Закон электромагнитной индукции кратко: Закон электромагнитной индукции: научный путь и исследования

Закон электромагнитной индукции: научный путь и исследования

Содержание

• 1 История Майкла Фарадея
• 2 Научный путь Фарадея
• 3 Исследования электромагнетизма
• 4 Открытие закона электромагнитной индукции

Закон электромагнитной индукции – это формула, поясняющая образование ЭДС в замкнутом контуре проводника при изменениях напряжённости магнитного поля. Постулат объясняет работу трансформаторов, дросселей и прочих изделий, обеспечивающих сегодня развитие техники.

Формула образования ЭДС

История Майкла Фарадея

Майкла Фарадея забрали из школы вместе со старшим братом, послужил поводом – дефект речи. Первооткрыватель электромагнитной индукции картавил, раздражая учительницу. Та дала денег, дабы купили палку и высекли потенциального клиента логопеда. Причём старшему брату Майкла.

Будущий светило науки был поистине любимцем судьбы. На протяжённости жизненного пути он, при должной настойчивости, находил помощь. Брат с презрением вернул монету, сообщив об инциденте матери. Семья не считалась богатой, и отец, талантливый ремесленник, с трудом сводил концы с концами. Братья рано стали искать работу: семья жила на милостыню с 1801 года, Майклу в ту пору шёл десятый год.

С тринадцати Фарадей поступает в книжную лавку разносчиком газет. Через весь город едва-едва успевает по адресам на противоположных концах Лондона. Ввиду прилежности хозяин Рибо дарует Фарадею место ученика переплётчика на семь лет бесплатно. В давнюю пору человек с улицы платил мастеру за процесс приобретения ремесла. Как и Георгу Ому умение механика, Фарадею в будущем процесс переплётного дела пригодился в полной мере. Большую роль сыграл факт, что Майкл скрупулёзно читал книги, попадающие к нему в работу.

Майкл Фарадей

Фарадей пишет, что одинаково охотно верил трактату миссис Марсет (Беседы о химии) и сказкам Тысячи и одной ночи. Желание стать учёным сыграло в этом деле важную роль. Фарадей избирает два направления: электричество и химию. В первом случае основным источником знаний служит Британская энциклопедия. Пытливый ум требует подтверждения написанного, юный переплётчик постоянно проверяет знания на практике. Фарадей становится опытным экспериментатором, что сыграет ведущую роль при исследовании электромагнитной индукции.

Напомним, что речь идёт об ученике без собственного дохода. Старший брат и отец посильно оказывали помощь. Начиная с химических реактивов и заканчивая сборкой электростатического генератора: для опытов нужен источник энергии. Одновременно Фарадей умудряется посещать платные лекции естествознания и скрупулёзно заносит знания в блокнот. Потом переплетает заметки, пользуясь приобретёнными навыками. Срок ученичества заканчивается в 1812 году, Фарадей начинает искать работу. Новый хозяин не столь покладист, и, несмотря на перспективу сделаться наследником дела, Майкл на пути к открытию электромагнитной индукции.

Научный путь Фарадея

В 1813 году судьба улыбается учёному, давшему миру представление об электромагнитной индукции: удаётся попасть на место секретаря к сэру Хампфри Дэви, недолгий период знакомства в будущем сыграет роль. Фарадею невыносимо исполнять долее обязанности переплётчика, он пишет письмо Джозефу Бэнксу, тогдашнему президенту Королевского научного общества. О характере деятельности организации расскажет факт: Фарадей получил место, называемое старший прислужник: помогает лекторам, вытирает пыль с оборудования, следит за транспортировкой. Джозеф Бэнкс игнорирует послание, Майкл не унывает и пишет Дэви. Ведь прочих научных организаций нет в Англии!

Хампфри Дэви

Дэви относится с большим вниманием, поскольку лично знаком с Майклом. Не будучи одарён от природы умением говорить – вспомним про школьный опыт – и излагать мысли письменно, Фарадей берет специальные уроки для развития необходимых навыков. Опыты тщательно систематизирует в блокноте, мысли излагает в кружке друзей и единомышленников. К моменту знакомства с сэром Хампфри Дэви достигает недюжинного мастерства, тот ходатайствует о принятии новоиспечённого учёного на вышеупомянутую должность. Фарадей рад, а изначально фигурировала идея назначить будущего гения мыть посуду…

По воле рока Майкл вынужден слушать лекции на разные темы. Помощь профессорам требовалась лишь периодически, в остальном допускалось находиться в аудитории и слушать. Учитывая, сколько стоит образование в Гарварде, это стало неплохим досугом. Через полгода блестящей работы (октябрь 1813 года) Дэви приглашает Фарадея в путешествие по Европе, война окончена, нужно оглядеться. Это стало хорошей школой первооткрывателю электромагнитной индукции.

