение на полюсах при разомкнутой цепи = Е.
Еинд.= В . . L . sin

Рис. 6

А если проводник включить в цепь, то в ней возникает индукционный ток.

Направление индукционного тока, возникающего в прямолинейном проводнике при его движении в магнитном поле, определяется по правилу правой руки (рис. 7): если правую руку расположить вдоль проводника так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а отогнутый большой палец показывал направление движения проводника, то четыре вытянутых пальца укажут направление индукционного тока в проводнике.

Рис. 7

VI. Закон Ленца.

Учитель. В катушке, замкнутой на гальванометр, при перемещении магнита, возникает индукционный ток. Как определить направление индукционного тока? По правилу правой руки? (А переломов не бойтесь!) Давайте определим это!
Индукционный ток создает собственное магнитное поле. Связь между направлением индукционного тока в контуре и индуцирующим магнитным полем была установлена Ленцем.
Пусть имеется катушка, вокруг катушки существует изменяющееся магнитное поле и оно пронизывает витки другой катушки. А при всяком изменении магнитного поля, пронизывающего контур замкнутого проводника, в нем наводится индукционный ток. А как определить направление индукционного тока? По правилу правой руки?
Обратимся к опыту. Почему кольцо отталкивается от магнита? А с прорезью нет? (U – тока нет.)

Значит в кольце возник ток (инд.), магнитное поле. И можно определить поле. Поменяем полюса магнита. И видим: что взаимодействие между полюсами всегда препятствует движению магнита. Ленцу удалось обобщить эту закономерность: эту связь называют законом Ленца.

Определение: индукционный ток всегда имеет такое направление, при котором его магнитное поле противодействует причине его вызывающей.

Eщё раз повторим правило Ленца.

Вернемся к опыту. Стрелка гальванометра отклоняется тем дальше, чем быстрее вдвигается в соленоид магнит или катушка с током.

Э.д.с. индукции, возникающая в какой-либо цепи, прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока – время, за которое происходит изменение магнитного потока. Знак минус показывает, что когда магнитный поток уменьшается ( – отриц.), э.д.с. создает индукционный ток, увеличивающий магнитный поток и наоборот.
Исходя из формулы:

1Bб = 1В 1с

VII. Закрепление материала.

Просмотр видеофильма “Электромагнитная индукция”. Решение задач.

VIII. Задание на дом.

§ 23(2-6). № 18.10, № 18.12, № 14. Повторить “Эл.ток в газах”

IX. Итог урока.

Учитель. Спасибо вам за урок!.

Приложение 1.

Физический диктант

1. Напишите формулы для расчетов:

а) силы Лоренца;
б) магнитной проницаемости среды;
в) модуля вектора магнитной индукции;
г) магнитного потока;
д) силы Ампера;

2. Дополните следующие определения:

а) сила Лоренца – это …
б) сила Ампера – это …
в) температура Кюри – это …
г) магнитная проницаемость среды характеризует …

3. Какая физическая величина измеряется в теслах? Чему равна 1Тл?

4. Какими способами можно получить магнитное поле?

5. Какие величины характеризуют это поле?

6. Какую физическую величину измеряют в веберах? Чему равен 1Вб?

7. Дополните предложения:

а) У диамагнетиков они обладают свойством …
б) У ферромагнетиков их отличительные свойства …
в) У парамагнетиков для них характерно …
г) Сила Ампера применяется …
д) Электроизмерительные приборы магнитоэлектрической системы состоят из ……………..,  действуют они так:
е) Сила Лоренца используется …

Приложение 2.

КРОССВОРД “ДОГАДАЙТЕСЬ”

По вертикали в выделенных клетках: катушка проводов с железным сердечником внутри. В каждую клетку включая нумерованную напишите по букве так чтобы по горизонтали получить слова:

1. Ученый, впервые обнаруживший взаимодействие электрического тока и магнитные стрелки.
2. Место магнита, где наблюдаются наиболее сильные магнитные действия.
3. Устройство, работающее на слабых токах, при помощи которого можно управлять электрической цепью с сильными токами.
4. Изобретатель первого в мире телеграфного аппарата, печатающего буквы.
5 и 6. Приборы, совместное пользование которыми позволяет передавать звук на далекие расстояния.
7. Изобретатель электромагнитного телеграфа и азбуки из точек и тире.
8. Ученый, объяснивший намагниченность молекул железа электрическим током.
9. Прибор, служащий для ориентации на местности, основной частью которого является магнитная стрелка.
10. Русский ученый, который изобрел электрический телеграф с магнитными стрелками.
11. Одна из основных частей приборов 5 и 6, названных выше.
12. Приемник тока, служащий для превращения электрической энергии в механическую.
13. Вещество, из которого делают постоянные магниты.

Приложение 3.

РЕБУС

Рис. 8

Прочитайте слова английского физика, которыми он определил поставленную перед собой задачу. Назовите ученого, год, когда эта задача была решена, и явление которое им было открыто.

КАКОЕ СЛОВО?

Отгадайте слово по буквам, каждую из которых надо определить, решив задачу

Рис. 9

1. Мысленно поставьте стрелку по направлению тока на участке проводника НМ.
2. Каков номер в алфавите второй буквы слова, покажет после включения тока северный конец магнитной стрелки.
3. Поставьте знак направления тока в кружке изображающем сечение проводника, и из двух подсчетов выберите тот, который содержит этот знак.
4. Мысленно поставьте стрелку, указывающую направление магнитных линий внутри катушки с током.
5. Нужная буква стоит у северного конца магнитной стрелки.
6. Выберите букву, которая стоит у положительного полюса источника тока.

ПРОЧТИ ФРАЗУ

Рис. 10

Изучение явления электромагнитной индукции, магнитного взаимодействия, дисперсии света

  • Участник: Ибрагимов Булат Наилевич
  • Руководитель:Сулейманова Альфия Сайфулловна
Лабораторные работы на темы: “Электромагнитная индукция”, “Магнитное взаимодействие”, “Дисперсия света”.
Цель работы: экспериментальное изучение данных явлений.

Лабораторная работа №1 «Изучение явления электромагнитной индукции»

Цель работы: экспериментальное изучение явления магнитной индукции.

Теоретическая часть: явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в проводящем контуре, который либо покоится в переменном во времени магнитном поле, либо движется в постоянном магнитном поле таким образом, что число линий магнитной индукции, пронизывающих контур, меняется. в нашем случае разумнее было бы менять во времени магнитное поле, так как оно создается движущимися (свободно) магнитом. Согласно правилу Ленца, возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван. В данном случае это мы можем наблюдать по отклонению стрелки миллиамперметра.

Оборудование: миллиамперметр, катушка с сердечником, дугообразный магнит, соединительные провода.

Вывод по проделанной работе: вводя магнит в катушку одним полюсом (северным) и выводя ее, мы наблюдаем, что стрелка амперметра отклоняется в разные стороны. В первом случае число линий магнитной индукции, пронизывающих катушку (магнитный поток), растет, а во втором случае – наоборот. Причем в первом случае линии индукции, созданные магнитным полем индукционного тока, выходят из верхнего конца катушки, так как катушка отталкивает магнит, а во втором случае, наоборот, входят в этот конец. Так как стрелка амперметра отклоняется, то направление индукционного тока меняется. Именно это показывает нам правило Ленца. Вводя магнит в катушку южным полюсом, мы наблюдаем картину, противоположную первой.

Лабораторная работа №2 «Изучение магнитного взаимодействия»

Цель работы: проверить на опыте, что магнитное взаимодействие сильнее гравитационного.