По возвращении в Англию (1816 год), Фарадей получает звание лаборанта и публикует первую работу по исследованию известняка.

Исследования электромагнетизма

Явление электромагнитной индукции заключается в наведении ЭДС в проводнике под действием изменяющегося магнитного поля. Сегодня на этом принципе работают приборы, начиная трансформаторами и заканчивая варочными панелями. Первенство в области отдано Гансу Эрстеду, 21 апреля 1820 года заметившему действие замкнутой цепи на стрелку компаса. Подобные наблюдения публиковались в виде заметок Джованни Доменико Романьози в 1802 году.

Джованни Доменико Романьози

Заслуга датского учёного в привлечении к делу многих видных учёных. Итак, замечено, что стрелка отклоняется проводником с током, и осенью упомянутого года появился на свет первый гальванометр. Измерительный прибор на ниве электричества стал большим подспорьем многим. Попутно высказывались различные точки зрения, в частности, Волластон огласил, что неплохо заставить проводник с током вращаться непрерывно под действием магнита. В 20-е годы XIX века вокруг указанного вопроса царила эйфория, до этого магнетизм и электричество считались независимыми явлениями.

Оенью 1821 года задумку воплотил в жизнь Майкл Фарадей. Утверждают, что тогда на свет появился первый электрический двигатель. 12 сентября 1821 года в письме Гаспару де ла Риву Фарадей пишет:

«Я выяснил, что притяжения и отталкивания магнитной стрелки проводом с током – детская забава. Некая сила станет вращать непрерывно магнит под действием электрического тока. Я построил теоретические выкладки и сумел реализовать на практике».

Письмо к де ла Риву не стало случайностью. По мере становления на научном поприще Фарадей обрёл немало сторонников и единственного непримиримого противника… сэра Хампфри Дэви. Экспериментальная установка объявлена плагиатом идеи Волластона. Примерная конструкция:

1. Серебряная чаша заполнена ртутью. Жидкий металл обладает хорошей электропроводностью и служит подвижным контактом.
2. На дне чаши находится лепёшка воска, куда одним полюсом воткнут стержневой магнит. Второй возвышается над поверхностью ртути.
3. С высоты свисает провод, подключённый к источнику. Конец его погружен в ртуть. Второй провод — возле края чаши.
4. Если пропускать через замкнутую цепь постоянный электрический ток, провод начинает описывать по ртути круги. Центром вращения становится постоянный магнит.

Электромагнетизм

Конструкцию называют первым в мире электрическим двигателем. Но эффект электромагнитной индукции ещё не проявляется. Налицо взаимодействие двух полей, не более. Фарадей, кстати, не остановился, и сделал чашу, где провод неподвижный, а магнит двигается (образуя поверхность вращения – конус). Доказал, что нет принципиальной разницы между источниками поля. Потому индукция называется электромагнитной.

Немедленно Фарадея обвинили в плагиате и травили несколько месяцев, о чем он с горечью писал доверенным друзьям. В декабре 1821 года состоялась беседа с Волластоном, казалось, инцидент исчерпан, но… чуть позже группа учёных возобновила нападки, главой оппозиции стал сэр Хампфри Дэви. Смысл основных претензий заключался в противостоянии идее принятия Фарадея в члены Королевского общества. Это тяжким грузом давило на будущего открывателя закона электромагнитной индукции.

Открытие закона электромагнитной индукции

На время Фарадей, казалось, оставил идею исследований на ниве электричества. Сэр Хампфри Дэви был единственным, кто бросил шар против кандидатуры Майкла. Возможно, бывший ученик не хотел расстраивать покровителя, бывшего на тот момент президентом общества. Но постоянно терзала мысль о единстве природных процессов: если электричество удалось превратить в магнетизм, нужно попробовать сделать обратное.

Эта идея зародилась — по некоторым сведениям — в 1822 году, и Фарадей постоянно носил с собой кусок железняка, напоминавшего, служившего «узелком на память». С 1825 года, являясь полноправным членом Королевского общества, Майкл получает должность начальника лаборатории и немедленно совершает нововведения. Персонал теперь раз в неделю собирается на лекции с наглядными демонстрациями приборов. Постепенно вход становится открытым, даже дети получают возможность опробовать новое. Эта традиция положила начало знаменитым пятничным вечерам.

Целых пять лет занимался Фарадей оптическим стеклом, группа не достигла больших успехов, но практические результаты имелись. Произошло ключевое событие – обрывается жизнь Хампфри Дэви, постоянно противившегося опытам с электричеством. Фарадей отклоняет предложение о новом пятилетнем контракте и начинает теперь уже в открытую исследования, которые привели прямиком к магнитной индукции. Согласно литературе серия длилась 10 дней, неравномерно раскиданных в период с 29 августа по 4 ноября 1831 года. Фарадей описывает собственную лабораторную установку:

Из мягкого (с сильными магнитными свойствами) железа круглого сечения диаметром 7/8 дюйма я изготовил кольцо с внешним радиусом 3 дюйма. Фактически получился сердечник. Три первичные обмотки отделялись друг от друга хлопчатобумажной тканью и портняжным шнуром, чтобы удавалось объединить в одну или употреблять раздельно. Длина медного провода в каждой составляет 24 фута. Качество изоляции проверено при помощи элементов питания. Вторичная обмотка состояла из двух сегментов, по 60 футов длиной каждый, отстояла от первичной на расстояние.

От источника (предположительно элемент Волластона), имевшего в составе 10 пластин, площадью по 4 квадратных дюйма каждая, подавалось питание на первичную обмотку. Концы вторичной закорочены куском провода, в трёх футах от кольца вдоль цепи размещалась стрелка компаса. При замыкании источника питания намагниченная игла немедленно приходила в движение, и через интервал возвращалась на первоначальное место. Очевидно, что первичная обмотка вызывает отклик во вторичной. Сейчас бы сказали, что магнитное поле распространяется по сердечнику и наводит ЭДС на выходе трансформатора.

При обрыве питания эффект повторялся. Возникает паразитная противо-ЭДС, с которой боролся Никола Тесла, создавая спиралевидные катушки. На следующий день (30 августа) Фарадей анализирует результат опытов и пытается сопоставить увиденное с уже известными науке фактами. На ум приходит опыт Араго 1822 года, показавшего взаимосвязь вращения магнитной стрелки и медного диска. Читатели уже догадались, что игла взаимодействовала с полем индукционных токов. Так был открыт закон электромагнитной индукции.

суть явления, закон Фарадея, формулы

Электромагнитная индукция – это очень важное физическое явление, используемое в работе многих устройств, таких как трансформатор, генератор переменного напряжения, индукционная плита. Оно также имело большое теоретическое значение – привело к открытию электромагнитной волны.

Фарадея, первооткрывателя явления электромагнитной индукции, посетил в своей лаборатории министр финансов Великобритании и спросил:

• ” Какую пользу человечество получит от вашего исследования? “

Фарадей ответил:

• ” Трудно судить, но я уверен, что вы будете собирать с этого налоги. “

Он не ошибся – НДС в той же Великобритании добавляется к цене электроэнергии, поставляемой в дом.

Приведенный выше список применений, хотя и неполный, впечатляет. Они, безусловно, присутствуют в нашей жизни и являются инженерными разработками явления электромагнитной индукции.

В чем заключается явление электромагнитной индукции?

В общем смысле явление электромагнитное индукции заключается в генерации электрического тока с помощью магнитного поля.

Скажем точнее, явление электромагнитной индукции заключается в образовании электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике в результате изменения потока магнитного поля, пронизывающего поверхность, охватывающую проводник. В замкнутой цепи электродвижущая сила (ЭДС) вызывает протекание электрического тока.

В приведенном выше определении явления могут быть неясными два понятия – ЭДС индукции и магнитный поток.

ЭДС индукции.

Абсолютная величина электродвижущей силы ( ЭДС индукции с символом ε_инд ) есть работа внешней силы A_z, которая вызывает перемещение единичного заряда по цепи. Следовательно: | ε_инд | = A_z / q .

Как видите, в определении мы использовали абсолютное значение ЭДС индукции. Это потому, что оно может быть отрицательным, при определенных ситуациях. С другой стороны, работа внешних сил, согласно принципу сохранения энергии, всегда, при генерации электрического тока, должна быть положительной.

Определение потока магнитной индукции.

Поток магнитной индукции B через поверхность S называется скалярным произведением векторов B и S: dФ = B * S * cos α , где α – угол между двумя векторами, а S – вектор, перпендикулярный поверхности S с величиной, равной площади этой поверхности.

Магнитный поток будет меняться при изменении любой величины, входящей в формулу – площади поверхности, значения магнитной индукции, угла между площадью поверхности и вектором индукции – при сохранении постоянства остальных переменных. Конечно, все эти величины могут изменяться одновременно, но таким образом, что их произведение не остается постоянным.

О том, что электрический ток является источником магнитного поля, было известно с 1820 года (работа Орстеда). Фарадей задался вопросом, не верно ли и обратное – не может ли магнитное поле быть источником (причиной) электрического тока. Однако дело оказалось не таким простым. Только в 1831 году ученый наблюдал это явление при определенных особых обстоятельствах. Оказалось, что при стабильных условиях электрический ток не возникает.