Теоретическая часть: В гравитационном взаимодействии участвуют все тела обладающие массой. Гравитационные силы являются лишь силами притяжения, так как все тела обладают положительной массой. Гравитационные силы убывают пропорционально квадрату расстояния между взаимодействующими телами. Электромагнитное взаимодействие очень похоже на гравитационное. Отличие лишь в том, что у нас есть как положительные так и отрицательные заряды. Электромагнитное взаимодействие более сильное чем гравитационное из-за большей константы связи (заряды в один кулон притягиваются сильнее чем массы в один килограмм).

Оборудование: пластиковый стержень, магниты.

Вывод по проделанной работе: опуская магниты в пластиковый стержень одноименными полюсами друг к другу мы наблюдаем, как магниты отталкиваются, преодолевая тем самым силу гравитации.

Лабораторная работа №3 «Изучение дисперсии света»

Цель работы: наблюдение дисперсии света.

Теоретическая часть: дисперсия света – это зависимость показателя преломления вещества и скорости света в нем от частоты световой волны. Очень просто наблюдать явление дисперсии при пропускании белого света через призму. При этом мы увидим, что пучок света не только отклониться к более широкой части призмы, но и разложиться в спектр, в котором семь цветов – красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый- как в радуге, плавно переходят друг в друга. Белый свет является сложным, состоящим из световых волн разных цветов и, соответственно, разных частот. Цветные лучи являются простыми или, как их еще называют, монохроматическими. Сложить спектральные цвета и получить белый цвет можно и на более простом опыте. Возьмем картонный диск с изображенными на нем разноцветными секторами и укрепим его на валу центробежной машины. При быстром вращении диска создается впечатление, что он белый.

Оборудование: картонный диск с изображенными на нем разноцветными секторами, источник питания, машина с валом центробежной силы.

Вывод по проделанной работе: Закрепив картонный диск с изображенными на нем разноцветными секторами на валу машины с центробежной силой, мы наблюдаем, что спектральные цвета складываются и получается белый цвет. В состав белого цвета входят все цвета радуги.

Ссылка на видеоролик: https://yadi.sk/d/Y9-xtikU3JZBSc3

Индукторы

– Магнитная индукция, магнитный поток и закон Фарадея – Блог о пассивных компонентах

L. 1.2 Магнитная индукция B

В проводящей петле возникает потенциал, если магнитное поле, проходящее через проводящую петлю, изменяется со временем.

Featured Image Рис. 1.10: Экспериментальная конфигурация для магнитной индукции

Скачок потенциала в области петли известен как магнитная индукция B.Как и напряженность магнитного поля, магнитная индукция B является векторной величиной.

Для магнитной индукции B применяется следующее соотношение:


Магнитная индукция (B) является частным от индуцированного скачка напряжения:

и произведение витков обмотки (N) на площадь обмотки (A) индукционной катушки.

Единицей измерения магнитной индукции (В) является Тесла (Тл) = Вс / м2.

Магнитная индукция B и напряженность поля H пропорциональны друг другу.

Константа пропорциональности – это постоянная магнитного поля (μ0), полученная путем экспериментального измерения.


В вакууме, а также с достаточной точностью для воздуха это приводит к:

Магнитная индукция (BL) в воздухе для приведенного выше примера определяется выражением:

L.1.3 Магнитный поток F

Магнитный поток (F) – это скалярное произведение плотности магнитного потока (B) и вектора площади (dA).


Если (B) проходит перпендикулярно через область и поле однородное:


Единица измерения магнитного потока (F) такая же, как у скачка напряжения (Vs) (Вольтсекунда) или Вебера (Wb).

L.1.4 Закон Фарадея

До сих пор мы рассматривали статические магнитные поля. Если магнитный поток изменяется со временем, индуцируется напряжение U (закон Фарадея).

U = индуцированное напряжение
t = время

Полярность напряжения такова, что при замыкании цепи генерируется ток, индуцированное магнитное поле которой противодействует исходному магнитному потоку, то есть имеет тенденцию уменьшать магнитное поле (правило Ленца – рисунок 1. 11).

Фиг.1.11: Представление правила Ленца. Наложенное магнитное поле индуцирует ток в таком направлении, что его индуцированное магнитное поле противодействует наложенному полю

Если взять обмотку с N витками, закон Фарадея можно выразить в следующей форме.

A = поперечное сечение катушки
l = длина катушки или магнитной цепи
I = ток через катушку
L = индуктивность катушки [H (enry) = Vs / A]

Таким образом, индуктивность ограничивает изменение тока при подаче напряжения.Его можно рассчитать по данным катушки:

AL = значение AL; в основном в nH / N2

Энергия, запасенная в магнитном поле, подчиняется следующим соотношениям:


Энергия, запасенная в объеме V, складывается как из напряженности магнитного поля H, так и из плотности магнитного потока B. Для трансформаторов и дросселей с ферромагнитными сердечниками плотность потока ограничена насыщением (см. Главу I / 1.5) и составляет постоянная по всей магнитной цепи. Если ввести воздушный зазор (материал с проницаемостью μ ~ 1), напряженность поля будет максимальной в этом воздушном зазоре с H = B / μ.Отсюда следует, что плотность энергии наиболее высока в воздушном зазоре. Также говорят об энергии, хранящейся в воздушном зазоре.

Сравнивая магнитные поля с электрическими полями, можно обнаружить аналогии между некоторыми параметрами. Они сведены в Таблицу 1.1:

Табл. 1.1: Аналогии между магнитным и электрическим полями


ABC CLR: Глава L Индукторы

Магнитная индукция, магнитный поток и закон Фарадея

Лицензионный контент EPCI: Würth Elektronik eiSos, Trilogy of Magnetics, распечатки справочника можно заказать здесь.


Содержание этой страницы находится под международной лицензией Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0.

приложений электромагнитной индукции – University Physics Volume 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Объясните, как жесткие диски компьютеров и графические планшеты работают с использованием магнитной индукции
  • Объясните, как гибридные / электрические транспортные средства и транскраниальная магнитная стимуляция используют магнитную индукцию в своих интересах

В современном обществе существует множество применений закона индукции Фарадея, что мы исследуем в этой и других главах. В этой связи позвольте нам упомянуть несколько, которые включают запись информации с использованием магнитных полей.

В некоторых компьютерных жестких дисках применяется принцип магнитной индукции. Записанные данные производятся на вращающемся диске с покрытием. Исторически считывание этих данных основывалось на принципе индукции. Однако большая часть входной информации сегодня передается в цифровой, а не аналоговой форме – на вращающемся жестком диске записываются последовательности нулей или единиц. Поэтому большинство считывающих устройств с жестких дисков не работают по принципу индукции, а используют технологию, известную как гигантское магнитосопротивление.Гигантское магнитосопротивление – это эффект большого изменения электрического сопротивления, вызванного приложенным магнитным полем к тонким пленкам из чередующихся ферромагнитных и немагнитных слоев. Это один из первых крупных успехов нанотехнологий.

Графические планшеты или планшетные компьютеры, в которых для рисования цифровых изображений используется перо специальной конструкции, также применяются принципы индукции. Обсуждаемые здесь планшеты обозначены как пассивные планшеты, поскольку существуют и другие конструкции, в которых для письма используется либо перо с батарейным питанием, либо оптические сигналы.Пассивные планшеты отличаются от сенсорных планшетов и телефонов, которыми многие из нас пользуются регулярно, но их все же можно найти при подписании вашей подписи на кассовом аппарате. Под экраном, показанным на (Рисунок), проходят крошечные провода, проходящие по длине и ширине экрана. На кончике ручки появляется крошечное магнитное поле. Когда наконечник скользит по экрану, в проводах ощущается изменяющееся магнитное поле, которое преобразуется в наведенную ЭДС, которая преобразуется в линию, которую вы только что нарисовали.