Почему это происходит? Даже в очень сильном, но постоянном во времени магнитном поле электрический ток не будет течь в замкнутой цепи “сам по себе”. Он течет только тогда, когда мы соответствующим образом перемещаем контур или изменяем магнитное поле, в котором находится контур.

Когда Фарадей обратил внимание на условия, при которых в присутствии магнитного поля возникает электрический ток, он провел десятки экспериментов, которые обобщил и из которых сделал количественные выводы в виде закона электромагнитной индукции. Мы не будем здесь говорить об этом законе, а сосредоточимся только на сути явления электромагнитной индукции. Мы попытаемся увидеть двойственность этого явления, т.е. то, что оно имеет две разновидности, и ответить на вопрос, почему электрический ток течет при определенных условиях.

Мы рассмотрим, какие силы вызывают индукционный ток, т.е. какие силы действуют на свободные заряды в проводнике, заставляя их двигаться.

Эксперимент Фарадея 1831 года, демонстрирующий электромагнитную индукцию между двумя катушками (см. рисунок 1).

Справа находится аккумулятор, питающий меньшую из двух катушек (A), которая создает магнитное поле. Когда эта катушка находится в состоянии покоя, индукционный ток не наблюдается. Однако если переместить его внутрь большей катушки (B), переменный магнитный поток индуцирует в ней ток. Мы обнаруживаем это, наблюдая за колебаниями стрелки гальванометра (G) слева.

Рис. 1. Эксперимент Фарадея 1831 года, демонстрирующий электромагнитную индукцию между двумя катушками (см. рисунок 1). Источник: J. Lambert [Public domain], Wikimedia Commons)

Закон электромагнитной индукции Фарадея

Явление электромагнитной индукции описывается законом Фарадея, первооткрывателя и исследователя этого явления.

Представьте себе простейший контур с подвижной стороной, помещенный в магнитное поле так, чтобы поверхность контура была перпендикулярна линиям магнитного поля (рис. 2.).

Рис. 2. Контур с подвижной стороной (перекладиной)

Мы перемещаем контур со скоростью v вправо. Это изменяет поток магнитной индукции, пронизывающий поверхность, охватываемую контуром, обозначенным на рисунке более темным цветом.

Вспоминая определение магнитного потока индукции, мы можем понять, почему изменяется поток Ф_B (рис. 2) – потому что, значение площади S поверхности увеличивается .

Вследствие изменения потока магнитной индукции в рассматриваемой цепи возникнет электродвижущая сила индукции и, следовательно, потечет электрический ток.

Рис. 3. Внешняя сила F_z уравновешивает электродинамическую силу F_ed , действующую на контур, движущийся с постоянной скоростью v

В рассматриваемом нами случае легко вычислить работу внешней силы, предполагая постоянную скорость движения контура. Внешняя сила F_z действует в соответствии со смещением контура (и вектором скорости) и в любой момент уравновешивает электродинамическую силу (силу Ампера) F_ed, действующую в противоположном направлении (рис. 3.). Согласно определению работы A_z = F * Δx где Δx – смещение контура во времени Δt.

Величина силы F_z равна величине электродинамической силы (силе Ампера) F_ed, действующей на контур. Поэтому A_z = I * L * B * Δx, где – I сила индукционного тока, протекающего в цепи (и в контуре), L – длина контура (той части, где протекает электрический ток), B – величина магнитной индукции. Давайте введем наше выражение в определение ЭДС индукции. Зная, что q = I * Δt, получаем:

| ε_инд | = A_z / q = I * L * B * Δx / I * Δt = B * L * Δx / Δt = B * ΔS / Δt = dФ_B / dt.

Мы получили интересный результат. Абсолютное значение ЭДС индукции равно скорости изменения потока магнитной индукции.

В рассматриваемом здесь случае поток магнитной индукции изменяется равномерно во времени. В общем случае это совсем не обязательно. Вот почему мы пишем: ε_инд = ΔФ_B / Δt , где Δt → 0, который в сокращенном виде записывается как dФ_B / dt . Это производная магнитного потока по времени.

Хотя наш вывод формулы относится к одному примеру, оказывается, что выведенное отношение является общим. Необходимо сделать лишь небольшую поправку. Это знак минус, который связан с определенной условностью и принципом сохранения энергии.

Таким образом, закон электромагнитной индукции Фарадея записывается следующим образом: ε_инд = – dФ_B / dt и формулируется так:

Для любого контура индуцированная электродвижущая сила (ЭДС) равна скорости изменения магнитного потока, проходящего через этот контур, взятой со знаком минус.