Планшет со специально разработанным пером для письма – еще одно применение магнитной индукции.(кредит: Джейн Уитни)

Еще одно применение индукции – это магнитная полоса на обратной стороне вашей личной кредитной карты, которая используется в продуктовом магазине или банкомате. Это работает по тому же принципу, что и аудио- или видеолента, в которой головка воспроизведения считывает личную информацию с вашей карты.

Электрические и гибридные транспортные средства также используют преимущества электромагнитной индукции. Один ограничивающий фактор, который препятствует повсеместному признанию 100% электромобилей, заключается в том, что срок службы батареи не так велик, как время, которое вы можете проехать на полном баке бензина.Чтобы увеличить количество заряда аккумулятора во время движения, двигатель может действовать как генератор всякий раз, когда автомобиль тормозит, используя в своих интересах создаваемую противо-ЭДС. Эта дополнительная ЭДС может быть получена вновь накопленной энергией в автомобильном аккумуляторе, что продлевает срок его службы.

Еще одно современное направление исследований, в котором успешно применяется электромагнитная индукция, – это транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС). Множество расстройств, включая депрессию и галлюцинации, можно связать с нерегулярной локальной электрической активностью в головном мозге. При транскраниальной магнитной стимуляции быстро меняющееся и очень локализованное магнитное поле помещается вблизи определенных участков мозга. Использование ТМС в качестве диагностического метода хорошо известно.

Сводка

  • Жесткие диски используют магнитную индукцию для чтения / записи информации.
  • Другие применения магнитной индукции можно найти в графических планшетах, электрических и гибридных транспортных средствах, а также в транскраниальной магнитной стимуляции.

Дополнительные проблемы

На следующем рисунке показан длинный прямой провод и прямоугольная петля с одним витком, которые лежат в плоскости страницы.Проволока параллельна длинным сторонам петли и находится на расстоянии 0,50 м от ближайшей стороны. Какова скорость изменения тока в проводе в момент, когда наведенная в контуре ЭДС составляет 2,0 В?

Металлический стержень массой 500 г скользит наружу с постоянной скоростью 1,5 см / с по двум параллельным рельсам, разделенным расстоянием 30 см, которые являются частью U-образного проводника. Имеется однородное магнитное поле величиной 2 Тл, направленное из страницы по всей площади.Перила и металлический стержень имеют эквивалентное сопротивление: (а) Определите наведенный ток, как по величине, так и по направлению. (b) Найдите направление индуцированного тока, если магнитное поле направлено внутрь страницы. (c) Найдите направление индуцированного тока, если магнитное поле направлено внутрь страницы, а полоса перемещается внутрь.

Ток индуцируется в круговой петле радиусом 1,5 см между двумя полюсами подковообразного электромагнита, когда ток в электромагните изменяется.Магнитное поле в области петли перпендикулярно области и имеет одинаковую величину. Если скорость изменения магнитного поля составляет 10 Тл / с, найдите величину и направление индуцированного тока, если сопротивление контура равно.

, направление увеличения магнитного поля следующее:

Металлический стержень длиной 25 см помещают перпендикулярно однородному магнитному полю с напряженностью 3 Тл. (A) Определите наведенную ЭДС между концами стержня, когда он не движется.(b) Определите ЭДС, когда стержень движется перпендикулярно своей длине и магнитному полю со скоростью 50 см / с.

Катушка с 50 витками и площадью 10 ориентирована плоскостью, перпендикулярной магнитному полю 0,75 Тл. Если катушка перевернута (повернута) за 0,20 с, какова средняя наведенная в ней ЭДС?

Проводящий стержень, показанный на прилагаемом рисунке, перемещается по параллельным металлическим рельсам на расстоянии 25 см друг от друга. Система находится в однородном магнитном поле напряженностью 0.75 Тл, который направлен на страницу. Сопротивлением стержня и рельсов можно пренебречь, но сечение PQ имеет сопротивление. (а) Какая ЭДС (включая ее значение) индуцируется в стержне, когда он движется вправо со скоростью 5,0 м / с? б) Какая сила требуется, чтобы стержень двигался с такой скоростью? в) С какой скоростью эта сила выполняет работу? (d) Какая мощность рассеивается на резисторе?

а. 0,94 В; б. 0,70 Н; c. 3,52 Дж / с; d. 3,52 Вт

Круглая петля из проволоки радиусом 10 см установлена ​​на вертикальном валу и вращается с частотой 5 циклов в секунду в области однородного магнитного поля силой 2 Гаусса, перпендикулярной оси вращения.(а) Найдите выражение для зависящего от времени потока через кольцо. (b) Определите зависящий от времени ток через кольцо, если оно имеет сопротивление 10

.

Магнитное поле между полюсами подковообразного электромагнита однородно и имеет цилиндрическую симметрию относительно оси от середины Южного полюса до середины Северного полюса. Величина магнитного поля изменяется со скоростью дБ / dt из-за изменения тока через электромагнит.Определите электрическое поле на расстоянии r от центра.

Электродвигатель постоянного тока на 120 В потребляет 0,50 А от источника питания при работе на полной скорости и 2,0 А. при запуске. Сопротивление катушек якоря составляет. а) Какое сопротивление катушек возбуждения? б) Какова обратная ЭДС двигателя, когда он работает на полной скорости? (c) Двигатель работает с другой скоростью и потребляет 1,0 А от источника. Какая в этом случае обратная ЭДС?

Якорь и обмотки возбуждения двигателя с последовательной обмоткой имеют полное сопротивление.При подключении к источнику 120 В и работе на нормальной скорости двигатель потребляет 4,0 А. а) Насколько велика обратная ЭДС? б) Какой ток будет потреблять двигатель сразу после включения? Можете ли вы предложить способ избежать этого большого начального тока?

Задачи

Медный провод длиной L выполнен в виде круглой катушки с N витками. Когда магнитное поле через катушку изменяется со временем, для какого значения Н наведенная ЭДС является максимальной?

N – максимально допустимое количество оборотов.

Медный лист весом 0,50 кг падает через однородное горизонтальное магнитное поле 1,5 Тл и достигает конечной скорости 2,0 м / с. а) Какова чистая магнитная сила на листе после того, как он достигнет конечной скорости? (б) Опишите механизм, ответственный за эту силу. (c) Сколько мощности рассеивается при Джоулева нагревании, когда лист движется с конечной скоростью?

Круглый медный диск радиусом 7,5 см вращается со скоростью 2400 об / мин вокруг оси через его центр и перпендикулярно своей грани.Диск находится в однородном магнитном поле напряженностью 1,2 Тл, направленном вдоль оси. Какая разница потенциалов между ободом и осью диска?

Короткий стержень длиной a движется со своей скоростью параллельно бесконечному проводу, по которому течет ток I (см. Ниже). Если конец стержня, находящийся ближе к проволоке, находится на расстоянии b от проволоки, какая ЭДС индуцируется в стержне?

Прямоугольная цепь, содержащая сопротивление R , тянется с постоянной скоростью от длинного прямого провода, по которому проходит ток (см. Ниже).Выведите уравнение, которое дает ток, индуцированный в цепи, как функцию расстояния x между ближней стороной цепи и проводом.

Два бесконечных соленоида пересекают плоскость цепи, как показано ниже. Радиусы соленоидов равны 0,10 и 0,20 м соответственно, и ток в каждом соленоиде изменяется так, что каковы токи в резисторах цепи?

а. ; б. ; c. 0 В

Ниже показана длинная прямоугольная петля шириной w , длиной l , массой м и сопротивлением R .Петля начинается в состоянии покоя на границе однородного магнитного поля и толкается в поле постоянной силой. Вычислите скорость петли как функцию времени.

а. б. ; c. ; d. течение изменит направление, но стержень все равно будет скользить с той же скоростью

На прилагаемом рисунке показан металлический диск внутреннего радиуса и другого радиуса, вращающийся с угловой скоростью в однородном магнитном поле, направленном параллельно оси вращения.Щеточные выводы вольтметра подключаются к внутренней и внешней поверхностям темноты, как показано. Какое показание вольтметра?

Длинный соленоид с 10 витками на сантиметр помещен внутри медного кольца так, чтобы оба объекта имели одну и ту же центральную ось. Радиус кольца 10,0 см, а радиус соленоида 5,0 см. (а) Какая ЭДС индуцируется в кольце, когда ток I через соленоид равен 5,0 А и изменяется со скоростью 100 А / с? (б) Какая ЭДС индуцируется в кольце, когда и (в) Каково электрическое поле внутри кольца для этих двух случаев? (d) Предположим, что кольцо перемещается так, что его центральная ось и центральная ось соленоида все еще параллельны, но больше не совпадают.(Вы должны предположить, что соленоид все еще находится внутри кольца.) Какая ЭДС индуцируется в кольце? (e) Можете ли вы рассчитать электрическое поле в кольце, как в части (c)?

а.

 *** QuickLaTeX не может составить формулу:
\ begin {array} {} \\ \\ \ hfill B = & {\ mu} _ {0} nI \ text {,} \ phantom {\ rule {0. {- 4} \ phantom {\ rule {0.2em} {0ex}} \ text {V;} \ hfill \ end {массив}

*** Сообщение об ошибке:
В преамбуле выравнивания вставлен пропущенный #.
начальный текст: $ \ begin {array} {}
Вкладка «Дополнительное выравнивание» изменена на \ cr.
начальный текст: $ \ begin {array} {} \\ \\ \ hfill B = &
Не указан $ вставлен.
начальный текст: $ \ begin {array} {} \\ \\ \ hfill B = & {\ mu
Extra}, или забытый $.
начальный текст: $ \ begin {array} {} \\ \\ \ hfill B = & {\ mu}
Ошибка пакета inputenc: символ Юникода Φ (U + 03A6)
ведущий текст: ...ext {,} \ phantom {\ rule {0.5em} {0ex}} {\ text {Φ}
Отсутствует} вставлено.
начальный текст: ...}} = BA = {\ mu} _ {0} nIA \ text {,} \ hfill \\ \ hfill
Extra}, или забытый $.
начальный текст: ...}} = BA = {\ mu} _ {0} nIA \ text {,} \ hfill \\ \ hfill
Отсутствует} вставлено.
начальный текст: ...}} = BA = {\ mu} _ {0} nIA \ text {,} \ hfill \\ \ hfill
Extra}, или забытый $.
начальный текст: ...}} = BA = {\ mu} _ {0} nIA \ text {,} \ hfill \\ \ hfill

 


г. ;
г. ; d. ;
e. нет, потому что нет цилиндрической симметрии

Катушка на 500 витков с площадью вращается в магнитном поле Земли, создавая 12.Максимальная ЭДС 0 кВ. (а) С какой угловой скоростью нужно вращать катушку? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какое предположение или предпосылка ответственны?

а. ; б. Эта угловая скорость неоправданно высока, выше, чем можно получить для любой механической системы. c. Предположение, что может быть получено напряжение до 12,0 кВ, является необоснованным.

Круглая петля из проволоки радиусом 10 см установлена ​​на вертикальном валу и вращается с частотой 5 циклов в секунду в области однородного магнитного поля, перпендикулярного оси вращения.(a) Найдите выражение для зависящего от времени потока через кольцо. (b) Определите зависящий от времени ток через кольцо, если его сопротивление составляет.

Зависящее от времени однородное магнитное поле величиной B ( t ) ограничено цилиндрической областью радиуса R . Проводящий стержень длиной 2 D помещается в область, как показано ниже. Покажите, что ЭДС между концами стержня равна. ( Подсказка: Чтобы найти ЭДС между концами, нам нужно интегрировать электрическое поле от одного конца до другого.Чтобы найти электрическое поле, используйте закон Фарадея как «закон Ампера для E ».)

Молекулярный процесс в магнитной индукции1

МАГНИТНАЯ индукция – это название, данное Фарадеем для намагничивания, которое некоторые вещества выполняют, когда их помещают в магнитное поле. Магнитное поле – это область около магнита или проводника, по которому проходит электрический ток. Повсюду в такой области существует так называемая магнитная сила, и когда определенные вещества помещаются в магнитное поле, магнитная сила заставляет их намагничиваться за счет магнитной индукции.Эффективный способ создания магнитного поля – намотать проводящий провод в катушку и пропустить через нее ток. Внутри катушки есть область сравнительно сильной магнитной силы, и когда в нее помещается кусок железа, он может сильно намагничиваться. Не все вещества обладают этим свойством. Положите в поле кусок дерева, камня, меди или серебра, и ничего примечательного не произойдет; но положите кусок железа, никеля или кобальта, и вы сразу обнаружите, что кусок стал магнитом.Эти три металла с некоторыми из их сплавов и соединений выделяются в этом отношении среди всех других веществ. Они не только способны к магнитной индукции – становиться магнитами под действием магнитного поля – но, как обнаруживается, когда они выводятся из поля, они сохраняют часть приобретенного ими магнетизма. Все они более или менее демонстрируют это свойство сохраняемости. В некоторых из них этот остаточный магнетизм слабо удерживается, и его можно без труда вытряхнуть или иным образом удалить.В других случаях, особенно в некоторых сталях, он очень стойкий, и этот факт используется при производстве постоянных магнитов, которые представляют собой просто стальные стержни надлежащего качества, которые подвергались действию сильного магнитного поля. . Из всех веществ мягкое железо наиболее подвержено действию поля. Кроме того, при благоприятных условиях он может сохранять, когда вынимается из поля, очень большую часть индуцированного магнетизма – более девяти десятых – на самом деле больше, чем удерживается сталью; но его способность удерживать этот остаточный магнетизм непрочна, и по этой причине он не может служить материалом для постоянных магнитов.Моя цель сегодня вечером – дать некоторое представление о молекулярном процессе, посредством которого, по нашему мнению, имеет место магнитная индукция, и о структуре, которая делает возможным остаточный магнетизм.

Приготовление пищи с помощью магнитной индукции может сократить углеродный след вашей кухни

Чтобы обуздать изменение климата, многие эксперты призывают к массовому переходу с ископаемого топлива на электричество. Цель состоит в том, чтобы электрифицировать такие процессы, как отопление домов и питание автомобилей, а затем генерировать возросшие потребности в электроэнергии, используя источники с низким или нулевым содержанием углерода, такие как ветер, солнечная энергия и гидроэнергетика.

Более 30 городов Калифорнии, включая Беркли и Сан-Франциско, двинулись в этом направлении, запретив подачу природного газа в большинстве новых зданий. В настоящее время использование энергии в зданиях генерирует более 40% выбросов парниковых газов в Сан-Франциско.

Существуют простые электрические варианты отопления зданий, горячего водоснабжения и сушки одежды, но использование электричества на кухне может вызвать больше споров. Традиционные электрические плиты, как известно, медленно нагреваются и охлаждаются.Они также создают проблемы с безопасностью, потому что их нагревательные спирали могут оставаться горячими в течение десятков минут после отключения.

Что делать серьезному повару? Одна из высокотехнологичных альтернатив – магнитная индукция. Эта технология была впервые предложена более 100 лет назад и продемонстрирована на Всемирной выставке в Чикаго в 1933 году. Сегодня плиты и варочные панели с магнитной индукцией распространены в Европе и Азии, но остаются нишевой технологией в США. По мере того, как все больше городов и штатов движутся в сторону электрификации, вот взгляд на то, как работает магнитная индукция, и ее плюсы и минусы для приготовления пищи.

Инженер-электрик Билл Корнрумпф описывает, как работает приготовление пищи на магнитной индукции.