Википедия

Знак “минус” означает, что ЭДС индукции действует так, что индукционный ток препятствует изменению потока. Этот факт отражён в правиле Ленца.

Этот закон верен независимо от того, как изменяется поток магнитного поля; когда изменение вызвано относительным движением источника магнитного поля и контура, или когда движения вообще нет, но значение магнитной индукции меняется.

Закон Фарадея – это универсальный, всеобъемлющий и полный математический отчет о явлении электромагнитной индукции.

Вернемся на мгновение к нашему примеру и отметим, что скорость изменения потока, а значит и абсолютное значение ЭДС индукции, в данном случае равна произведению B*L*v. Это следует из ранее написанных соотношений, а именно:

| ε_инд | = A_z / q = I * L * B * Δx / I * Δt = B * L * Δx / Δt = B * L * ( Δx / Δt ) = B * L * v .

Правило Ленца.

Правило Ленца позволяет быстро и легко определить направление индукционного тока. Это действительно одна из форм принципа сохранения энергии. Правило гласит, что индукционный ток, наведенный в проводнике под действием переменного потока магнитной индукции, всегда имеет такое направление, что магнитное поле, создаваемое этим индукционным током, противодействует причине (т.е. изменению потока магнитного поля), которая его вызвала.

Пример задачи

Дано:

Контур в форме квадрата со стороной d = 0,5 м “втягивается” с постоянной скоростью v = 4 м/с в область однородного магнитного поля, величина индукции которого B = 1 Тл (см. рис. 4). Электрическое сопротивление цепи равно R = 2 Ом.

Рис. 4. Пример задачи по электростатической индукции

Нам нужно найти ответы на следующие вопросы:

a) Когда (в какой момент/моменты) в рамке будет протекать электрический ток?

б) Определите направление этого электрического тока.

(в) Вычислите значение силы, действующей на рамку при ее перемещении в соответствии с направлением вектора скорости. Предположите отсутствие механического сопротивления движению.

Решение.

(a) Индукционный ток протекает при изменении потока магнитной индукции через поверхность, охваченную контуром. В ситуации, показанной на рисунке 4, магнитный поток равен нулю и будет оставаться таковым до тех пор, пока правый край контура не коснется границы области магнитного поля. Затем, по мере движения контура, он будет все больше и больше заполняться магнитным полем – магнитный поток будет увеличиваться. Поэтому выполняется условие электромагнитной индукции, т.е. начинает протекать индукционный ток. Как долго? Это легко вычислить, поскольку движение рамы равномерно:

t = d / v = 0,5 / 2 = 0,25 секунд

Ток будет течь до тех пор, пока весь квадрат не войдет в магнитное поле. Тогда поток будет ненулевым, но больше не будет меняться.

б) Воспользуемся правилом Ленца. Мы уже заметили, что поток магнитной индукции при “втягивании” контура в магнитное поле увеличивается. Поэтому индукционный ток будет протекать в таком направлении, чтобы противодействовать увеличению потока.

Магнитное поле, создаваемое индукционным током с вектором индукции B_инд, будет противоположно вектору B.

Таким образом, вектор B_инд направлен в нашу сторону. Если расположить таким образом большой палец правой руки, остальные согнутые пальцы покажут направление индукционного тока. Ток будет течь против часовой стрелки.

(в) Снова воспользуемся равномерностью движения рамы. Обратите внимание, что сила, которая действует на рамку при ее перемещении по вектору скорости (например, сила моей руки), не может быть единственной силой, действующей на квадрат. Если бы это было так, он бы двигался с ускорением. Поскольку движение равномерное, это означает, что в каждый момент времени существует сила, которая уравновешивает силу моей руки. Это и есть электродинамическая сила. Ведь теперь в рамке течет ток, и часть его протекает в магнитном поле (см. рис. 5).

Рис. 5

Красная стрелка показывает направление электрического тока. Электродинамическая сила (сила Ампера) действует слева (я определил ее с помощью правила трех пальцев). На верхнюю часть рамки и нижнюю часть также действуют электродинамические силы, но они аннулируют друг друга.

Подведем итог: электродинамическая сила уравновешивает силу моей руки. Таким образом, я могу сравнить значения обеих сил, то есть F = F_ed = B * I * d, где I – сила индукционного тока. Теперь достаточно рассчитать значение силы этого тока. Мы будем использовать закон Фарадея и закон Ома для участка цепи. Давайте начнем с последнего: поскольку нас интересует только значение I, мы напишем

I = ε_инд / R .

| ε_инд | = ΔФ_B / Δt = Δx * d * B / Δt = ( Δx / Δt ) * d * B = v * d * B .

После подстановки в I получаем: I = ε_инд / R = v * d * B / R .

В конечном итоге искомое значение силы будет выражено через: F_ed = B * I * d = ( B * d * v * d * B ) / R = ( B² * d² * v ) / R .

Подставляя численные значения получим: F_ed = F = ( 1² * 0,5² * 4 ) / 2 = 0,5 Н .

Список использованной литературы

1. Миллер М. А., Пермитин Г. В. Электромагнитная индукция // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая российская энциклопедия, 1999. — Т. 5: Стробоскопические приборы — Яркость. — С. 537—538. — 692 с. — 20 000 экз. — ISBN 5-85270-101-7.
2. М. Лившиц. Закон электромагнитной индукции или «правило потока»? // Квант. — 1998. — № 3. — С. 37—38.
3. Физика, базовый уровень, 11 класс, учебник – Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е., Исаев Д.А., Чаругин В.М

10.2: Электромагнитная индукция — технические библиотеки LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Идентификатор страницы

25022

• Джеймс М. Фиоре
• Муниципальный колледж Mohawk Valley

Возможно, наиболее важным наблюдением, касающимся магнитных систем, является закон электромагнитной индукции Фарадея. Вкратце, там указано:

\[\text{Если проводник перерезать изменяющимися магнитными силовыми линиями, в проводнике возникнет напряжение.} \label{10.1} \]

Точнее,

\[e = – \frac{d \Phi}{dt} \label{10.2} \]

Где

\(e\) – индуцированное напряжение,

\(d\Phi /dt\) скорость изменения магнитного потока во времени.

Следовательно, чем больше поток и чем быстрее он колеблется, тем больше индуцируемое напряжение. Здесь важно относительное изменение по отношению к проводнику и полю. Это может быть достигнуто двумя основными способами: магнитным полем, которое само колеблется вокруг неподвижного проводника, или проводником, движущимся через магнитное поле.

Концепция электромагнитной индукции является ключевым элементом различных преобразователей. Проще говоря,

\[\text{Преобразователь — это устройство, преобразующее энергию одного вида в другой.} \label{10.3} \]

Хотя многие люди не считают их таковыми, электродвигатели и генераторы являются прекрасными примерами преобразователей. Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую, а генератор делает прямо противоположное, преобразуя механическую энергию в электрическую. Чаще слово «преобразователь» ассоциируется с такими устройствами, как громкоговорители и микрофоны. Громкоговоритель преобразует свой электрический вход в волну акустического давления (звук), тогда как микрофон выполняет дополнительную функцию преобразования волны акустического давления в электрический сигнал. Хотя существуют разные способы создания этих устройств, наиболее распространенными конструкциями являются динамический громкоговоритель и динамический микрофон, оба из которых основаны на принципе электромагнитной индукции. Конструкции этих двух устройств поразительно похожи, в основном они различаются по размеру и оптимизации деталей.

Давайте подробнее рассмотрим, как они работают.

Динамические громкоговорители и микрофоны

Независимо от выходных характеристик и частотного диапазона все динамические громкоговорители имеют общий набор элементов. Соответствующие элементы можно найти в динамических микрофонах. Действительно, устройства настолько похожи, что в некоторых приложениях маленькие громкоговорители могут выполнять двойную функцию и переключаться в режим работы микрофона. Вид в разрезе громкоговорителя, предназначенного для воспроизведения низких частот, показан на рис. 10.2.1. .

Рисунок 10.2.1 : вид динамика в разрезе. A. Рама B. Подвеска C. Провод D. Крестовина E. Магнит F. Диафрагма G. Формирователь звуковой катушки H. Звуковая катушка I. Пылезащитный колпачок Изображение предоставлено Audio Technology.

Сердцем системы является звуковая катушка (H), которая представляет собой катушку из плотно намотанной магнитной проволоки. Он находится внутри магнитного поля, которое создается мощным постоянным магнитом (E).

Звуковая катушка соединена с диафрагмой (F), которая обычно изготавливается из бумаги или пластика. Этот узел соединен с рамой крестовиной (D) в верхней части звуковой катушки и подвесом на конце диафрагмы (B). Звуковая катушка и диафрагма могут перемещаться вперед и назад относительно корпуса, как поршень.

Рисунок 10.2.2 : Магнитное поле вокруг катушки. Изображение ©, предоставлено HyperPhysics

Чтобы понять принцип действия, вспомните, что прохождение тока через катушку с проводом создает магнитное поле вокруг катушки, как показано на рис. 10.2.2. . Это магнитное поле такое же, как и у обычного магнита. В этом случае северный полюс находится с левой стороны (т. е. силовые линии выходят). Следовательно, эта катушка будет взаимодействовать с постоянным магнитом так же, как и любой другой магнит. В случае громкоговорителя на звуковую катушку подается ток от усилителя, который отражает музыку или голосовой сигнал. Этот ток создает магнитное поле вокруг звуковой катушки, которое взаимодействует с полем постоянного магнита.

При изменении направления тока полюса поля звуковой катушки меняются местами. Таким образом, иногда звуковая катушка выталкивается наружу, а иногда втягивается внутрь. Кроме того, чем больше ток, тем больше поле, которое он создает, и тем сильнее толчок или притяжение.

Это приводит к возвратно-поступательному движению диафрагмы, повторяющему форму волны, подаваемой с усилителя. Когда диафрагма давит на воздух, она создает волну давления, и мы получаем звук.

Динамический микрофон запускает последовательность в обратном порядке. Во-первых, диафрагма будет двигаться вперед и назад в соответствии с приложенной звуковой волной. Это заставляет звуковую катушку двигаться вперед и назад в поле постоянного магнита. Теперь у нас есть катушка с проводом, разрезаемая магнитными силовыми линиями, и по закону индукции Фарадея это означает, что в катушке будет индуцироваться напряжение. Пока диафрагма может реагировать на тонкие изменения волны акустического давления, результирующее индуцированное напряжение должно быть с высокой точностью.

Ясно, что для того, чтобы сделать это с большой точностью, сборка диафрагмы/звуковой катушки/подвески должна быть очень легкой и гибкой, а это означает, что компоненты микрофона, как правило, будут намного меньше, чем компоненты громкоговорителя.

Звукосниматель для электрогитары

Комплект звукоснимателей для электрогитары показан на рис. 10.2.3. . Хотя может возникнуть соблазн подумать, что звукосниматели — это просто микрофоны, это не так. Если у вас есть какие-либо сомнения в этом утверждении, просто попробуйте прокричать в гитарный звукосниматель и послушайте, что получится

1 . Однако работа гитарного звукоснимателя зависит от закона Фарадея.

Рисунок 10.2.3 : Звукосниматели на электрогитаре.

Как обсуждалось в предыдущей главе, посвященной индуктивности, звукосниматель электрогитары состоит из тысяч витков очень тонкой проволоки вокруг постоянного магнита. Звукосниматель находится сразу под струнами гитары. В этом положении металлические гитарные струны (как правило, из различных комбинаций стали, никеля и/или кобальта) находятся в поле, создаваемом магнитом.

Когда защипывают струну, она вибрирует по сложной схеме, которая зависит от ноты, на которую она настроена, и присутствующих обертонов. Этот узор искажает магнитное поле, потому что струны обладают гораздо большей проницаемостью, чем окружающий их воздух. Теперь у нас есть изменяющееся магнитное поле, в середине которого находится большая катушка провода. Закон Фарадея гласит, что в этой катушке должно индуцироваться напряжение, которое будет следовать за движением струн. Затем это индуцированное напряжение подается на усилитель, желательно, настроенный на 11,9.0032

Проницательный наблюдатель может спросить: «Почему пикапов несколько?» Возможно, это удивительно, но не для того, чтобы получить больший и, следовательно, более громкий сигнал. Это связано с тембром или качеством тона звука. Когда гитарная струна вибрирует, ее движение можно рассматривать как содержащее бесчисленное множество движений основного тона и всех связанных с ним обертонов. По направлению к мосту, где прикреплены струны, элементы с самым низким тоном производят небольшое движение, и поэтому их сила в общем сигнале уменьшается.

В результате датчик, расположенный ближе к подставке, звучит «тонко» или «резко», а датчик, расположенный выше, звучит «полно» или «густо».

Велокомпьютер

Наш третий и последний иллюстративный пример — велосипедный компьютер. Эти удобные маленькие устройства состоят из небольшой сенсорной системы на переднем колесе, которая соединена с дисплеем, установленным на руле. Как правило, эти устройства отображают текущую скорость, среднюю скорость, пройденное время, пройденное расстояние и другие интересующие атрибуты.

Рисунок 10.2.4 : Датчик велосипедного компьютера и магнит.

Чувствительный аппарат типичного велокомпьютера показан на рис. 10.2.4. . Это устройство состоит из двух частей: постоянного магнита, закрепленного на одной из спиц колеса, и защищенного от непогоды датчика, закрепленного на передней вилке. Принцип работы довольно прост: каждый раз, когда колесо вращается, магнит, прикрепленный к спице, качается датчиком. Движущееся магнитное поле создает в датчике кратковременный всплеск напряжения, пример которого показан на рис.

10.2.5. . Компьютер записывает эти всплески с течением времени. Зная длину окружности колеса, простое умножение дает суммарное пройденное расстояние. Учитывая внутреннюю схему синхронизации, время, записанное между импульсами, можно превратить в скорость. Учитывая эти данные, другие атрибуты, такие как средняя или максимальная скорость, легко получаются с помощью дальнейших вычислений.

Рисунок 10.2.5 : Сигнал датчика подается на велокомпьютер.

Использование осциллограммы, показанной на рис. 10.2.5. в качестве примера мы можем видеть, что время между импульсами составляет около 3,5 делений, причем каждое деление имеет длину 200 миллисекунд. Это дает один оборот каждые 0,7 секунды или примерно 5140 оборотов в час. Датчик был установлен на велосипеде с шинами 700 на 25 мм, что дает окружность около 2,1 метра. Таким образом, скорость будет 5140 оборотов в час при 2,1 метра на оборот, или около 10,8 км/ч (\(\приблизительно) 6,73 мили в час). ²

Ссылки

¹ Небольшой струнный резонанс, если повезет, и немного раздраженных товарищей по группе, если нет.

² На самом деле велосипед был установлен на стенде для технического обслуживания, поэтому его скорость фактически была равна нулю. Бегать рядом с велосипедом с осциллографом и щупами — непростая задача, особенно когда осциллографу требуется питание от сети переменного тока.

---

Эта страница под названием 10.2: Электромагнитная индукция распространяется под лицензией CC BY-NC-SA 4.0 и была создана, изменена и/или курирована Джеймсом М. Фиоре с помощью исходного контента, который был отредактирован в соответствии со стилем и стандартами LibreTexts. Платформа; подробная история редактирования доступна по запросу.

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или Страница

   Автор

   Джеймс М. Фиоре

   Лицензия

   CC BY-NC-SA

   Версия лицензии

   4,0

   Показать оглавление

   нет

2. Теги

   1. source@http://www.dissidents.com/resources/DCElectricalCircuitAnalysis.pdf

Государственный закон электромагнитной индукции Фарадея.

Ответить

Проверено

165,9 тыс.+ просмотров

Подсказка: узнайте, как изменяется магнитный поток, связанный с цепью. Его можно изменить, переместив магнит из исходного положения. Итак, в петле возникает ЭДС.

Полный пошаговый ответ:

Закон Фарадея — это основной закон электромагнетизма, предсказывающий, как магнитное поле будет взаимодействовать с электрической цепью, создавая электромагнетизм (ЭДС) — явление, известное как электромагнитная индукция.

Закон электромагнитной индукции Фарадея

Первый закон-
Первый закон электромагнитной индукции Фарадея гласит, что всякий раз, когда изменяется поток магнитного поля через область, ограниченную замкнутым контуром, в контуре создается ЭДС.
Поток можно изменить несколькими способами. В любом случае, пока поток меняется, ЭДС присутствует. И эта произведенная ЭДС пропускает электрический ток через петлю.

Второй закон –
Второй закон электромагнитной индукции Фарадея гласит, что величина ЭДС индукции прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока, связанного с цепью, во времени.

ЭДС определяется как
$\begin{align}
  & \varepsilon \propto \dfrac{d\Phi }{dt} \\
 & \varepsilon =-\dfrac{d\Phi }{dt} \\
\end{align}$
Где $\Phi $ – поток магнитных полей через площадь.

Дополнительная информация:

Единицей магнитного поля в СИ является вебер, а тесла – квадратный метр в единице МКС.

Примечание. Если поток увеличивается со временем, $\dfrac{d\Phi }{dt}$ является положительным, а $\varepsilon $ отрицательным. Ток, протекающий в цепи, отрицательный. Это означает, что направление будет противоположно стрелке, нанесенной на петлю. Но если поток уменьшается со временем, $\dfrac{d\Phi }{dt}$ отрицательна, а $\varepsilon $ положительна. Ток, протекающий в цепи, положительный. Это означает, что направление тока по стрелке.

Недавно обновленные страницы

Большинство эубактериальных антибиотиков получены из биологии Rhizobium Class 12 Neet_ug

Биоинсектициды для саламин. муниципальные канализационные трубы не должны быть непосредственно 12 класса биологии NEET_UG

Очистка сточных вод осуществляется микробами A B Удобрения 12 класса биологии NEET_UG

Иммобилизация фермента — это конверсия активного фермента класса 12 биологии NEET_UG

Большинство эубактериальных антибиотиков получают из биологии класса 12 A Rhizobium NEET_UG

Саламиновые биоинсектициды были извлечены из биологии класса 12 NEET_UG

, следуя утверждениям относительно вируса Ba.