Отопление без пламени

Я инженер-электрик, специализируюсь на исследованиях электромагнитного поля. Большая часть моей работы сосредоточена на приложениях для медицинской терапии, но независимо от того, подвергаете ли вы человеческую ткань или кастрюлю на варочной панели воздействию электромагнитных полей, принципы одинаковы.

Чтобы понять, что такое электромагнитные поля, ключевой принцип состоит в том, что электрический заряд создает вокруг себя поле – по сути, силу, распространяющуюся во всех направлениях.Подумайте о статическом электричестве, которое представляет собой электрический заряд, часто возникающий в результате трения. Если вы потрете воздушный шарик по волосам, трение зарядит его статическим электрическим зарядом; тогда, когда вы поднимете воздушный шар от головы, ваши волосы встанут дыбом, даже если воздушный шар не касается их. Воздушный шар тянет вас за волосы с притягивающей электрической силой.

Движущиеся электрические заряды, такие как электричество, протекающее по проводу, создают магнитные поля – зоны магнитной силы вокруг пути тока.У Земли есть магнитное поле, потому что в ее расплавленном ядре протекают электрические токи.

Магнитные поля также могут создавать электрические поля, поэтому мы используем термин «электромагнитные поля». Эта концепция была открыта в 1830-х годах английским ученым Майклом Фарадеем, который показал, что если электропроводящий материал, такой как провод, поместить в движущееся магнитное поле, в проводнике создается электрическое поле. Мы называем это магнитной индукцией. Если проводник сформирован в виде петли, электрический ток будет течь по петле.

Открытие Фарадея легло в основу разработки электродвигателей. Его работа также продемонстрировала способ нагрева материалов без использования традиционного источника тепла, такого как огонь.

Откуда берется тепло?

Все материалы обладают сопротивлением, а это означает, что при протекании через них электрического тока потоку будет, по крайней мере, несколько препятствий. Это сопротивление приводит к потере части электрической энергии: энергия превращается в тепло, и в результате проводник нагревается.В моих биомедицинских исследованиях мы исследуем использование радиочастотных магнитных полей для нагрева тканей в организме, чтобы помочь тканям заживать.

Вместо обычных конфорок места для приготовления пищи на индукционных варочных панелях называются варочными панелями и состоят из катушек, встроенных в поверхность варочной панели. Для максимальной эффективности инженеры хотят, чтобы как можно больше энергии магнитного поля, производимой каждой варочной панелью, поглощалось посудой, стоящей на ней. Магнитное поле создаст электрическое поле на дне посуды, и из-за сопротивления сковорода будет нагреваться, даже если плита не нагревается.

Магнитные катушки под керамической стеклянной поверхностью варочной панели создают магнитное поле, которое посылает импульсы прямо на посуду. Эти магнитные импульсы нагревают посуду. Город Сан-Хосе

Для наилучшей работы индукционные плиты и варочные панели с магнитным полем должны работать при высокой частоте магнитного поля – обычно 24 кГц. Им также требуются горшки, сделанные из материалов, через которые магнитные поля не проходят. Металлы с высоким содержанием железа или никеля поглощают магнитные поля, поэтому они являются наиболее эффективным вариантом для приготовления пищи на индукционной плите.Железо поглощает магнитные поля легче, чем никель, и стоит гораздо дешевле, поэтому материалы на основе железа чаще всего используются для изготовления посуды с магнитной индукцией.

Более отзывчивый и безопасный, но более дорогой

Поскольку индукционным варочным панелям требуется что-то для поглощения магнитных полей для выработки тепла, они по своей сути более безопасны, чем традиционные электрические варочные панели. Положив руку на плиту, вы не нагреете ее сколько-нибудь заметно. А поскольку эти системы нагревают посуду без прямого нагрева варочной поверхности, конфорки быстро остывают после снятия посуды, что снижает риск ожогов.

Сама по себе посуда имеет свойство быстро нагреваться и остывать, а контроль температуры очень точный – одно из ключевых свойств, обеспечивающих ценность в газовых плитах. Еще один плюс в том, что индукционные варочные панели обычно имеют гладкую поверхность, часто стеклянную или керамическую, поэтому их легко чистить.

Современные индукционные варочные панели так же энергоэффективны, как и традиционные электрические плиты, и примерно в два раза эффективнее газовых. Но это не обязательно означает, что они дешевле в эксплуатации.Во многих частях США природный газ намного дешевле электричества, иногда в три или четыре раза. Это отчасти объясняет более широкое распространение индукционных варочных панелей в Европе, где до недавнего времени природный газ был намного дороже электричества.

Еще одним фактором, повлиявшим на принятие, является то, что индукционные плиты и варочные панели обычно стоят больше, чем традиционные газовые или электрические плиты, хотя и не существенно. А поварам придется заменить алюминиевые, медные, немагнитные кастрюли из нержавеющей стали и керамические кастрюли, ни одна из которых не работает эффективно с индукционными варочными панелями.Быстрая проверка: если магнит прилипнет ко дну кастрюли, она будет работать на индукционной плите.

[ Редакторы журнала The Conversation, занимающиеся вопросами науки, здравоохранения и технологий, выбирают свои любимые истории. Еженедельно по средам.]

Несмотря на эти факторы, я ожидаю, что постановления о сокращении использования природного газа приведут к значительному расширению использования магнитных индукционных плит и варочных панелей. Эти меры обычно сосредоточены на недавно построенных зданиях, поэтому они не потребуют дорогостоящего переоборудования существующих домов.

Одинокие молодые люди и семьи, которые переезжают в эти новые дома, возможно, еще не приобрели много посуды и, вероятно, оценят безопасность, связанную с магнитной индукцией, особенно если у них есть дети. А первые последователи, которые готовы платить больше за электроэнергию из экологически чистых источников, за гибридный или электромобиль, могут не расстраиваться из-за того, что заплатят на несколько сотен долларов больше за варочную панель с магнитной индукцией и сковороды, которые с ней работают.

На национальном уровне U.С. может принять некоторую форму установления цен на углерод в ближайшем будущем, что повысит стоимость природного газа. Также растет беспокойство по поводу загрязнения воздуха внутри помещений газовыми приборами. Спустя более столетия после того, как это было впервые предложено, возможно, настал день приготовления пищи на солнце с помощью магнитной индукции.

О датчиках магнитной индукции | КОНТРОЛЬ И ДАТЧИКИ

О датчиках магнитной индукции

Датчики магнитной индукции MURATEC по методу магнитной индукции и фазового детектирования изобретены оригинальной оригинальностью

Принцип работы датчика датчиков магнитной индукции
Датчики магнитной индукции

MURATEC состоят из магнитного вещества, которое движется в цепи преобразования, первой катушке обмотки, второй катушке обмотки и катушке.

Обменное магнитное поле создается за счет возбуждения первой катушки обмотки первым обменным сигналом, который становится стандартом. Так как магнитное вещество движется в обмотке второй катушки, расположенной в позиции в обменном магнитном поле, получаются два выхода индукции, соответствующие каждому положению двух катушек.

  1. Первая катушка обмотки возбуждается первым обменным сигналом (aSinωt) от схемы преобразования.Два сигнала (aSinx · Sinωt / aCosx · Sinωt) с разными значениями амплитуды выводятся из второй катушки обмотки в соответствии с положением магнитного вещества.
  2. Сигнал aSinx · Sinωt смещен на 90 градусов, и предполагается, что это aSinx · Cosωt.
    Синтезируется на основе другого сигнала aCosx · Sinωt и дополнительной теоремы, и получается aSin (ωt ± X). Сигнал aSin · Sinωt смещен на 90 градусов, и предполагается, что это aSinx · Cosωt. Таким образом, полученный сигнал становится сигналом, который становится стандартом, по которому фаза сдвигается только на X.
  3. Счетчик в LSI в блоке преобразования повторяет начальный сброс каждый один цикл на основе синхронизации опорных часов с первым сигналом возбуждения. 0 обнаруживается точка пересечения синтезированного сигнала aSin (ωt ± X), и количество тактовых импульсов выводится как позиционные данные.

Характеристики

Миниатюризация достигается датчиком абсолютного выхода.

Датчики магнитной индукции достигли миниатюризации с абсолютным обнаружением, приняв структуру датчика простого метода магнитной индукции и оригинальной схемы обнаружения.Более того, это соответствует обнаружению шкалы длины путем отсчета абсолютной высоты тона.

Отличное повторение символа

Датчики магнитной индукции

обнаруживают смещение и положение, преобразуя механическое смещение в фазовую задержку (время) между сигналами и измеряя это время. В результате достигается отличный характер повторения.

Высокая точность и высокое разрешение

Датчики магнитной индукции

получают высокое разрешение за счет согласования размера механического смещения первичного детектирующего элемента с двумя двумя радианами величины сдвига фазы преобразовательной части и деления 16 битов величины сдвига фазы (это равно делению на 65536 ).

Температурный дрейф контролируется не менее

Датчики магнитной индукции

состоят из электромагнитной катушки. Величина температурного дрейфа регулируется, подавляется в преобразователе, и датчики магнитной индукции могут быть подавлены до минимума, хотя температурный дрейф возникает из-за изменения сопротивления в зависимости от температуры обмотки.

Он прочен в плохих условиях.

Первичный элемент обнаружения датчиков магнитной индукции устойчив к вибрации и ударам, поскольку он состоит только из электромагнитной катушки, а также обладает превосходной устойчивостью к воздействию масла, пыли и температуры.И т. Д. Также можно настроить часть преобразования во влиянии окружающей среды на небольшое удаленное пространство.

Не требует обслуживания

Датчики магнитной индукции

не требуют обслуживания благодаря полному бесконтактному обнаружению. Эффективность демонстрируется в достаточной степени во всех средах благодаря достижению структуры, которая затрудняет воздействие грязи.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки вашего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Магнитная индукция ближнего поля для беспроводной передачи звука и данных

Автор: Жан-Даниэль Ву, специалист по антеннам, Future Electronics

Сегодня метод магнитной индукции широко используется для связи в ближнем поле ( NFC) и приложений для беспроводной зарядки.По сравнению с Bluetooth-связью, которая работает на частоте 2,4 ГГц, технология магнитной индукции в ближнем поле (NFMI) может обеспечить более надежную, более безопасную и более низкую мощность радиосвязи внутри, на и в непосредственной близости от человеческого тела.

Во-первых, в этом документе дается обзор технологии NFMI по сравнению с NFC и Bluetooth. Затем продукты NFMI от NXP представлены как решения для беспроводной связи между телом и телом (WBAN). Далее показаны конструкция антенны NFMI и расчет бюджета линии связи в ближней зоне.Наконец, обсуждаются некоторые типичные примеры приложений с использованием наборов микросхем NFMI NXP для беспроводной передачи звука и данных.

Введение в беспроводную сеть “тело-область” (WBAN)

Быстрый рост миниатюрных сенсорных блоков тела, технологий беспроводной связи и центральных шлюзов для одного тела позволил осуществлять беспроводную связь вблизи участков тела и передачу данных датчиков в реальном времени. интернет. Ожидается, что этот WBAN [1] найдет первоначальное применение в здравоохранении, что позволит недорого и непрерывно контролировать состояние здоровья пациентов.Жизненно важные параметры хронических заболеваний, таких как сахарный диабет, сердечно-сосудистые и респираторные заболевания, можно собирать и передавать между пациентами и больницей, что является ключевой концепцией мобильного здравоохранения (mHealth) или телездравоохранения.

Рисунок 1. Иллюстрация (a) связи Bluetooth (b) Связь NFMI

Сравнение NFMI, NFC и Bluetooth для WBAN

Когда мы думаем о решении беспроводной связи для WBAN , это Bluetooth.Когда сигнал Bluetooth передается антенной, он распространяется настолько далеко, насколько это возможно, пока в нем не кончится энергия. Это называется передачей в дальней зоне. Хорошо, если сигнал нужно передать на большое расстояние. Однако у Bluetooth могут быть проблемы, если беспроводная связь должна быть очень низкой и ограничиваться довольно коротким расстоянием около участков тела. Прежде всего, человеческое тело – это неотъемлемая часть канала связи Bluetooth. Неправильное размещение устройств Bluetooth рядом с телом человека может привести к расстроенному входному сопротивлению антенны, снижению эффективности антенны и искажению диаграммы направленности антенны.Еще одна проблема – проникновение сигнала Bluetooth в организм человека. Bluetooth нельзя использовать для связи с глубоко имплантированными медицинскими устройствами. Это связано с тем, что сигнал Bluetooth может быстро поглощаться и сильно ослабляться из-за очень проводящих тканей тела. Во-вторых, помехи для диапазона Bluetooth могут быть очень высокими из-за сосуществования Bluetooth, Wi-Fi и ZigBee в диапазоне ISM 2,4 ГГц. В-третьих, наушников с Bluetooth хватает на несколько часов. Снижение энергопотребления Bluetooth и увеличение времени непрерывной работы очень важны для непрерывной работы сенсорных блоков.И последнее, но не менее важное: у Bluetooth есть потенциальные проблемы с безопасностью. Его сигнал может быть перехвачен и расшифрован после распространения в свободное пространство. Солдаты, использующие Bluetooth на поле боя, могут стать очевидными целями. Агентство национальной безопасности (АНБ) выпустило предупреждения об уязвимостях Bluetooth, которые строго ограничивают его использование в вооруженных силах.

NFMI – это беспроводная технология малого радиуса действия, которая обменивается данными между устройствами посредством сильносвязанного магнитного поля [2] .NFMI обеспечивает удобную, надежную, безопасную и энергоэффективную беспроводную связь. В системах связи NFMI модулированный сигнал, посылаемый катушкой передатчика, имеет форму магнитного поля. Это магнитное поле индуцирует напряжение на приемной катушке, которое, в свою очередь, будет измеряться приемником NFMI. Плотность мощности сигналов NFMI уменьшается со скоростью, обратно пропорциональной расстоянию до шестой мощности по сравнению со второй мощностью для сигналов Bluetooth. Это означает, что на одинаковом расстоянии плотность мощности сигналов NFMI в 10000 раз слабее сигналов Bluetooth при условии, что обе передаваемые мощности равны.Этот тип беспроводной передачи называется «ближнее поле». NFC основан на тех же принципах и использует тот же высокочастотный (HF) диапазон. Однако NFMI – это замечательная эволюция NFC, которая увеличивает расстояние считывания с 1-4 дюймов для NFC до 9 футов для NFMI. На частоте около 13 МГц NFMI обеспечивает скорость передачи данных более 400 Кбит / с на частотный канал, до 10 отдельных частотных каналов и 10 подканалов на частотный канал с использованием временного разделения. Это сотня отдельных беспроводных каналов для каждого смартфона в единой беспроводной персональной сети! Bluetooth умеет только несколько – очень плохо.Ключевые параметры и характеристики беспроводных протоколов NFMI, NFC и Bluetooth приведены на рисунке 2.

85497 400 2 -way
Стандартный NMFI NFC Bluetooth
Частота МГц [] 9036 10,6 13,56 2400
Скорость передачи данных [кбит / с] 596 106 ~ 848 230 ~ 3000
Полоса пропускания [кГц]
Диапазон До 3 м 10 см или меньше 100 м или более
Модуляция D8PSK ASK GFSK / DSSS
Пиковое потребление тока [мА] 1.35 50 12,5

Рис. 2. Сравнение различных протоколов беспроводной связи

NXP Nxh32xx Портфолио продуктов NFMI

Продукты NXP Nxh3280 / 61 с одинарным энергопотреблением имеют сверхнизкое энергопотребление. -чиповые решения. Они оптимизированы для высококачественного беспроводного аудио и потоковой передачи данных с использованием NFMI, чтобы обеспечить надежную и плотно связанную сеть вокруг тела пользователя.

Параметр Nxh3280 Nxh3281 Nxh3261
Аудиокодек G.722 SBC SBC
Полоса пропускания звука [кбит / с] 15,2 20 20
THD + N [дБ] [4] 9049 -407 -67
SNR [дБFS] -82 -93 -93
Мощность [мВт] 2,5 3,6 3,6
9036 Диапазон температур 0 ~ 60 0 ~ 60 -20 ~ 85
Диаметр выступа [мкм] 130 130 250
Размер [мм 2 ] 10.4 10,4 10,4

Рис. 3. Основные параметры чипсета Nxh32xx при частоте дискретизации 48 кГц

Рис. SDK (c) Nxh32xx ADK с CSR Bluetooth [Источник: NXP Semiconductors]

Серия Nxh32xx содержит 3 продукта, которые перечислены на Рисунке 3 [3] . Nxh3280 – это первое предложение NFMI для слуха и слуховых аппаратов.Nxh3281 повысил качество звука до уровня существующих Bluetooth-гарнитур A2DP. Наборы микросхем Nxh3261 являются стандартным пакетом для продуктов CE.

Ключевые особенности Nxh3280 / 81/61: [3] :

  • Совместимость с человеческим организмом : сигнал NFMI может проникать через ткани человеческого тела с низкой скоростью поглощения. Удельный коэффициент поглощения (SAR) в 100 раз ниже, чем у Bluetooth.
  • Больше безопасности в ближнем поле Десятки устройств могут взаимодействовать внутри магнитного пузыря вокруг человеческого тела, в то время как за пределами пузыря магнитный сигнал значительно ослабляется.
  • Программируемый клиентом контроллер : Эти продукты объединяют программируемый клиентом процессор Cortex M0 с гибкими интерфейсами, что позволяет создавать приложения потокового аудио со сверхнизким энергопотреблением без главного MCU.
  • Встроенный сетевой протокол : Можно реализовать очень гибкие встроенные сети. Он может поддерживать до 15 устройств и 2 передаваемых аудиопотока, 2 принимаемых аудиопотока и несколько потоков данных параллельно. Это оптимизированный протокол с низкими задержками при передаче данных от уха к уху.
  • Программируемый пользователем CoolFlux DSP : CoolFlux DSP с интерфейсом I2S для хоста или кодеков. Поддерживаются частоты дискретизации звука от 16 кГц до 48 кГц.
  • Высокоинтегрированный и сверхнизкое энергопотребление : Наборы микросхем Nxh32XX упакованы в виде выпуклой матрицы (<11 мм 2 ) со встроенными регуляторами питания. Они поддерживают работу без кристалла и требуют всего нескольких небольших внешних развязывающих конденсаторов. Пиковое потребление тока составляет всего 1,35 мА при 1,2 В с одним потоком TX / RX.Это всего лишь небольшая часть Bluetooth.

Чтобы упростить разработку с использованием набора микросхем Nxh3280 / 81/61 и сократить время вывода на рынок, NXP предлагает комплект для разработки программного обеспечения (SDK) и плату Application Development Kit (ADK), как показано на рисунке 4. SDK поставляется с Nxh32xx IC, главный MCU LPC1115, аудиокодек, разъемы для интерфейса SWD и периферийные устройства, такие как дисплеи и переключатели. SDK может демонстрировать однонаправленную, двунаправленную потоковую передачу стереозвука и приложение частоты ошибок по битам (BER) для оценки мощности передачи в зависимости от расстояния канала. [3] На плате ADK используется Nxh3281 с CSR8670. Есть два разных типа плат ADK. Один – с Nxh3281 и CSR9670. Другой – только с микросхемой NFMI Nxh3281. Код CSR8670 упрощен и минимально изменен по сравнению со стандартной прошивкой Sink. Платы ADK с батарейным питанием очень полезны для имитации наушников-вкладышей или наушников для наушников.

Руководство по проектированию и компоновке антенн NFMI

Выбор и размещение антенны имеют существенное влияние на дальность действия и характеристики, которые могут быть максимально достигнуты с помощью радиостанции NFMI.В отличие от обычно используемых однополюсных антенн (керамический чип / PIFA / Inverted-L) или дипольных антенн (например, штыревых антенн) для связи на больших расстояниях в дальней зоне, антенны NFMI представляют собой не что иное, как катушки индуктивности со слабой связью. В этом разделе сначала представлена ​​модель эквивалентной схемы антенной катушки NFMI. Затем обсуждается модель канала NFMI, после чего обсуждается чувствительность антенной катушки в зависимости от диапазона Tx-Rx. Наконец, обсуждаются рекомендации по проектированию и размещению антенн.

Этот раздел очень полезен для понимания и проектирования всех типов антенн ближнего поля для NFC и беспроводной зарядки.

Рисунок 5. Модель антенной катушки NFMI

Конструкция антенны : Рисунок 5 показывает эквивалентную схему модели антенной катушки. L м – индуктивность антенной катушки. Rm – эквивалентное сопротивление, а C m – паразитная емкость между витками катушек.

Где β – постоянная модификатора индуктивности, l, d и A – длина, диаметр и поперечное сечение антенной катушки соответственно.N – количество витков антенных катушек. μ 0 – проницаемость свободного пространства, а μ стержня – эквивалентная проницаемость ферритового стержня.

Антенна NFMI может быть подключена к микросхеме NFMI напрямую без согласования сети. Это связано с тем, что перестраиваемые резисторы и конденсаторы (RC) встроены в микросхему. Настраиваемая емкость и сопротивление могут изменяться в определенном диапазоне для автоматической компенсации расстройки антенн NFMI.

Наборы микросхем Nxh3280 / 81/61

Предполагая, что настройка C составляет 60 пФ, так как несущая частота f c равна 10,6 МГц, мы имеем

Поскольку полоса пропускания равна B = 400 кГц, коэффициент качества системы Q sys можно рассчитать как

Чтобы иметь систему Q sys = 26.5. Принимая во внимание все потери в системе, общее сопротивление системы R sys

, поэтому сопротивление антенны R м должно быть выбрано как

И затем добротность Q м

Последним ключевым параметром антенн NFMI является собственная резонансная частота f res , которая предпочтительно выбирается в 3-4 раза выше, чем несущая частота f c .Расчетная индуктивность L м , сопротивление R м , коэффициент качества Q м и собственная резонансная частота f res могут быть проверены с помощью таблицы данных антенны NFMI на рисунке 7.

Условия измерения:
Температура 23 ° C (73,4 ° F) ± 5 ° C (64,4 ° F-82,4 ° F)

Nxh32xx Системные требования
Несущая частота 10.6 МГц
Полоса пропускания антенны 400 кГц
C tune 40 ~ 80pF
R tune 6.25 ~ 200kΩ
Параметры Значение Единица Комментарии
Номинальная индуктивность L 3.7 мкГн
Допуск индуктивности L 5 %
Q-фактор > 80 Vosc = 500 мВ; f = 10 МГц
Первая частота саморезонанса > 40 МГц

Рисунок 7. Электрические параметры коммерческой антенны NFMI [6] .

Расчет бюджета канала : Расчет бюджета канала для слабосвязанных спиральных антенн сильно отличается от уравнения передачи Фрииса, обычно используемого для оценки дальности беспроводной связи на большие расстояния в дальней зоне [7] .

Рисунок 8. Линия радиосвязи NFMI для расчета чувствительности

Как показано на Рисунке 8, мощность передачи передатчика NFMI составляет P TX , тогда напряжение на антенной катушке можно рассчитать как

Предполагая, что коэффициент связи между приемником и передатчиком равен K, мы имеем

Где k ∝ l 2 d ⁄ r 3 , если оставить L m постоянным.Напряжение на входе схемы приемника можно рассчитать как

Из уравнения (7) – (9) мы можем рассчитать чувствительность приемника как

Уравнение (10) очень важно для определения один, чтобы разработать или выбрать лучшую антенну для приложений NFMI, NFC и беспроводной зарядки. Процесс определения параметров антенны можно резюмировать следующим образом:

  • Сначала выберите несущую частоту f c и определите необходимое номинальное значение индуктивности L м на основе емкости C настроенного настроенного R C бак.
  • Затем определите коэффициент качества системы Q sys на основе полосы пропускания системы B и несущей частоты f c .
  • А затем рассчитайте полное сопротивление R sys из Q sys , L m и несущей частоты f c . Таким образом, максимальное сопротивление антенны R м можно оценить с помощью уравнения (5).
  • Наконец, собственная резонансная частота f res может быть выбрана в 3-4 раза выше, чем f c .

Убедившись, что индуктивность антенны L м не изменилась, чтобы расширить диапазон связи NFMI, из уравнения (10):

  • Увеличение диаметра d антенной катушки на 2 может увеличить чувствительность на 6 дБ.
  • Увеличение длины l антенной катушки на 2 может увеличить чувствительность на 12 дБ.
  • Увеличение коэффициента качества системы Q sys (уменьшение сопротивления системы) на 2 может увеличить чувствительность на 6 дБ.
  • Увеличение расстояния r между двумя катушками на 2 уменьшит чувствительность на 18 дБ.
  • Чувствительность не зависит от числа витков N антенной катушки, поскольку мы сохраняем индуктивность L м постоянной.

Чувствительность Rx Диапазон для 400 мкВт Мощность Tx для 25 см
50 мкВ [+ 0 дБ] 25,0 см [100%] 60 мкВ [+ 1 дБ] 26.5 см [106%] 400 мкВт [100%]
71 мкВ [+ 3 дБ] 28 см [112%] 200 мкВт [50%]
100 мкВ [+ 6 дБ] 31,5 см [126 %] 100 мкВт [25%]

Рисунок 9. Взаимосвязь между чувствительностью Rx, диапазоном Tx и требуемой мощностью Tx

Рисунок 9 показывает, как изменяется чувствительность Rx (столбец 1) преобразуется в изменение диапазона (столбец 2), когда мощность Tx остается постоянной, или в изменение требуемой мощности передачи (столбец 3), когда расстояние между антенными катушками остается постоянным.

Соображения по интеграции: Правильное размещение и компоновка антенны NFMI очень важны для достижения теоретической максимальной дальности. Есть несколько общих рекомендаций, которым мы можем следовать, чтобы минимизировать шум, который может улавливаться антеннами NFMI.

  • Убедитесь, что антенны выровнены коаксиально, и не размещайте их перпендикулярно друг другу.
  • Подключите антенну NFMI к печатной плате, используя витые провода, если это возможно.
  • Отведите следы антенны от других сигналов, таких как I 2 S, I 2 C и других высокоскоростных сигналов.
  • Освободите область под антенными соединениями от сигнальных дорожек и переходных отверстий.
  • Разместите антенну подальше от медных плоскостей печатной платы и шумных компонентов, таких как преобразователи постоянного тока в постоянный.
  • Избегайте использования токовых петель; они излучающие. Используйте слои грунта.
  • Зарезервируйте место или защитные банки для уменьшения потенциальных радиационных сигналов.

Применение продуктов Nxh3280 / 81/61

Беспроводные наушники : беспроводные наушники с поддержкой только Bluetooth имеют потенциальные проблемы «приостановки» из-за отсутствия сигнала радиоканала, вызванного поглощением человеческого тела.NFMI – единственное решение для высококачественной беспроводной потоковой передачи музыки в области тела. На рис. 10 показана потоковая передача музыки с устройства с поддержкой Bluetooth при одновременном сборе сенсорной информации, измеренной в слуховом проходе. В левом наушнике есть устройство Bluetooth и радио NFMI. Правому не требуется устройство Bluetooth, а требуется только одно радио NFMI. Чтобы компенсировать задержку, вызванную передачей звука между радиостанциями NFMI, важно реализовать линию задержки в устройстве Bluetooth в левом наушнике перед аудиокодеком.Обычно рекомендуется частота дискретизации звука 48 кГц. Также возможно установить двунаправленный канал передачи для данных датчиков, который обеспечивает скорость передачи данных 50 кбит / с поверх аудиопотока.

Рисунок 10. Потоковая передача музыки + мониторинг жизненно важных параметров с помощью Bluetooth и NFMI

Также возможна потоковая передача музыки и мониторинг жизненно важных параметров с помощью устройств NFMI без Bluetooth. Как показано на Рисунке 11, в этом случае музыка не передается ни с каких устройств Bluetooth.Вместо этого радио NFMI может воспроизводить музыкальный файл, который уже хранится во встроенной флэш-памяти, расположенной в левом наушнике. Данные датчика также могут храниться во встроенной вспышке. Потоковая передача музыки и передача данных используют одну и ту же полосу пропускания.

Наушники также можно использовать в качестве гарнитуры Bluetooth (Рисунок 12). В этом приложении данные датчиков не собираются и не обмениваются. По сравнению с наушниками только с Bluetooth, приложение гарнитуры использует NFMI для воспроизведения потоковой музыки с одного наушника на другой.Таким образом, человеческая голова никогда не нарушит радиосвязь потоковой передачи музыки и значительно повысит надежность радиосвязи.

Рисунок 11. Автономная потоковая передача музыки + мониторинг жизненно важных параметров с помощью NFMI

Рисунок 12. Приложение для гарнитуры с использованием Bluetooth и NFMI

Wireless Implantable Sensor Wireless Implantable Sensor Wireless Implantable Sensor продвинулся до уровня, когда беспроводные датчики могут быть встроены в имплантаты.Эти датчики могут использоваться для измерения таких ключевых параметров, как артериальное давление, температура и силы внутри человеческого тела. Эти пассивные имплантируемые датчики должны быть совместимы с тканями человека, иметь небольшие размеры и быть достаточно прочными, чтобы выдерживать любые физические силы, прикладываемые человеческим телом. Они также должны иметь возможность передавать данные по беспроводной сети. Поскольку радиосвязь NFMI очень чувствительна к выравниванию антенны, после сбора и отправки данных по радио NFMI внутри имплантируемых датчиков необходимо иметь несколько приемных антенн NFMI для обнаружения передаваемого сигнала.По крайней мере, одна из этих приемных антенн имеет хорошее соединение с датчиком.

Рис. 13. Передача данных для беспроводных имплантируемых датчиков

Заключение : NFMI – это беспроводная технология ближнего действия, которая идеально подходит для сетей «тело-область», поскольку NFMI дружественна к человеческому телу, естественно приватный, очень надежный и энергоэффективный. Это идеальная технология для беспроводных наушников, слуховых инструментов и беспроводных имплантируемых датчиков.Сочетая технологию NFMI с беспроводной зарядкой за счет использования одной и той же антенны, NFMI обладает большим потенциалом в предоставлении полностью беспроводных устройств малого форм-фактора, высококачественных слуховых устройств и имплантируемых датчиков. Без сомнения, NFMI существенно повлияет на индустрию носимых / слуховых аппаратов и нашу повседневную медицинскую практику.

Ссылки:
[1] https://en.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *