Закон электромагнитной индукции правило ленца: Презентация на тему Явление электромагнитной индукции. Правило Ленца. Закон электромагнитной индукции

Содержание

Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца и Фарадея

Сегодня мы раскроем такой феномен физики, как «закон электромагнитной индукции». Расскажем, почему Фарадей провел опыты, приведем формулу и объясним важность явления для повседневной жизни.

Древние боги и физика

Древние люди поклонялись неведомому. И сейчас человека страшит пучина моря и даль космоса. Но наука может объяснить, почему. Субмарины снимают невероятную жизнь океанов на глубине свыше километра, космические телескопы изучают объекты, которые существовали всего лишь через считанные миллионы лет после большого взрыва.

Но тогда люди обожествляли все, что их завораживало и тревожило:

  • восход солнца;
  • пробуждение растений весной;
  • дождь;
  • рождение и смерть.

В каждом предмете и явлении жили неведомые силы, которые управляли миром. До сих пор дети склонны очеловечивать мебель и игрушки. Оставаясь без присмотра взрослых, они фантазируют: одеяло обнимет, табуретка подойдет, окно откроется само по себе.

Пожалуй, первым эволюционным шагом человечества стало умение поддерживать огонь. Антропологи предполагают, что самые ранние костры зажглись от дерева, в которое ударила молния.

Таким образом, электричество сыграло в жизни человечества огромную роль. Первая молния дала толчок к развитию культуры, основной закон электромагнитной индукции привел человечество к современному состоянию.

От уксуса до ядерного реактора

В пирамиде Хеопса были найдены странные керамические сосуды: горлышко запечатано воском, в глубине скрыт металлический цилиндр. На внутренней стороне стенок обнаружили остатки уксуса или кислого вина. Ученые пришли к сенсационному выводу: этот артефакт – батарейка, источник электричества.

Но до 1600 года изучать этот феномен никто не брался. До движущихся электронов исследовали природу статического электричества. О том, что янтарь дает разряды, если его потереть о мех, знали еще древние греки. Цвет этого камня напоминал им свет звезды Электры из Плеяд. А название минерала стало, в свою очередь, поводом окрестить физическое явление.

Первый примитивный источник постоянного тока был построен в 1800 году

Естественно, как только появился достаточно мощный конденсатор, ученые принялись изучать свойства подключенного к нему проводника. В 1820 году датский ученый Ханс Кристиан Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка отклоняется рядом с включенным в сеть проводником. Данный факт дал толчок к открытию закона электромагнитной индукции Фарадеем (формула будет приведена чуть ниже), который позволил человечеству добывать электричество из воды, ветра и ядерного топлива.

Примитивное, но современное

Физическая основа опытов Макса Фарадея была заложена Эрстедом. Если включенный проводник влияет на магнит, то верно и обратное: намагниченный проводник должен вызывать ток.

Структура опыта, который помог вывести закон электромагнитной индукции (ЭДС как понятие мы рассмотрим чуть позже), была весьма проста. Смотанную в пружину проволоку подключили к прибору, который регистрирует ток. К виткам ученый поднес большой магнит. Пока магнит двигался рядом с контуром, прибор регистрировал поток электронов.

С тех пор техника усовершенствовалась, но основной принцип создания электричества на огромных станциях пока что тот же: движущийся магнит возбуждает ток в смотанном пружиной проводнике.

Развитие идеи

Самый первый опыт убедил Фарадея, что электрическое и магнитное поля взаимосвязаны. Но требовалось выяснить, как именно. Возникает ли вокруг проводника с током еще и магнитное поле или они просто способны влиять друг на друга? Поэтому ученый пошел дальше. Он смотал одну проволоку, подвел к ней ток, и эту катушку вдвинул в другую пружину. И тоже получил электричество. Этот опыт доказал, что движущиеся электроны создают не только электрическое, но и магнитное поле. Позже ученые выяснили, как они располагаются в пространстве относительно друг друга. Электромагнитное поле – это и та причина, по которой существует свет.

Экспериментируя с разными вариантами взаимодействия проводников под напряжением, Фарадей выяснил: ток передается лучше всего, если и первую, и вторую катушки намотать на один общий металлический сердечник. Формула, выражающая закон электромагнитной индукции, была выведена именно на этом приборе.

Формула и ее составляющие

Теперь, когда история изучения электричества доведена до эксперимента Фарадея, пора написать формулу:

ε = -dΦ / dt.

Расшифруем:

ε – это электродвижущая сила (сокращенно ЭДС). В зависимости от величины ε электроны перемещаются в проводнике интенсивнее или слабее. На ЭДС влияет мощность источника, а на нее – напряженность электромагнитного поля.

Φ – величина магнитного потока, который проходит в данный момент через заданную площадь. Фарадей сворачивал проволоку в пружину, так как ему требовалась определенное пространство, сквозь которое проходил бы проводник. Конечно, можно было бы изготовить очень толстый проводник, но это было бы дорого. Форму круга ученый выбрал потому, что у этой плоской фигуры соотношение площади к длине поверхности наибольшее. Это самая энергетически эффективная форма. Поэтому капли воды на плоской поверхности становятся круглыми. К тому же пружину с круглым сечением гораздо проще получить: достаточно лишь намотать проволоку на какой-то круглый предмет.

t – время, за которое поток прошел сквозь контур.

Приставка d в формуле закона электромагнитной индукции означает, что величина дифференциальная. То есть маленький магнитный поток надо продифференцировать по небольшим отрезкам времени, чтобы получить конечный результат. Это математическое действие требует от людей некоторой подготовленности. Чтобы лучше понять формулу, мы настоятельно рекомендуем читателю вспомнить дифференцирование и интегрирование.

Следствия из закона

Сразу после открытия Фарадея физики стали исследовать явление электромагнитной индукции. Закон Ленца, например, был выведен экспериментально российским ученым. Именно это правило добавило минус в конечную формулу.

Вид у него такой: направление индукционного тока не случайно; поток электронов во второй обмотке как бы стремится уменьшить действие тока в первой обмотке. То есть возникновение электромагнитной индукции – это фактически сопротивление второй пружины вмешательству в «личную жизнь».

Правило Ленца имеет и другое следствие.

  • если ток в первой катушке будет возрастать, то ток второй пружины тоже будет стремиться к увеличению;
  • если ток в индуцирующей обмотке будет падать, то уменьшится и ток во второй.

Согласно этому правилу, проводник, в котором возникает индуцированный ток, фактически стремится скомпенсировать действие изменяющегося магнитного потока.

Зерно и осел

Использовать простейшие механизмы себе на благо люди стремились давно. Помол муки – дело сложное. Некоторые племена растирают зерно вручную: кладут пшеницу на один камень, накрывают другим плоским и круглым камнем, и вертят жернов. Но если надо смолоть муку на целую деревню, то одним мускульным трудом не обойтись. Сначала люди догадались привязать к жернову тягловое животное. Ослик тянул за веревку – камень вращался. Потом, вероятно, люди подумали: «Река течет все время, она толкает всякие предметы вниз по течению. Почему бы нам не использовать это на благо?» Так появились водяные мельницы.

Колесо, вода, ветер

Конечно, первые инженеры, которые строили эти сооружения, ничего не знали ни о силе тяготения, из-за которой вода стремится всегда вниз, ни о силе трения или поверхностного натяжения. Но они видели: если поставить в ручей или речку колесо с лопастями на диаметре, то оно не только будет вращаться, но и сможет делать полезную работу.

Но и этот механизм был ограничен: не везде есть проточная вода с достаточно силой течения. Поэтому люди пошли дальше. Они построили мельницы, которые работали от ветра.

Уголь, мазут, бензин

Когда ученые поняли принцип возбуждения электричества, была поставлена техническая задача: получать его в промышленных масштабах. На тот момент (середина девятнадцатого века) мир был охвачен лихорадкой машин. Всю сложную работу стремились поручить расширяющемуся пару.

Но тогда нагреть большие объемы воды умели только ископаемым топливом – углем и мазутом. Поэтому те регионы мира, которые были богаты древними углеродами, сразу привлекли внимание инвесторов и рабочих. А перераспределение людей привело к промышленной революции.

Голландия и Техас

Однако такое положение вещей плохо отразилось на экологии. И ученые задумались: как получать энергию, не разрушая природу? Выручило хорошо забытое старое. Мельница использовала крутящий момент для совершения непосредственно грубой механической работы. Турбины гидроэлектростанций вращают магниты.

На данный момент самое чистое электричество получают из энергии ветра. Инженеры, которые строили первые генераторы Техаса, опирались на опыт ветряных мельниц Голландии.

Явление электромагнитной индукции. Правило Ленца. Закон электромагнитной индукции

1. Тема урока

Явление электромагнитной индукции.
Правило Ленца
Закон электромагнитной индукции.

2. В1820 г.Эрстед обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку

М. Фарадей с 1821 по 1831 год проводил опыты и
получил электрический ток с помощью магнитного поля.
Ему удалось « Превратить магнетизм в электричество».
Основоположник учения об
электромагнитном поле; ввел
понятия «электрическое» и
«магнитное поле»;
высказал идею существования
электромагнитных волн.

3. Опыты М. Фарадея

«На деревянную катушку была
29 августа
1831
намотана медная
проволока,
между
года
ее витками была намотана
проволока изолированная от
первой хлопчатобумажной нитью.
Одна из этих спиралей была
соединена с гальванометром,
другая – с батареей.
При замыкании цепи стрелка
гальванометра отклонялась, при
размыкании цепи то же самое.
При непрерывном же прохождении
тока через одну из спиралей не
удалось обнаружить отклонения
стрелки гальванометра…»
Вывод:
электрический
ток возникал
тогда,
когда
проводник
оказывался
в области
действия
переменного
магнитного
Электромагнитная индукция – физическое
явление, заключающееся в возникновении
электрического тока в замкнутом проводящем
контуре при изменении числа линий магнитной
индукции , пронизывающих поверхность,
ограниченную этим контуром.
Возникающий при этом ток называют
индукционным.

6. Правило Ленца

• Для определения направления
индукционного тока в замкнутом контуре
используется правило Ленца: Индукционный
ток имеет такое направление, что созданный
им магнитный поток через поверхность,
ограниченную контуром, препятствует
изменению магнитного потока, вызвавшего
этот ток.

8. Поток магнитной индукции

• Потоком магнитной индукции
(магнитным потоком) через
поверхность площадью S называют
величину, равную произведению
модуля вектора магнитной индукции В
на площадь S и косинус угла между
векторами В и n.

9. Математическая формула потока магнитной индукции

• Магнитный поток пропорционален числу
линий магнитной индукции,
пронизывающих поверхность площадью S.
• Магнитный поток характеризует
распределение магнитного поля по
поверхности , ограниченной контуром.

10. Единица магнитного потока

Единицей магнитного потока является
вебер (1 Вб)
1 Вб – магнитный поток, созданный
однородным магнитным полем с
индукцией 1Тл через поверхность
площадью 1м2, расположенную
перпендикулярно вектору магнитной
индукции.
1 Вб=1Тл*1 м2,

11. Явление электромагнитной индукции

• Индукционный ток в замкнутом контуре
возникает при изменении магнитного потока
через площадь ,ограниченную контуром

12. Закон электромагнитной индукции

• ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по
модулю скорости изменения магнитного
потока через поверхность ограниченную
контуром.
i
Ф
t
Ф
i t

13. Задача №1

Магнитный поток через квадратную
проволочную рамку со стороной
5 см, плоскость которой перпендикулярна
линиям индукции однородного магнитного
поля, равен 0,1м Вб.
Каков модуль вектора магнитной индукции
поля? ( Ответ:40 мТл)

14. Задача №2

Какова величина магнитного потока,
пронизывающего плоскую поверхность
площадью 50 см2 при индукции поля
0,4 Тл, если эта поверхность: а)
перпендикулярна вектору индукции
поля; б) расположена под углом 450 к
вектору индукции; в) расположена под
углом 300 к вектору индукции? (Ответ:
2 мВб, 1,4 мВб; 1 мВб)

15.

Задача №3 Металлический стержень длиной 0,5 м
равномерно вращается вокруг одного из его
концов в однородном магнитном поле в
плоскости, перпендикулярной к линиям
поля. Какова ЭДС индукции поля, если
магнитная индукция поля 0,2 Тл, а угловая
скорость вращения стержня 50 рад/с?
(Ответ: 1,25 В)

Закон электромагнитной индукции фарадея. Электромагнитная индукция. Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца

На данном уроке, тема которого: «Правило Ленца. Закон электромагнитной индукции», мы узнаем общее правило, позволяющее определить направление индукционного тока в контуре, установленное в 1833 г. Э.X. Ленцем. Также рассмотрим опыт с алюминиевыми кольцами, наглядно демонстрирующий это правило, и сформулируем закон электромагнитной индукции

Приближением или удалением магнита от сплошного кольца мы меняем магнитный поток, который пронизывает площадь кольца. Согласно теории явления электромагнитной индукции, в кольце должен возникнуть индукционный электрический ток.

Из опытов Ампера известно, что там, где проходит ток, возникает магнитное поле. Следовательно, замкнутое кольцо начинает вести себя как магнит. То есть происходит взаимодействие двух магнитов (постоянный магнит, который мы двигаем, и замкнутый контур с током).

Так как система не реагировала на приближение магнита к кольцу с разрезом, то можно сделать вывод, что индукционный ток в незамкнутом контуре не возникает.

Причины отталкивания или притягивания кольца к магниту

1. При приближении магнита

При приближении полюса магнита кольцо отталкивается от него. То есть оно ведет себя как магнит, у которого с нашей стороны такой же полюс, как у приближающегося магнита. Если мы приближаем северный полюс магнита, то вектор магнитной индукции кольца с индукционным током направлен в противоположную сторону относительно вектора магнитной индукции северного полюса магнита (см. Рис. 2).

Рис. 2. Приближение магнита к кольцу

2. При удалении магнита от кольца

При удалении магнита кольцо тянется за ним.

Следовательно, со стороны удаляющегося магнита у кольца образовывается противоположный полюс. Вектор магнитной индукции кольца с током направлен в ту же сторону, что и вектор магнитной индукции удаляющегося магнита (см. Рис. 3).

Рис. 3. Удаление магнита от кольца

Из данного опыта можно сделать вывод, что при движении магнита кольцо ведет себя также подобно магниту, полярность которого зависит от того, увеличивается или уменьшается магнитный поток, пронизывающий площадь кольца. Если поток возрастает, то векторы магнитной индукции кольца и магнита противоположны по направлению. Если магнитный поток сквозь кольцо уменьшается со временем, то вектор индукции магнитного поля кольца совпадает по направлению с вектором индукции магнита.

Направление индукционного тока в кольце можно определить по правилу правой руки. Если направить большой палец правой руки по направлению вектора магнитной индукции, то четыре согнутых пальца укажут направление тока в кольце (см. Рис. 4).

Рис. 4. Правило правой руки

При изменении магнитного потока, пронизывающего контур, в контуре возникает индукционный ток такого направления, чтобы своим магнитным потоком компенсировать изменение внешнего магнитного потока.

Если внешний магнитный поток возрастает, то индукционный ток своим магнитным полем стремится замедлить это возрастание. Если магнитный поток убывает, то индукционный ток своим магнитным полем стремится замедлить это убывание.

Эта особенность электромагнитной индукции выражается знаком «минус» в формуле ЭДС индукции.

Закон электромагнитной индукции

При изменении внешнего магнитного потока, пронизывающего контур, в контуре возникает индукционный ток. При этом значение электродвижущей силы численно равно скорости изменения магнитного потока, взятой со знаком «-».

Правило Ленца является следствием закона сохранения энергии в электромагнитных явлениях.

Список литературы

  1. Мякишев Г. Я. Физика: Учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений. – М.: Просвещение, 2010.
  2. Касьянов В.А. Физика. 11 кл.: Учеб. для общеобразоват. учреждений. – М.: Дрофа, 2005.
  3. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И., Физика 11. – М.: Мнемозина.

Домашнее задание

  1. Вопросы в конце параграфа 10 (стр. 33) – Мякишев Г.Я. Физика 11 (см. список рекомендованной литературы)
  2. Как формулируется закон электромагнитной индукции?
  3. Почему в формуле для закона электромагнитной индукции стоит знак «-»?
  1. Интернет-портал Festival.1september.ru ().
  2. Интернет-портал Physics.kgsu.ru ().
  3. Интернет-портал Youtube.com ().

В нашем мире все виды существующих сил, за исключением сил тяготения, представлены электромагнитными взаимодействиями. Во Вселенной, несмотря на удивительное разнообразие воздействий тел друг на друга, в любых веществах, живых организмах всегда встречается проявление электромагнитных сил . Как произошло открытие электромагнитной индукции (ЭИ), расскажем ниже.

Вконтакте

Открытие ЭИ

Поворот магнитной стрелки вблизи проводника с током в опытах Эрстеда впервые указал на связь электрических и магнитных явлений. Очевидно: электроток «окружает» себя магнитным полем.

Так нельзя ли добиться его возникновения посредством магнитного поля — подобную задачу поставил Майкл Фарадей. В 1821 году он отметил это свойство в своем дневнике о превращении магнетизма в .

Успех к ученому пришел не сразу. Лишь глубокая уверенность в единстве природных сил и упорный труд привели его через десять лет к новому великому открытию.

Решение задачи долго не давалось Фарадею и другим его коллегам, потому как они пытались получить электричество в неподвижной катушке, используя действие постоянного магнитного поля. Между тем, впоследствии выяснилось: изменяется количество силовых линий, пронизывающих провода, и возникает электроэнергия.

Явление ЭИ

Процесс появления в катушке электричества в результате изменения магнитного поля характерен для электромагнитной индукции и определяет это понятие. Вполне закономерно, что разновидность , возникающего в ходе данного процесса, называется индукционным. Эффект сохранится, если саму катушку оставить без движения, но перемещать при этом магнит. С использованием второй катушки можно и вовсе обойтись без магнита.

Если пропустить электричество через одну из катушек, то при их взаимном перемещении во второй возникнет индукционный ток . Можно надеть одну катушку на другую и менять величину напряжения одной из них, замыкая и размыкая ключ. При этом магнитное поле, пронизывающее катушку, на которую воздействуют ключом, меняется, и это становится причиной возникновения индукционного тока во второй.

Закон

Во время опытов легко обнаружить, что увеличивается число пронизывающих катушку силовых линий — стрелка используемого прибора (гальванометр) смещается в одну сторону, уменьшается – в иную. Более тщательное исследование показывает, что сила индукционного тока прямо пропорциональна скорости изменения числа силовых линий. В этом заключен основной закон электромагнитной индукции.

Данный закон выражает формула:

Она применяется, если за период времени t магнитный поток изменяется на одну и ту же величину, когда скорость изменения магнитного потока Ф/t постоянна.

Важно! Для индукционных токов справедлив закон Ома: I=/R, где — это ЭДС индукции, которую находят по закону ЭИ.

Замечательные опыты, проведенные когда-то знаменитым английским физиком и ставшие основой открытого им закона, сегодня без особого труда способен проделать любой школьник. Для этих целей используются:

  • магнит,
  • две проволочные катушки,
  • источник электроэнергии,
  • гальванометр.

Закрепим на подставке магнит и поднесем к нему катушку с присоединенными к гальванометру концами.

Поворачивая, наклоняя и перемещая ее вверх и вниз, мы меняем число силовых линий магнитного поля, пронизывающих ее витки.

Гальванометр регистрирует возникновение электричества с постоянно меняющимися в ходе опыта величиной и направлением.

Находящиеся же относительно друг друга в покое катушка и магнит не создадут условий и для возникновения электричества.

Другие законы Фарадея

На основе проведенных исследований были сформированы еще два одноименных закона:

  1. Суть первого состоит в такой закономерности: масса вещества m , выделяемая электрическим напряжением на электроде, пропорциональна количеству электричества Q, прошедшему через электролит.
  2. Определение второго закона Фарадея, или зависимости электрохимического эквивалента от атомного веса элемента и его валентности формулируется так: электрохимический эквивалент вещества пропорционален его атомному весу, а также обратно пропорционален валентности.

Из всех существующих видов индукции огромное значение имеет обособленный вид данного явления – самоиндукция. Если мы возьмем катушку, которая имеет большое количество витков, то при замыкании цепи, лампочка загорается не сразу.

На этот процесс может уйти несколько секунд. Очень удивительный на первый взгляд факт. Чтобы понять, в чем здесь дело, необходимо разобраться, что же происходит в момент замыкания цепи . Замкнутая цепь словно «пробуждает» электроток, начинающий свое движение по виткам провода. Одновременно в пространстве вокруг нее мгновенно создается усиливающееся магнитное поле.

Катушечные витки оказываются пронизанными изменяющимся электромагнитным полем, концентрирующимся сердечником. Возбуждаемый же в витках катушки индукционный ток при нарастании магнитного поля (в момент замыкания цепи) противодействует основному. Мгновенное достижение им своего максимального значения в момент замыкания цепи невозможно, оно «растет» постепенно. Вот и объяснение, почему лампочка не вспыхивает сразу. Когда цепь размыкается, основной ток усиливается индукционным в результате явления самоиндукции, и лампочка ярко вспыхивает.

Важно! Суть явления, названного самоиндукцией, характеризуется зависимостью изменения, возбуждающего индукционный ток электромагнитного поля от изменения силы текущего по цепи электротока.

Направление тока самоиндукции определяет правило Ленца. Самоиндукция легко сравнима с инерцией в области механики, поскольку оба явления обладают схожими характеристиками. И действительно, в результате инерции под влиянием силы тело приобретает определенную скорость постепенно, а не сиюминутно. Не сразу – под действием самоиндукции — при включении батареи в цепь появляется и электричество. Продолжая сравнение со скоростью, заметим, он так же не способен мгновенно исчезнуть.

Вихревые токи

Наличие вихревых токов в массивных проводниках может послужить еще одним примером электромагнитной индукции.

Специалисты знают, что металлические трансформаторные сердечники, якоря генераторов и электродвигателей никогда не бывают сплошными. При их изготовлении на отдельные тонкие листы, из которых они состоят, накладывается слой лака, изолирующий один лист от другого.

Нетрудно понять, какая сила заставляет человека создавать именно такое устройство . Под действием электромагнитной индукции в переменном магнитном поле сердечник пронизывают силовые линии вихревого электрополя.

Представим, что сердечник изготовлен из сплошного металла. Поскольку его электрическое сопротивление невелико, возникновение индукционного напряжения большой величины было бы вполне объяснимым. Сердечник бы в итоге разогревался, и немалая часть электрической терялась бесполезно. Кроме того, возникла бы необходимость принятия специальных мер для охлаждения. А изолирующие слои не позволяют достигать больших величин .

Индукционные токи, присущие массивным проводникам, называются вихревыми не случайно – их линии замкнуты подобно силовым линиям электрополя, где они и возникают. Чаще всего вихревые токи применяются в работе индукционных металлургических печей для выплавки металлов. Взаимодействуя с породившим их магнитным полем, они иногда становятся причиной занимательных явлений.

Возьмем мощный электромагнит и поместим между вертикально расположенными его полюсами, к примеру, пятикопеечную монету. Вопреки ожиданию, она не упадет, а будет медленно опускаться. Для прохождения нескольких сантиметров ей потребуются секунды.

Поместим, например, пятикопеечную монету между вертикально расположенными полюсами мощного электромагнита и отпустим ее.

Вопреки ожиданию, она не упадет, а будет медленно опускаться. Для прохождения нескольких сантиметров ей потребуются секунды. Передвижение монеты напоминает перемещение тела в вязкой среде. Почему такое происходит.

По правилу Ленца направления возникающих при передвижении монеты вихревых токов в неоднородном магнитном поле таковы, что поле магнита выталкивает монету вверх. Эту особенность используют для «успокоения» стрелки в измерительных приборах. Алюминиевая пластина, находящаяся между магнитными полюсами, прикрепляется к стрелке, и вихревые токи, возникающие в ней, способствуют быстрому затуханию колебаний.

Демонстрацию явления электромагнитной индукции поразительной красоты предложил профессор Московского университета В. К. Аркадьев. Возьмем свинцовую чашу, обладающую сверхпроводящей способностью, и попробуем уронить над ней магнит. Он не упадет, а будет словно «парить» над чашей. Объяснение здесь простое: равное нулю электрическое сопротивление сверхпроводника способствует возникновению в нем электричества большой величины, способных сохраняться продолжительное время и «удерживать» магнит над чашей. По правилу Ленца, направление магнитного поля их таково, что отталкивает магнит и не дает ему упасть.

Изучаем физику — закон электро-магнитной индукции

Правильна формулировка закона Фарадея

Вывод

Электромагнитные силы – это силы, которые позволяют людям видеть окружающий мир и чаще других встречаются в природе, например, свет – тоже пример электромагнитных явлений. Жизнь человечества невозможно представить без данного явления.

Для описания процессов в физике и химии есть целый ряд законов и соотношений, полученных экспериментальным и расчетным путем. Ни единого исследования нельзя провести без предварительной оценки процессов по теоретическим соотношениям. Законы Фарадея применяются и в физике, и в химии, а в этой статье мы постараемся кратко и понятно рассказать о всех знаменитых открытиях этого великого ученого.

История открытия

Закон Фарадея в электродинамике был открыт двумя ученными: Майклом Фарадеем и Джозефом Генри, но Фарадей опубликовал результаты своих работ раньше – в 1831 году.

В своих демонстрационных экспериментах в августе 1831 г. он использовал железный тор, на противоположные концы которого был намотан провод (по одному проводу на стороны). На концы одного первого провода он подал питание от гальванической батареи, а на выводы второго подключил гальванометр. Конструкция была похожа на современный трансформатор. Периодически включая и выключая напряжение на первом проводе, он наблюдал всплески на гальванометре.

Гальванометр — это высокочувствительный прибор для измерения силы токов малой величины.

Таким образом было изображено влияние магнитного поля, образовавшегося в результате протекания тока в первом проводе, на состояние второго проводника. Это воздействие передавалось от первого ко второму через сердечник – металлический тор. В результате исследований было обнаружено и влияние постоянного магнита, который двигается в катушке, на её обмотку.

Тогда Фарадей объяснял явление электромагнитной индукции с точки зрения силовых линий. Еще одной была установка для генерирования постоянного тока: медный диск вращался вблизи магнита, а скользящий по нему провод был токосъёмником. Это изобретение так и называется — диск Фарадея.

Ученные того периода не признали идеи Фарадея, но Максвелл взял исследования для основы своей магнитной теории. В 1836 г. Майкл Фарадей установил соотношения для электрохимических процессов, которые назвали Законами электролиза Фарадея. Первый описывает соотношения выделенной на электроде массы вещества и протекающего тока, а второй соотношения массы вещества в растворе и выделенного на электроде, для определенного количества электричества.

Электродинамика

Первые работы применяются в физике, конкретно в описании работы электрических машин и аппаратов (трансформаторов, двигателей и пр. ). Закон Фарадея гласит:

Для контура индуцированная ЭДС прямо пропорциональна величине скорости магнитного потока, который перемещается через этот контур со знаком минус.

Это можно сказать простыми словами: чем быстрее магнитный поток движется через контур, тем больше на его выводах генерируется ЭДС.

Формула выглядит следующим образом:

Здесь dФ – магнитный поток, а dt – единица времени. Известно, что первая производная по времени – это скорость. Т.е скорость перемещения магнитного потока в данном конкретном случае. Кстати перемещаться может, как и источник магнитного поля (катушка с током – электромагнит, или постоянный магнит), так и контур.

Здесь же поток можно выразить по такой формуле:

B – магнитное поле, а dS – площадь поверхности.

Если рассматривать катушку с плотнонамотанными витками, при этом в количестве витков N, то закон Фарадея выглядит следующим образом:

Магнитный поток в формуле на один виток, измеряется в Веберах. Ток, протекающий в контуре, называется индукционным.

Электромагнитная индукция – явление протекания тока в замкнутом контуре под воздействием внешнего магнитного поля.

В формулах выше вы могли заметить знаки модуля, без них она имеет слегка иной вид, такой как было сказано в первой формулировке, со знаком минус.

Знак минус объясняет правило Ленца. Ток, возникающий в контуре, создает магнитное поле, оно направлено противоположно. Это является следствием закона сохранения энергии.

Направление индукционного тока можно определить по правилу правой руки или , мы его рассматривали на нашем сайте подробно.

Как уже было сказано, благодаря явлению электромагнитной индукции работают электрические машины трансформаторы, генераторы и двигатели. На иллюстрации показано протекание тока в обмотке якоря под воздействием магнитного поля статора. В случае с генератором, при вращении его ротора внешними силами в обмотках ротора возникает ЭДС, ток порождает магнитное поле направленное противоположно (тот самый знак минус в формуле). Чем больше ток, потребляемый нагрузкой генератора, тем больше это магнитное поле, и тем больше затрудняется его вращение.

И наоборот — при протекании тока в роторе возникает поле, которое взаимодействует с полем статора и ротор начинает вращаться. При нагрузке на вал ток в статоре и в роторе повышается, при этом нужно обеспечить переключение обмоток, но это уже другая тема, связанная с устройством электрических машин.

В основе работы трансформатора источником движущегося магнитного потока является переменное магнитное поле, возникающее в следствие протекания в первичной обмотке переменного тока.

Если вы желаете более подробно изучить вопрос, рекомендуем просмотреть видео, на котором легко и доступно рассказывается Закон Фарадея для электромагнитной индукции:

Электролиз

Кроме исследований ЭДС и электромагнитной индукции ученный сделал большие открытия и в других дисциплинах, в том числе химии.

При протекании тока через электролит ионы (положительные и отрицательные) начинают устремляться к электродам. Отрицательные движутся к аноду, положительные к катоду. При этом на одном из электродов выделяется определенная масса вещества, которое содержится в электролите.

Фарадей проводил эксперименты, пропуская разный ток через электролит и измеряя массу вещества отложившегося на электродах, вывел закономерности.

m – масса вещества, q – заряд, а k – зависит от состава электролита.

А заряд можно выразить через ток за промежуток времени:

I=q/t , тогда q = i*t

Теперь можно определить массу вещества, которое выделится, зная ток и время, которое он протекал. Это называется Первый закон электролиза Фарадея.

Второй закон:

Масса химического элемента, который осядет на электроде, прямо пропорциональна эквивалентной массе элемента (молярной массе разделенной на число, которое зависит от химической реакции, в которой участвует вещество).

С учетом вышесказанного эти законы объединяются в формулу:

m – масса вещества, которое выделилось в граммах, n – количество переносимых электронов в электродном процессе, F=986485 Кл/моль – число Фарадея, t – время в секундах, M молярная масса вещества г/моль.

В реальности же из-за разных причин, масса выделяемого вещества меньше чем расчетная (при расчетах с учетом протекающего тока). Отношение теоретической и реальной масс называют выходом по току:

B т = 100% * m расч /m теор

Законы Фарадея внесли существенный вклад в развитие современной науки, благодаря его работам мы имеем электродвигатели и генераторы электроэнергии (а также работам его последователей). Работа ЭДС и явления электромагнитной индукции подарили нам большую часть современного электрооборудования, в том числе и громкоговорители и микрофоны, без которых невозможно прослушивание записей и голосовая связь. Процессы электролиза применяются в гальваническом методе покрытия материалов, что несет как декоративную ценность, так и практическую.

Похожие материалы:

Нравится(0 ) Не нравится(0 )

Самый главный закон электротехники – закон Ома

Закон Джоуля – Ленца

Закон Джоуля – Ленца

В словесной формулировке звучит следующим образом – Мощность тепла, выделяемого в единице объёма среды при протекании электрического тока, пропорциональна произведению плотности электрического тока на величину электрического поля

гдеw – мощность выделения тепла в единице объёма, – плотность электрического тока, – напряжённость электрического поля, σ – проводимость среды.

Закон также может быть сформулирован в интегральной форме для случая протекания токов в тонких проводах:

Количество теплоты, выделяемое в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, пропорционально произведению квадрата силы тока на этом участке и сопротивлению участка

В математической форме этот закон имеет вид:
где dQ – количество теплоты, выделяемое за промежуток времени dt, I – сила тока, R – сопротивление,Q – полное количество теплоты, выделенное за промежуток времени от t1 до t2.

В случае постоянных силы тока и сопротивления:

Законы Кирхгофа

Законы Кирхгофа (или правила Кирхгофа) – соотношения, которые выполняются между токами и напряжениями на участках любой электрической цепи. Правила Кирхгофа позволяют рассчитывать любые электрические цепи постоянного и квазистационарного тока. Имеют особое значение в электротехнике из-за своей универсальности, так как пригодны для решения любых электротехнических задач. Применение правил Кирхгофа к цепи позволяет получить систему линейных уравнений относительно токов, и соответственно, найти значение токов на всех ветвях цепи.

Для формулировки законов Кирхгофа, в электрической цепи выделяются узлы – точки соединения трёх и более проводников и контуры – замкнутые пути из проводников. При этом каждый проводник может входить в несколько контуров.
В этом случае законы формулируются следующим образом.

Первый закон (ЗТК, Закон токов Кирхгофа) гласит, что алгебраическая сумма токов в любом узле любой цепи равна нулю (значения вытекающих токов берутся с обратным знаком):

Иными словами, сколько тока втекает в узел, столько из него и вытекает. Данный закон следует из закона сохранения заряда. Если цепь содержит p узлов, то она описывается p − 1 уравнениями токов. Этот закон может применяться и для других физических явлений (к примеру, водяные трубы), где есть закон сохранения величины и поток этой величины.

Второй закон (ЗНК, Закон напряжений Кирхгофа) гласит, что алгебраическая сумма падений напряжений по любому замкнутому контуру цепи равна алгебраической сумме ЭДС, действующих вдоль этого же контура. Если в контуре нет ЭДС, то суммарное падение напряжений равно нулю:

для постоянных напряжений:

для переменных напряжений:

Иными словами, при обходе цепи по контуру, потенциал, изменяясь, возвращается к исходному значению. Если цепь содержит ветвей, из которых содержат источники тока ветви в количестве , то она описывается уравнениями напряжений. Частным случаем второго правила для цепи, состоящей из одного контура, является закон Ома для этой цепи.
Законы Кирхгофа справедливы для линейных и нелинейных цепей при любом характере изменения во времени токов и напряжений.

На этом рисунке для каждого проводника обозначен протекающий по нему ток (буквой «I») и напряжение между соединяемыми им узлами (буквой «U»)

Например, для приведённой на рисунке цепи, в соответствии с первым законом выполняются следующие соотношения:

Обратите внимание, что для каждого узла должно быть выбрано положительное направление, например здесь, токи, втекающие в узел, считаются положительными, а вытекающие – отрицательными.
В соответствии со вторым законом, справедливы соотношения:

Если направление тока совпадает с направлением обхода контура (которое выбирается произвольно), перепад напряжения считается положительным, в противном случае – отрицательным.

Законы Кирхгофа, записанные для узлов и контуров цепи, дают полную систему линейных уравнений, которая позволяет найти все токи и напряжения.

Существует мнение, согласно которому «Законы Кирхгофа» следует именовать «Правилами Кирхгофа», ибо они не отражают фундаментальных сущностей природы (и не являются обобщением большого количества опытных данных), а могут быть выведены из других положений и предположений.

ЗАКОН ПОЛНОГО ТОКА

ЗАКОН ПОЛНОГО ТОКА один из основных законов электромагнитного поля. Устанавливает взаимосвязь между магнитной силой и величиной тока, проходящего через поверхность. Под полным током понимается алгебраическая сумма токов, пронизывающих поверхность, ограниченную замкнутым контуром.

Намагничивающая сила вдоль контура равна полному току, проходящему сквозь поверхность, ограниченную этим контуром. В общем случае напряженность поля на различных участках магнитной линии может иметь разные значения, и тогда намагничивающая сила будет равна сумме намагничивающих сил каждой линии.

Закон Джоуля – Ленца

Закон Джоуля – Ленца – физический закон, дающий количественную оценку теплового действия электрического тока. Открыт в 1840 году независимо Джеймсом Джоулем и Эмилием Ленцом.

В словесной формулировке звучит следующим образом:

Мощность тепла, выделяемого в единице объёма среды при протекании электрического тока, пропорциональна произведению плотности электрического тока на величину электрического поля

Математически может быть выражен в следующей форме:

гдеw – мощность выделения тепла в единице объёма, – плотность электрического тока, – напряжённость электрического поля, σ – проводимость среды.

ЗАКОН ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ , закон Фарадея – закон, устанавливающий взаимосвязь между магнитными и электрическими явлениями. ЭДС электромагнитной индукции в контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока сквозь поверхность, ограниченную этим контуром. Величина ЭДС поля зависит от скорости изменения магнитного потока.

ЗАКОНЫ ФАРАДЕЯ (по имени английского физика М.Фарадея (1791-1867)) – основные законы электролиза.

Устанавливают взаимосвязь между количеством электричества, проходящего через электропроводящий раствор (электролит), и количеством вещества, выделяющегося на электродах.

При пропускании через электролит постоянного тока I в течение секунды q = It, m = kIt.

Второй закон ФАРАДЕЯ: электрохимические эквиваленты элементов прямо пропорциональны их химическим эквивалентам.

Правило буравчика

Правило Буравчика (также, правило правой руки) – мнемоническое правило для определения направления вектора угловой скорости, характеризующей скорость вращения тела, а также вектора магнитной индукцииB или для определения направления индукционного тока.

Правило правой руки

Правило правой руки

Правило буравчика : «Если направление поступательного движения буравчика (винта) совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции».

Определяет направление индукционного тока в проводнике, движущемся в магнитном поле

Правило правой руки: «Если ладонь правой руки расположить так, чтобы в нее входили силовые линии магнитного поля, а отогнутый большой палец направить по движению проводника, то четыре вытянутых пальца укажут направление индукционного тока».

Для соленоида оно формулируется так: «Если обхватить соленоид ладонью правой руки так, чтобы четыре пальца были направлены вдоль тока в витках, то отставленный большой палец покажет направление линий магнитного поля внутри соленоида».

Правило левой руки

Правило левой руки

Если движется заряд, а магнит покоится, то для определения силы действует правило левой руки: «Если левую руку расположить так, чтобы линии индукции магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно ей, а четыре пальца были направлены по току (по движению положительно заряженной частицы или против движения отрицательно заряженной), то отставленный на 90° большой палец покажет направление действующей силы Лоренца или Ампера. »

Темы кодификатора ЕГЭ : явление электромагнитной индукции, магнитный поток, закон электромагнитной индукции Фарадея, правило Ленца.

Опыт Эрстеда показал, что электрический ток создаёт в окружающем пространстве магнитное поле. Майкл Фарадей пришёл к мысли, что может существовать и обратный эффект: магнитное поле, в свою очередь, порождает электрический ток.

Иными словами, пусть в магнитном поле находится замкнутый проводник; не будет ли в этом проводнике возникать электрический ток под действием магнитного поля?

Через десять лет поисков и экспериментов Фарадею наконец удалось этот эффект обнаружить. В 1831 году он поставил следующие опыты.

1. На одну и ту же деревянную основу были намотаны две катушки; витки второй катушки были проложены между витками первой и изолированы. Выводы первой катушки подключались к источнику тока, выводы второй катушки – к гальванометру (гальванометр – чувствительный прибор для измерения малых токов). Таким образом, получались два контура: «источник тока – первая катушка» и «вторая катушка – гальванометр».

Электрического контакта между контурами не было, только лишь магнитное поле первой катушки пронизывало вторую катушку.

При замыкании цепи первой катушки гальванометр регистрировал короткий и слабый импульс тока во второй катушке.

Когда по первой катушке протекал постоянный ток, никакого тока во второй катушке не возникало.

При размыкании цепи первой катушки снова возникал короткий и слабый импульс тока во второй катушке, но на сей раз в обратном направлении по сравнению с током при замыкании цепи.

Вывод .

Меняющееся во времени магнитное поле первой катушки порождает (или, как говорят, индуцирует ) электрический ток во второй катушке. Этот ток называется индукционным током .

Если магнитное поле первой катушки увеличивается (в момент нарастания тока при замыкании цепи), то индукционный ток во второй катушке течёт в одном направлении.

Если магнитное поле первой катушки уменьшается (в момент убывания тока при размыкании цепи), то индукционный ток во второй катушке течёт в другом направлении.

Если магнитное поле первой катушки не меняется (постоянный ток через неё), то индукционного тока во второй катушке нет.

Обнаруженное явление Фарадей назвал электромагнитной индукцией (т. е. «наведение электричества магнетизмом»).

2. Для подтверждения догадки о том, что индукционный ток порождается переменным магнитным полем, Фарадей перемещал катушки друг относительно друга. Цепь первой катушки всё время оставалась замкнутой, по ней протекал постоянный ток, но за счёт перемещения (сближения или удаления) вторая катушка оказывалась в переменном магнитном поле первой катушки.

Гальванометр снова фиксировал ток во второй катушке. Индукционный ток имел одно направление при сближении катушек, и другое – при их удалении. При этом сила индукционного тока была тем больше, чем быстрее перемещались катушки .

3. Первая катушка была заменена постоянным магнитом. При внесении магнита внутрь второй катушки возникал индукционный ток. При выдвигании магнита снова появлялся ток, но в другом направлении. И опять-таки сила индукционного тока была тем больше, чем быстрее двигался магнит.

Эти и последующие опыты показали, что индукционный ток в проводящем контуре возникает во всех тех случаях, когда меняется «количество линий» магнитного поля, пронизывающих контур. Сила индукционного тока оказывается тем больше, чем быстрее меняется это количество линий. Направление тока будет одним при увеличении количества линий сквозь контур, и другим – при их уменьшении.

Замечательно, что для величины силы тока в данном контуре важна лишь скорость изменения количества линий. Что конкретно при этом происходит, роли не играет – меняется ли само поле, пронизывающее неподвижный контур, или же контур перемещается из области с одной густотой линий в область с другой густотой.

Такова суть закона электромагнитной индукции. Но, чтобы написать формулу и производить расчёты, нужно чётко формализовать расплывчатое понятие «количество линий поля сквозь контур».

Магнитный поток

Понятие магнитного потока как раз и является характеристикой количества линий магнитного поля, пронизывающих контур.

Для простоты мы ограничиваемся случаем однородного магнитного поля. Рассмотрим контур площади , находящийся в магнитном поле с индукцией .

Пусть сначала магнитное поле перпендикулярно плоскости контура (рис. 1 ).

Рис. 1.

В этом случае магнитный поток определяется очень просто – как произведение индукции магнитного поля на площадь контура:

(1)

Теперь рассмотрим общий случай, когда вектор образует угол с нормалью к плоскости контура (рис. 2 ).

Рис. 2.

Мы видим, что теперь сквозь контур «протекает» лишь перпендикулярная составляющая вектора магнитной индукции (а та составляющая, которая параллельна контуру, не «течёт» сквозь него). Поэтому, согласно формуле (1), имеем . Но , поэтому

(2)

Это и есть общее определение магнитного потока в случае однородного магнитного поля. Обратите внимание, что если вектор параллелен плоскости контура (то есть ), то магнитный поток становится равным нулю.

А как определить магнитный поток, если поле не является однородным? Укажем лишь идею. Поверхность контура разбивается на очень большое число очень маленьких площадок, в пределах которых поле можно считать однородным. Для каждой площадки вычисляем свой маленький магнитный поток по формуле (2) , а затем все эти магнитные потоки суммируем.

Единицей измерения магнитного потока является вебер (Вб). Как видим,

Вб = Тл · м = В · с. (3)

Почему же магнитный поток характеризует «количество линий» магнитного поля, пронизывающих контур? Очень просто. «Количество линий» определяется их густотой (а значит, величиной – ведь чем больше индукция, тем гуще линии) и «эффективной» площадью, пронизываемой полем (а это есть не что иное, как ). Но множители и как раз и образуют магнитный поток!

Теперь мы можем дать более чёткое определение явления электромагнитной индукции, открытого Фарадеем.

Электромагнитная индукция – это явление возникновения электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего контур .

ЭДС индукции

Каков механизм возникновения индукционного тока? Это мы обсудим позже. Пока ясно одно: при изменении магнитного потока, проходящего через контур, на свободные заряды в контуре действуют некоторые силы – сторонние силы , вызывающие движение зарядов.

Как мы знаем, работа сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда вокруг контура называется электродвижущей силой (ЭДС): . В нашем случае, когда меняется магнитный поток сквозь контур, соответствующая ЭДС называется ЭДС индукции и обозначается .

Итак, ЭДС индукции – это работа сторонних сил, возникающих при изменении магнитного потока через контур, по перемещению единичного положительного заряда вокруг контура .

Природу сторонних сил, возникающих в данном случае в контуре, мы скоро выясним.

Закон электромагнитной индукции Фарадея

Сила индукционного тока в опытах Фарадея оказывалась тем больше, чем быстрее менялся магнитный поток через контур.

Если за малое время изменение магнитного потока равно , то скорость изменения магнитного потока – это дробь (или, что тоже самое, производная магнитного потока по времени).

Опыты показали, что сила индукционного тока прямо пропорциональна модулю скорости изменения магнитного потока:

Модуль поставлен для того, чтобы не связываться пока с отрицательными величинами (ведь при убывании магнитного потока будет ). Впоследствии мы это модуль снимем.

Из закона Ома для полной цепи мы в то же время имеем: . Поэтому ЭДС индукции прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока:

(4)

ЭДС измеряется в вольтах. Но и скорость изменения магнитного потока также измеряется в вольтах! Действительно, из (3) мы видим, что Вб/с = В. Стало быть, единицы измерения обеих частей пропорциональности (4) совпадают, поэтому коэффициент пропорциональности – величина безразмерная. В системе СИ она полагается равной единице, и мы получаем:

(5)

Это и есть закон электромагнитной индукции или закон Фарадея . Дадим его словесную формулировку.

Закон электромагнитной индукции Фарадея . При изменении магнитного потока, пронизывающего контур, в этом контуре возникает ЭДС индукции, равная модулю скорости изменения магнитного потока .

Правило Ленца

Магнитный поток, изменение которого приводит к появлению индукционного тока в контуре, мы будем называть внешним магнитным потоком . А само магнитное поле, которое создаёт этот магнитный поток, мы будем называть внешним магнитным полем .

Зачем нам эти термины? Дело в том, что индукционный ток, возникающий в контуре, создаёт своё собственное магнитное поле, которое по принципу суперпозиции складывается с внешним магнитным полем.

Соответственно, наряду с внешним магнитным потоком через контур будет проходить собственный магнитный поток, создаваемый магнитным полем индукционного тока.

Оказывается, эти два магнитных потока – собственный и внешний – связаны между собой строго определённым образом.

Правило Ленца . Индукционный ток всегда имеет такое направление, что собственный магнитный поток препятствует изменению внешнего магнитного потока .

Правило Ленца позволяет находить направление индукционного тока в любой ситуации.

Рассмотрим некоторые примеры применения правила Ленца.

Предположим, что контур пронизывается магнитным полем, которое возрастает со временем (рис. (3) ). Например, мы приближаем снизу к контуру магнит, северный полюс которого направлен в данном случае вверх, к контуру.

Магнитный поток через контур увеличивается. Индукционный ток будет иметь такое направление, чтобы создаваемый им магнитный поток препятствовал увеличению внешнего магнитного потока. Для этого магнитное поле, создаваемое индукционным током, должно быть направлено против внешнего магнитного поля.

Индукционный ток течёт против часовой стрелки, если смотреть со стороны создаваемого им магнитного поля. В данном случае ток будет направлен по часовой стрелке, если смотреть сверху, со стороны внешнего магнитного поля, как и показано на (рис. (3) ).

Рис. 3. Магнитный поток возрастает

Теперь предположим, что магнитное поле, пронизывающее контур, уменьшается со временем (рис. 4 ). Например, мы удаляем магнит вниз от контура, а северный полюс магнита направлен на контур.

Рис. 4. Магнитный поток убывает

Магнитный поток через контур уменьшается. Индукционный ток будет иметь такое направление, чтобы его собственный магнитный поток поддерживал внешний магнитный поток, препятствуя его убыванию. Для этого магнитное поле индукционного тока должно быть направлено в ту же сторону , что и внешнее магнитное поле.

В этом случае индукционный ток потечёт против часовой стрелки, если смотреть сверху, со стороны обоих магнитных полей.

Взаимодействие магнита с контуром

Итак, приближение или удаление магнита приводит к появлению в контуре индукционного тока, направление которого определяется правилом Ленца. Но ведь магнитное поле действует на ток! Появится сила Ампера, действующая на контур со стороны поля магнита. Куда будет направлена эта сила?

Если вы хотите хорошо разобраться в правиле Ленца и в определении направления силы Ампера, попробуйте ответить на данный вопрос самостоятельно. Это не очень простое упражнение и отличная задача для С1 на ЕГЭ. Рассмотрите четыре возможных случая.

1. Магнит приближаем к контуру, северный полюс направлен на контур.
2. Магнит удаляем от контура, северный полюс направлен на контур.
3. Магнит приближаем к контуру, южный полюс направлен на контур.
4. Магнит удаляем от контура, южный полюс направлен на контур.

Не забывайте, что поле магнита не однородно: линии поля расходятся от северного полюса и сходятся к южному. Это очень существенно для определения результирующей силы Ампера. Результат получается следующий.

Если приближать магнит, то контур отталкивается от магнита. Если удалять магнит, то контур притягивается к магниту. Таким образом, если контур подвешен на нити, то он всегда будет отклоняться в сторону движения магнита, словно следуя за ним. Расположение полюсов магнита при этом роли не играет .

Уж во всяком случае вы должны запомнить этот факт – вдруг такой вопрос попадётся в части А1

Результат этот можно объяснить и из совершенно общих соображений – при помощи закона сохранения энергии.

Допустим, мы приближаем магнит к контуру. В контуре появляется индукционный ток. Но для создания тока надо совершить работу! Кто её совершает? В конечном счёте – мы, перемещая магнит. Мы совершаем положительную механическую работу, которая преобразуется в положительную работу возникающих в контуре сторонних сил, создающих индукционный ток.

Итак, наша работа по перемещению магнита должна быть положительна . Это значит, что мы, приближая магнит, должны преодолевать силу взаимодействия магнита с контуром, которая, стало быть, является силой отталкивания .

Теперь удаляем магнит. Повторите, пожалуйста, эти рассуждения и убедитесь, что между магнитом и контуром должна возникнуть сила притяжения.

Закон Фарадея + Правило Ленца = Снятие модуля

Выше мы обещали снять модуль в законе Фарадея (5) . Правило Ленца позволяет это сделать. Но сначала нам нужно будет договориться о знаке ЭДС индукции – ведь без модуля, стоящего в правой части (5) , величина ЭДС может получаться как положительной, так и отрицательной.

Прежде всего, фиксируется одно из двух возможных направлений обхода контура. Это направление объявляется положительным . Противоположное направление обхода контура называется, соответственно, отрицательным . Какое именно направление обхода мы берём в качестве положительного, роли не играет – важно лишь сделать этот выбор.

Магнитный поток через контур считается положительным alt=”(\Phi > 0)”> , если магнитное поле, пронизывающее контур, направлено туда, глядя откуда обход контура в положительном направлении совершается против часовой стрелки. Если же с конца вектора магнитной индукции положительное направление обхода видится по часовой стрелке, то магнитный поток считается отрицательным .

ЭДС индукции считается положительной alt=”(\mathcal E_i > 0)”> , если индукционный ток течёт в положительном направлении. В этом случае направление сторонних сил, возникающих в контуре при изменении магнитного потока через него, совпадает с положительным направлением обхода контура.

Наоборот, ЭДС индукции считается отрицательной , если индукционный ток течёт в отрицательном направлении. Сторонние силы в данном случае также будут действовать вдоль отрицательного направления обхода контура.

Итак, пусть контур находится в магнитном поле . Фиксируем направление положительного обхода контура. Предположим, что магнитное поле направлено туда, глядя откуда положительный обход совершается против часовой стрелки. Тогда магнитный поток положителен: alt=”\Phi > 0″> .

Рис. 5. Магнитный поток возрастает

Стало быть, в данном случае имеем . Знак ЭДС индукции оказался противоположен знаку скорости изменения магнитного потока. Проверим это в другой ситуации.

А именно, предположим теперь, что магнитный поток убывает . По правилу Ленца индукционный ток потечёт в положительном направлении. Стало быть, alt=”\mathcal E_i > 0″> (рис. 6 ).

Рис. 6. Магнитный поток возрастает alt=”\Rightarrow \mathcal E_i > 0″>

Таков в действительности общий факт: при нашей договорённости о знаках правило Ленца всегда приводит к тому, что знак ЭДС индукции противоположен знаку скорости изменения магнитного потока :

(6)

Тем самым ликвидирован знак модуля в законе электромагнитной индукции Фарадея.

Вихревое электрическое поле

Рассмотрим неподвижный контур, находящийся в переменном магнитном поле. Каков же механизм возникновения индукционного тока в контуре? А именно, какие силы вызывают движение свободных зарядов, какова природа этих сторонних сил?

Пытаясь ответить на эти вопросы, великий английский физик Максвелл открыл фундаментальное свойство природы: меняющееся во времени магнитное поле порождает поле электрическое . Именно это электрическое поле и действует на свободные заряды, вызывая индукционный ток.

Линии возникающего электрического поля оказываются замкнутыми, в связи с чем оно было названо вихревым электрическим полем . Линии вихревого электрического поля идут вокруг линий магнитного поля и направлены следующим образом.

Пусть магнитное поле увеличивается. Если в нём находится проводящий контур, то индукционный ток потечёт в соответствии с правилом Ленца – по часовой стрелке, если смотреть с конца вектора . Значит, туда же направлена и сила, действующая со стороны вихревого электрического поля на положительные свободные заряды контура; значит, именно туда направлен вектор напряжённости вихревого электрического поля.

Итак, линии напряжённости вихревого электрического поля направлены в данном случае по часовой стрелке (смотрим с конца вектора , (рис. 7 ).

Рис. 7. Вихревое электрическое поле при увеличении магнитного поля

Наоборот, если магнитное поле убывает, то линии напряжённости вихревого электрического поля направлены против часовой стрелки (рис. 8 ).

Рис. 8. Вихревое электрическое поле при уменьшении магнитного поля

Теперь мы можем глубже понять явление электромагнитной индукции. Суть его состоит именно в том, что переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле. Данный эффект не зависит от того, присутствует ли в магнитном поле замкнутый проводящий контур или нет; с помощью контура мы лишь обнаруживаем это явление, наблюдая индукционный ток.

Вихревое электрическое поле по некоторым свойствам отличается от уже известных нам электрических полей: электростатического поля и стационарного поля зарядов, образующих постоянный ток.

1. Линии вихревого поля замкнуты, тогда как линии электростатического и стационарного полей начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных.
2. Вихревое поле непотенциально: его работа перемещению заряда по замкнутому контуру не равна нулю. Иначе вихревое поле не могло бы создавать электрический ток! В то же время, как мы знаем, электростатическое и стационарное поля являются потенциальными.

Итак, ЭДС индукции в неподвижном контуре – это работа вихревого электрического поля по перемещению единичного положительного заряда вокруг контура .

Пусть, например, контур является кольцом радиуса и пронизывается однородным переменным магнитным полем. Тогда напряжённость вихревого электрического поля одинакова во всех точках кольца. Работа силы , с которой вихревое поле действует на заряд , равна:

Следовательно, для ЭДС индукции получаем:

ЭДС индукции в движущемся проводнике

Если проводник перемещается в постоянном магнитном поле, то в нём также появляется ЭДС индукции. Однако причиной теперь служит не вихревое электрическое поле (оно не возникает – ведь магнитное поле постоянно), а действие силы Лоренца на свободные заряды проводника.

Рассмотрим ситуацию, которая часто встречается в задачах. В горизонтальной плоскости расположены параллельные рельсы, расстояние между которыми равно . Рельсы находятся в вертикальном однородном магнитном поле . По рельсам движется тонкий проводящий стержень со скоростью ; он всё время остаётся перпендикулярным рельсам (рис. 9 ).

Рис. 9. Движение проводника в магнитном поле

Возьмём внутри стержня положительный свободный заряд . Вследствие движения этого заряда вместе со стержнем со скоростью на заряд будет действовать сила Лоренца:

Направлена эта сила вдоль оси стержня, как показано на рисунке (убедитесь в этом сами – не забывайте правило часовой стрелки или левой руки!).

Сила Лоренца играет в данном случае роль сторонней силы: она приводит в движение свободные заряды стержня. При перемещении заряда от точки к точке наша сторонняя сила совершит работу:

(Длину стержня мы также считаем равной .) Стало быть, ЭДС индукции в стержне окажется равной:

(7)

Таким образом, стержень аналогичен источнику тока с положительной клеммой и отрицательной клеммой . Внутри стержня за счёт действия сторонней силы Лоренца происходит разделение зарядов: положительные заряды двигаются к точке , отрицательные – к точке .

Допустим сначала,что рельсы непроводят ток.Тогда движение зарядов в стержне постепенно прекратится. Ведь по мере накопления положительных зарядов на торце и отрицательных зарядов на торце будет возрастать кулоновская сила, с которой положительный свободный заряд отталкивается от и притягивается к – и в какой-то момент эта кулоновская сила уравновесит силу Лоренца. Между концами стержня установится разность потенциалов, равная ЭДС индукции (7) .

Теперь предположим, что рельсы и перемычка являются проводящими. Тогда в цепи возникнет индукционный ток; он пойдёт в направлении (от «плюса источника» к «минусу» N ). Предположим, что сопротивление стержня равно (это аналог внутреннего сопротивления источника тока), а сопротивление участка равно (сопротивление внешней цепи). Тогда сила индукционного тока найдётся по закону Ома для полной цепи:

Замечательно, что выражение (7) для ЭДС индукции можно получить также с помощью закона Фарадея. Сделаем это.
За время наш стержень проходит путь и занимает положение (рис. 9 ). Площадь контура возрастает на величину площади прямоугольника :

Магнитный поток через контур увеличивается. Приращение магнитного потока равно:

Скорость изменения магнитного потока положительна и равна ЭДС индукции:

Мы получили тот же самый результат, что и в (7) . Направление индукционного тока, заметим, подчиняется правилу Ленца. Действительно, раз ток течёт в направлении , то его магнитное поле направлено противоположно внешнему полю и, стало быть, препятствует возрастанию магнитного потока через контур.

На этом примере мы видим, что в ситуациях, когда проводник движется в магнитном поле, можно действовать двояко: либо с привлечением силы Лоренца как сторонней силы, либо с помощью закона Фарадея. Результаты будут получаться одинаковые.

Магнитное поле. Вектор магнитной индукции. Правило буравчика. Закон Ампера и сила Ампера. Сила Лоренца. Правило левой руки. Электромагнитная индукция, магнитный поток, правило Ленца, закон электромагнитной индукции, самоиндукция, энергия магнитного поля





Адрес этой страницы (вложенность) в справочнике dpva. ru:  главная страница  / / Техническая информация / / Физический справочник / / Физика для самых маленьких. Шпаргалки. Школа.  / / Магнитное поле. Вектор магнитной индукции. Правило буравчика. Закон Ампера и сила Ампера. Сила Лоренца. Правило левой руки. Электромагнитная индукция, магнитный поток, правило Ленца, закон электромагнитной индукции, самоиндукция, энергия магнитного поля

Поделиться:   

Магнитное поле. Вектор магнитной индукции. Правило буравчика. Закон Ампера


и сила Ампера. Сила Лоренца. Правило левой руки. Электромагнитная индукция, магнитный
поток, правило Ленца, закон электромагнитной индукции, самоиндукция, энергия магнитного поля

Магнитное поле. Вектор магнитной индукции. Правило буравчика:

  • Магнитное поле: это особая форма, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами
  • Вектор магнитной индукции B [Тл]: это силовая характеристика магнитного поля. Направление В это направление от южного полюса к северному полюсу магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле (совпадает с направлением положительной нормали к замкнутому контуру с током).
  • Правило Буравчика: если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением вектора В.
  • Модуль вектора магнитной индукции В – это отношение максимальной силы Fm, действующей со стороны магнитного поля на участок проводника с током, к произведению силы тока I на длину этого участка Δl :

Сила Ампера, Закон Ампера, правило левой руки:

  • Сила Ампера: это сила, действующая на проводник с током, помещенный в магнитное поле
  • Закон Ампера: сила Ампера равна произведению модуля вектора магнитной индукции на силу тока, длину участка проводника Δl и на синус угла α между магнитной индукцией и участком проводника:
    • при этом, очевидно, что если ток (проводник) перпендикулярен вектору магнитной индукции, то
    • sin α = 1, и формула принимает вид:
  • Правило левой руки: если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора В входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению движения тока, то отогретый на 90о большой палец покажет направление силы, действующей на отрезок проводника

Сила Лоренца, правило левой руки:

  • Сила Лоренца: это сила, действующая на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля:
    • при этом, очевидно, что если скорость частицы перпендикулярна вектору магнитной индукции,
    • то sin α = 1, и формула принимает вид:
  • Правило левой руки: если левую руку расположить так, чтобы составляющая вектора В перпендикулярная скорости заряда входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по движении положительного заряда (= против движения отрицательного заряда), то отогрутый на 90о большой палец покажет направление действующей заряд силы Лоренца

Явление электромагнитной индукции, магнитный поток, поток магнитной индукции:

  • Электромагнитная индукция: это явление возникновения электрического тока в проводящем контуре, который либо покоится в переменном магнитном поле, либо движется в постоянном магнитном поле таким образом, что число линий магнитной индукции, пронизывающих контур, меняется
  • Магнитный поток (=поток магнитной индукции) [Вб]: через поверхность площадью S это величина равная произведению модуля вектора магнитной индукции В на площадь и косинус угла между вектром В и нормалью к плоскости S:
    • при этом, очевидно, что если магнитная индукция перпендикулярна плоскости,
    • то cos α = 1, и формула принимает вид:

Правило Ленца:

  • Возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного поля, которым он вызван.

Закон электромагнитной индукции:

  • ЭДС индукции в замкнутом контуре равна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взатой со знаком “-“

Самоиндукция:

  • Самоиндукция это частный случай электромагнитной индукции, при котором изменяющееся магнитное поле индуцирует ЭДС в том самом проводнике, по которому течет ток, создающий это поле:
    • , где L  – индуктивность

Энергия магнитного поля тока:

  • Энергия магнитного поля тока: Энергия магнитного поля тока равна работе, которую должен совершить источник, чтобы создать данный ток
Поиск в инженерном справочнике DPVA. Введите свой запрос:
Поиск в инженерном справочнике DPVA. Введите свой запрос:
Если Вы не обнаружили себя в списке поставщиков, заметили ошибку, или у Вас есть дополнительные численные данные для коллег по теме, сообщите , пожалуйста.
Вложите в письмо ссылку на страницу с ошибкой, пожалуйста.
Коды баннеров проекта DPVA.ru
Начинка: KJR Publisiers

Консультации и техническая
поддержка сайта: Zavarka Team

Проект является некоммерческим. Информация, представленная на сайте, не является официальной и предоставлена только в целях ознакомления. Владельцы сайта www.dpva.ru не несут никакой ответственности за риски, связанные с использованием информации, полученной с этого интернет-ресурса. Free xml sitemap generator

Правило Ленца для электромагнитной индукции

Содержание:

Электромагнитная индукция:

Неоценимая заслуга в изучении явления электромагнитной индукции принадлежит известному английскому физику М. Фарадею – непревзойденному мастеру проведения физического эксперимента.

Фарадей Майкл (1791-1867) – выдающийся английский физик,
основоположник учения об электромагнитном поле, один из
основателей электрохимии, исследователь взаимодействия
вещества и магнитного поля.


Обнаружение в 1820 г. датским физиком X. Эрстедом связи магнитного поля с электрическим током положило начало фундаментальным исследованиям открытого явления. Обладая широким научным кругозором, выдающийся физик и исследователь М. Фарадей предусмотрел возможность обратной связи магнитного поля и электрического тока, когда появление магнитного поля приводит к возникновению электрического тока. В результате длительных научных поисков он в 1821 г. получил первые положительные результаты: добился того, что в замкнутых проводниках, находящихся в переменном магнитном поле, возникал электрический ток. Явление получило название электромагнитной индукции, а ток, возникающий в проводниках, назвали индукционным.

Явление возникновения электрического тока в замкнутом проводнике, который расположен в переменном магнитов ном поле, называется электромагнитной индукцией.

Опишем основные опыты М. Фарадея, которые можно повторить и на школьном оборудовании.
C клеммами гальванометра соединим длинный проводник, пасть которого укреплена в штативе.

Постоянный подковообразный магнит сначала будем приближать к проводнику, а потом удалять от него (рис. 2.26). При этом увидим, что стрелка гальванометра будет отклоняться сначала в одну сторону, потом в противоположную.

Изменим условия опыта. Укрепим теперь подковообразный магнит в лапках штатива, а проводник, присоединенный к клеммам гальванометра, будем вводить в между полюсное пространство и выводить из него (рис. 2.27). Стрелка гальванометра также будет отклоняться сначала в одну, а потом в противоположную сторону.

Pиc. 227. Опыт с движущимся проводником

Видоизменим опыт. Одну из катушек присоединим к клеммам гальванометра, а вторую включим в электрическую цепь, состоящую из источника постоянного тока и выключатели. Замкнув цепь второй катушки, будем приближать ее к первой катушке (рис. 2.28). Отклонение стрелки гальванометра засвидетельствует появление тока в цепи первой катушки. Направление этого тока изменится, если вторую катушку удалять от первой. При неподвижных катушках ток будет отсутствовать.


Рис. 228. Опыт с движущейся катушкой с током

Разместив вторую катушку неподвижно на первой, начнем замыкать и размыкать цепь второй катушки (рис. 2.29). Когда цепь будет замыкаться, стрелка гальванометра отклонится в одну сторону. При размыкании стрелка отклонится в противоположную сторону.


Pиc. 229. Замыкание и размыкание цепи второй катушки

Изменим условия последнего опыта. Включим в цепь второй катушки реостат и снова замкнем цепь. Когда стрелка остановится на нулевом делении, начнем изменять силу тока, перемещая ползунок реостата (рис. 2.30).


Рис. 230. Сила тока в катушке изменяется с помощью реостата

При увеличении силы тока в цепи первой катушки стрелка гальванометра будет отклоняться в одну сторону. При уменьшении силы тока отклонение стрелки будет противоположным.

После этого, не изменяя положения катушек и не разрывая цепи второй катушки, введем в катушки стальной стержень (рис. 2.31). Стрелка и в этом случае отклонится от положения равновесия и возвратится в начальное положение. Во время вынимания стержня из катушки заметим, что стрелка гальванометра отклоняется в противоположную сторону.


Pиc. 231. Опыт, когда движется стальной стержень

Электрический ток, возникающий в замкнутом проводнике в изменяющемся магнитном поле, называют индукционным.

Результаты всех опытов свидетельствуют, что при любом изменении магнитного поля или движении замкнутого проводника в магнитном поле возникает электрический ток. Его направление зависит от характера изменения магнитного поля: при увеличении магнитной индукции ток имеет одно направление, при уменьшении – противоположное.

На практике направление тока в проводнике, который возникает вследствие электромагнитной индукции, определяют по правилу правой руки (рис. 2.32): если правую руку разместить в поле так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а отставленный большой палец показывал направление движения проводника, то вытянутые пальцы руки покажут направление тока в проводнике.

Рис. 2.32 Правило правой руки

Чтобы ток в проводниках протекал длительное время, необходимо, чтобы все это время существовала разность потенциалов. А это возможно при непрерывном движении проводника. При этом будет происходить разделе ние в проводнике положительно и отрицательно заряженных частиц под действием силы Лоренца, которая имеет неэлектростатическое происхождение. Это приводит к возникновению ЭДС индукции.

Определим способ рассчета ЭДС, для случая, когда прямой проводник, который является частью электрической цепи, равномерно движется в магнитном поле. Вызванное силой Лоренца движение заряженных частиц образует электрический ток, а в это время на него в магнитном поле будет действовать сила Ампера (рис. 2.33):


где В — модуль вектора магнитной индукции; — сила тока в проводнике; l длина проводника; – угол между направлением тока в проводнике и вектором магнитной индукции.

Возникающий ток в проводнике всегда будет иметь направление, при котором сила Ампера «тормозит» движение проводника. Чтобы проводник двигался равномерно (условие существования электрического тока), к нему нужно приложить силу, которая по модулю равна силе Ампера, а по направлению противоположна:


Рис. 2.33. К объяснению ЭДС индукции

Если за определенное время △t проводник сместится па △s, то работа будет равна

Таким образом,

Приняв во внимание, что по определению сила тока равна  а ЭДС равна . И произведя определенные математические преобразования, получим

Таким образом, для случая, когда проводник движется равномерно в однородном магнитном поле, значение ЭДС индукции зависит от магнитной индукции поля, длины
прямого проводника и скорости его движения в магнитном поле, учитывая значение угла между  и .

Правило Ленца

Правило установлено известным русским физиком Э.Х. Ленцем как обобщение многочисленных опытов по определению направления индукционного тока. C этой целью Э.Х. Ленц исследовал взаимодействие замкнутого проводника и переменного магнитного поля, которое вызвало индукционный ток в этом проводнике.

Чтобы лучше понять сущность этого правила, рассмотрим опыт.
На легком горизонтальном рычаге, который имеет вертикальную ось вращения, находятся два легких металлических кольца, одно из которых сплошное, я второе разрезано (рис. 2.35). Рычаг посажен на тонкое стальное острие так, чтобы трение было минимальным.
 


Pиc. 235. Прибор для демонстрации правила Ленца

Введем в сплошное кольцо катушку с ферромагнитным сердечником (электромагнитом), включенным в электрическую цепь из источника тока и выключателя (рис. 2.36).


Рис. 236. К правилу Ленца

В момент .замыкания цепи кольцо, как бы отталкиваясь от катушки, сместится на определенное расстояние и развернет рычаг на некоторый угол.

В момент появления тока в электромагните электропроводное кольцо, находящееся возле полюса электромагнита, всегда — притягивается к нему.

Если опыт повторить, изменив направление тока в катушке, то будем наблюдать тот же эффект. Таким образом, определяющим в данном случае является не направление магнитной индукции, а характер изменения магнитной индукции.

Если опыт попытаться пронести с разрезанным кольцом, то подобного эффекта наблюдать не сможем. Это свидетельствует, что отталкивание кольца связано с индукционным током, который возникает в сплошном кольце.

При размыкании цепи питания электромагнита проводящее кольцо будет двигаться от него.

Чтобы разобраться в дальнейших рассуждениях, необходимо вспомнить, что параллельные проводники, в которых ток проходит в одном направлении, притягиваются, а в противоположных отталкиваются. Таким образом, если кольцо отталкивается от катушки, то в нем индуцируется ток, противоположный току в катушке по направлению.

Взаимно противоположными будут и магнитные индукции полей этих токов.

Обобщив результаты опытов, можно сделать выводы, к которым пришел Э.Х. Ленц: магнитное поле индукционного тока всегда противодействует изменениям, которые вызвали этот так.

Правило Ленца: индукционный ток в замкнутом проводнике имеет такое направление, что его магнитное поле компенсирует изменение магнитного поля, которое вызвало этот ток.

Магнитный поток

Электромагнитную индукцию можно наблюдать в двух случаях: когда проводник движется в однородном магнитном поле или неподвижный проводник находится и магнитном поле, магнитная индукция которого изменяется со временем. Нa практике, как правило, случается так, что одновременно изменяется магнитная индукция и положение проводника в магнитном поле. Примером может быть движение проводника в неоднородном магнитном поле. Так как в этом случае расчеты сложнее» для их упрощения ввели физическую величину, которая одновременно зависит и от индукции магнитного поля, и от параметров движения проводника. Эта величина получила название магнитного потока.

Представим себе проводник в виде замкнутого кольца, которое находится в магнитном поле (рис. 2.38-а). Приведем кольцо в движение так, чтобы оно двигалось в плоскости, перпендикулярной к линиям магнитного поля. При этом количество линий индукции магнитного поля, которые проходят через него, будет уменьшаться, и в кольце возникнет индукционный ток (рис. 2.38-б).


Pис. 238. Движение кольца в магнитом поле

Если теперь кольцо проводника поместить в магнитное поле, индукция которого изменяется, то количество линий магнитной индукции, которые проходят через контур, также будет изменяться и в проводнике возникнет индукционный ток (рис. 2.39).

Pиc. 239. Изменение магнитного потока через кольцо

Оба описанных случая можно объяснить проще, если для каждого их них учитывать произведение площади кольца на значение магнитной индукции магнитного поля. Именно это произведение изменялось в обоих случаях. Фактически это произведение характеризовало поток линий магнитной индукции, которые пронизывают контур определенной площади, или просто — магнитный поток.

Магнитный поток Ф зависит не только от модуля магнитной индукции и площади контура, но и от угла, который образуют нормаль с плоскостью контура и вектором магнитной индукции поля (рис. 2.40). Поэтому в общем виде значении магнитного потока записывается как

где Ф – магнитный поток; В – модуль магнитной индукции поля; – угол между нормалью к плоскости контура и вектором магнитной индукции.

Величина, которая описывает магнитное поле и равна произведению магнитной индукции на площадь замкнутого контура и косинус угла (между вектором магнитной индукции и нормалью к контуру), называется магнитным потоком, или потоком магнитной индукции.

Анализ формулы показывает, что минимальное значение магнитного потока (Ф = 0) будет тогда, когда = 90º, т. е. плоскость контура параллельна линиям магнитного поля. Если = 0, то магнитный поток при всех равных условиях будет максимальным (Ф = BS).

Магнитный поток – скалярная величина. В СИ магнитный поток измеряется в веберах (Вб), на честь известного немецкого физика В. Вебера.

Если магнитная индукция магнитного поля 1 Тл, а площадь контура, сквозь который проходит магнитный поток, 1 м2, то магнитный поток равен 1 веберу (1 Вб):
1 Вб = 1 Тл • 1 м2.

Любые изменения магнитного поля или площади контура вызывают явление электромагнитной индукции.

Вебер Вильгельм Эдуард (1804-1881) – немецкий физик,
основные работы посвящены электромагнетизму,
работал также над проблемами акустики, теплоты,
молекулярной физики, земного магнетизма.


Таким образом, любое изменение магнитного потока обусловливает возникновение электрического тока в замкнутом проводящем контуре. C учетом закона Ома для полной цепи последний вывод можно записать так: любое, изменение. магнитного потока приводит к возникновению ЭДС индукции.

Закон электромагнитной индукции

Проанализировав результаты экспериментальных исследований электромагнитной индукции, можно найти общую формулу для выражения особенностей этого явления, которые отражают сущность закона электромагнитной индукции: при изменении магнитного потоки в замкнутых проводниках возникает электрический ток, вызванный ЭДС индукции, которая пропорциональна скорости изменения магнитного потока:

 или 
где электродвижущая сила индукции; -скорость изменения магнитного потока Ф; k – коэффициент пропорциональности.

Закон электромагнитной индукции: электродвижущая сила индукции пропорциональна скорости изменения магнитного потока.

При использовании единиц СИ коэффициент k = 1. Приняв во внимание, что индукционный ток противодействует изменению магнитного потока (правило Ленца), окончательно имеем:

Так как согласно закону Ома  то можно записать его для случая электромагнитной индукции в виде , где  – сопротивление контура, а r=0.

Заряд, который проходит в контуре вследствие электромагнитной индукции: Q = I∆t.

Учитывая, что заряд скалярная величина, а знак минус можно опустить, получим:

Пример решения задачи №1

Магнитный поток, пронизывающий катушку, которая состоит из 75 витков, равен 4,8 ∙ 10-3 Вб. На протяжении какого времени исчезнет этот поток, если в катушке индуцируется ЭДС индукции 0,74 В?

Дано:
Φl= 4,8 • 103 Вб,
Ф2 = 0,
N= 75,
= 0,74 В.

Решение
ЭДС индукции возникает в катушке потому,
что магнитный поток, пронизывающий
ее, изменяется на △Φ = Φ2 – Φl. В каждом
витке катушки при этом будет возникать ЭДС
индукции в соответствии с законом
ΔΦ электромагнитной индeкции: 
∆t – ?


Общая ЭДС будет в N раз больше: . Отсюда:    .
Подставив значения физических величин, получим

Ответ: ток исчезнет через 0,48 с.

Электродинамический микрофон

Одним из примеров практического применения явления электромагнитной индукции является электродинамический микрофон. C помощью этого прибора звуковые колебания превращаются в колебания электрического тока, которые усиливаются при помощи специальных электронных усилителей и используются в быту, научных исследованиях, производстве.

Микрофоны превращают звуковые колебания в электрические.

Обязательной частью электродинамического микрофона является постоянный магнит, изготовленный в виде кольца (рис. 2.41).

К одному из полюсов магнита приклеен цилиндрический стержень 1 из мягкого ферромагнетика (железа). К другому – ферромагнитная пластина 2 из такого же ферромагнетика. В центре этой пластины находится круглое отверстие, которое охватывает стержень. Диаметр отверстия несколько больше диаметра стержня, поэтому между стержнем и пластиной образуется узкая щель 5, в которой сосредоточен весь магнитный поток магнита.

На стержне находится мембрана 3, которая колеблется под действием звуковых волн. К нижней части мембраны приклеена небольшая катушка 4 с некоторым количеством витков изолированного провода. Катушка помещена в кольцевую щель
между полюсами постоянного магнита.

В электродинамическом микрофоне катушка находится в магнитном поле.

Концы катушки соединены гибкими проводниками со специальными клеммами. Если на мембрану микрофона попадают звуковые волны, то она начинает колебаться вместе с катушкой. При колебании катушки магнитный поток, пронизывающий ее, изменяется и в ней индуцируется ЭДС индукции.

В движущейся катушке, находящейся в магнитном поле, возникает ЭДС индукции.

Если катушка включена в цепь электронного усилителя, то электрические колебания усиливаются и могут быть или записаны на магнитный либо оптический диск, или сразу
воспроизведены громкоговорителем.

Принцип действия электродинамического микрофона используется в различных датчиках для изучения и контроля колебательных процессов.

Самоиндукция

Каждый проводник, в котором существует электрический ток, создает «собственное» магнитное поле. Это поле образуется сразу же, как только в проводнике начинает про ходить электрический ток. Если индукция магнитного поля перед замыканием цепи была равна нулю, то через некоторое время после замыкания она будет иметь максимальное значение B, соответствующее силе тока в проводнике. Таким образом, момент возникновения электрического тока можно читать моментом начала изменения магнитного потока. А любое изменение магнитного потока, по закону электромагнитной индукции, порождает вихревое электрическое поле, способствующее появлению ЭДС индукции во всех проводниках,находящихся в магнитном поле.

Явление самоиндукции выявил Д. Генри в 1832 г.

Не может быть исключения и для проводника, который является «источником» этого поля. Вихревое поле создает и в нем ЭДС индукции , которую назвали ЭДС самоиндукции.

Наличие ЭДС самоиндукции можно подтвердить опытом. Для этого составим электрическую цепь из источника тока, выключателя и электрической лампочки (рис. 2.43). При
замыкании цепи лампочка зажигается практически мгновенно. Если же в цепь включить катушку с железным сердечником, то максимальная яркость свечения лампочки устанавливается постепенно (рис. 2.44).


Pиc. 2.43. Лампочка загорается
сразу после замыкания цепи

Рис 2.44 В цепи с катушкой
лампочка загорается постепенно 

Это является свидетельством того, что ток в цепи увеличивается во мгновенно, а на протяжении некоторого времени. Посмотрев на графики рисунков 2.45 и 2.46, можно сказать, что в цепи, где находится катушка из 100 витков, ток нарастает быстрее, чем в цепи, в которой находится катушка из 1000 витков. На прохождение тока н цепи существенно влияет также ферромагнитный сердечник в катушке (рис. 2.47).


Pиc. 2.45. График силы тока
при замыкании цепи с катушкой
из 100 витков

Рис. 2.46. График силы тока
при замыкании цепи с катушкой
из 1000 витков

Рис. 2.47. График силы тока
при замыкании цепи с
катушкой (сердечником)

Поскольку ЭДC самоиндукции противодействует ЭДС источники тока, то можно сделать вывод, что ЭДС самоиндукции зависит от характеристик катушки или проводника, включенного в электрическую цепь.

А магнитный поток, создаваемый катушкой или проводником, будет пропорционален силе тока в них: Ф ~ I. Если внести коэффициент пропорциональности, то можно получить более точное соотношение и новую формулу: Ф = L ∙ I. Здесь коэффициент пропорциональности L учитывает электромагнитные свойства катушки (проводника) и называется индуктивностью. Индуктивность определяется формой и размерами проводника, а также магнитными свойствами среды.

Физическую величину, которая характеризует электромагнитные свойства катушки или проводника, называют индуктивностью.

Если при изменении силы тока в проводнике на 1 А за 1 с в нем индуцируется ЭДС самоиндукции 1 В, то этот проводник имеет индуктивность 1 Гн.

В СИ индуктивность измеряют в генри (Гн) в честь известного американского физика Д. Генри.

Единица 1 генри имеет довольно большой размер, поэтому применяют, как правило, долевые единицы:

  • 1 миллигенри = 1 мГн = 10-3 Гн;
  • 1 микрогенри = 1 мкГн = 10-6 Гн.

Если в любом проводнике изменяется электрический ток, то это приводит к изменению магнитного потока ΔΦ — LΔI, которое вызывает ЭДС самоиндукции:

Явление самоиндукции наблюдается также при размыкании цепи c током. Составим цепь из источника тока, выключателя, катушки и лампочки. Лампу накаливания, сопротивление которой значительно меньше сопротивления катушки, включим параллельно катушке (рис. 2.48). Если замкнуть цепь, то накаливание волоска лампочки будет происходить постепенно, как
бы с задержкой. Если после полного загорания лампы разомкнуть ключ, то она ярко вспыхнет. Это будет проявлением самоиндукции. В результате размыкания цепи возникнет ЭДС самоиндукции, которая поддержит ток в цепи лампочки и катушки.


Рис. 2.48. Схема электрической цепи для наблюдения явления самоиндукции при размыкании

Пример решения задачи №2

Определить индуктивность катушки, если сила тока в ней изменяется на 50 А за 1 с и при этом появляется ЭДС самоиндукции 0,08 В.

Дано:
ΔI = 50 А,
Δt– 1 с,
= 0,08 В.

Решение
По закону ЭДС самоиндукции

Отсюда 
Подставив значения физических величин, 
получим 
L– ?

Ответ: индуктивность катушки 1,6 мГн.

Энергия магнитного поля

Самоиндукция подтверждает действие закона сохранения и превращения энергии в электромагнитных явлениях.

Как известно, вследствие явления самоиндукции при замыкании цепи возникает ЭДС самоиндукции . Если же сила тока не изменяется, ЭДС самоиндукции не возникает. Такое положение в электрической цепи обусловлено тем, что за счет энергии источника тока выполняется работа по компенсации ЭДС самоиндукции. Это аналогично случаю, когда для сообщения скорости неподвижному телу необходимо выполнить определенную работу по преодолению инерции.

Любые изменения силы тока в катушке вызовут появление ЭДС индукции и приведут к выполнению работы источником тока для компенсации ее действия. Эта работа равна энергии магнитного поля катушки или проводника.

Для компенсации ЭДС самоиндукции источник тока выполнит работу по перемещению заряженных частиц, общий заряд которых равен Q. Приняв во внимание, что, и то, что , получим значение выполненной работы для явления самоиндукции:

ЭДС самоиндукции зависит от индуктивности проводника и скорости изменения силы тока в нем.

При этом сила тока в цепи изменяется от пуля до Imax которое равно I0. По определению Q=t.

Поскольку при замыкании цепи сила тока не имеет постоянного значения, то для упрощения расчетов будем считать,что сила тока линейно изменяется на протяжении всего времени. Тогда сила тока
Таким образом,

Изменение силы тока ΔI за интервал времени Δt равно I0.

Работа, выполненная источником тока, равна энергии магнитного поля катушки с током:

Энергия магнитного поля катушки с током пропорциональна индуктивности катушки и квадрату силы тока в ней.

1Правило Ленца, явление самоиндукции. Индуктивность

 

Фронтальный опрос

– В чем заключается гипотеза Ампера?

– Что такое магнитная проницаемость?

– Какие вещества называют пара- и диамагнетиками?

– Что такое ферромагнетики?

– Что такое ферриты?

– Где применяются ферриты?

– Откуда известно, что вокруг Земли существует магнитное поле?

– Где находится Северный и Южный магнитные полюса Земли?

– Какие процессы происходят в магнитосфере Земли?

– Какова причина существования магнитного поля у Земли?

Проблемная ситуация. Обсуждение в парах.

Эксперимент 1

Магнитную стрелку на подставке поднесли к нижнему, а затем к верхнему концу штатива. Почему стрелка поворачивается к нижнему концу штатива с любой стороны южным полюсом, а к верхнему концу – северным концом? (Все железные предметы находятся в магнитном поле Земли. Под действием этого поля они намагничиваются,, причем нижняя часть предмета обнаруживает северный магнитный полюс, а верхняя – южный.)

Эксперимент 2

В большой корковой пробке сделайте небольшой желобок для куска проволоки. Пробку опустите в воду, а сверху положите проволоку, располагая ее по параллели. При этом проволока вместе с пробкой поворачивается и устанавливается по меридиану. Почему? (Проволока была намагничена и устанавливается в поле Земли как магнитная стрелка.)

 

2. Подготовка к активному усвоению и осмысления учебного материала (решение задач)

Цель: Обеспечить мотивацию и принятия учащимися цели учебно-познавательной деятельности.

            Форма: ППС и индивидуальная

Метод: поисково-эвристический

Между движущимися электрическими зарядами действуют магнитные силы. Магнитные взаимодействия описываются на основе представления о магнитном поле, существующем вокруг движущихся электрических зарядов. Электрические и магнитные поля порождаются одними и теми же источниками – электрическими зарядами. Можно предположить, что между ними есть связь.

В 1831 г; М. Фарадей подтвердил этот экспериментально. Он открыл явление электромагнитной индукции.

Эксперимент 1

Гальванометр подсоединяем к катушке, и будем выдвигать из нее постоянный магнит. Наблюдаем отклонение стрелки гальванометра, появился ток (индукционный).

Ток в проводнике возникает, когда проводник оказывается в области действия переменного магнитного поля.

Переменное магнитное поле Фарадей представлял как изменение числа силовых линий, пронизывающих поверхность, ограниченную

данным контуром. Это число зависит от индукции В магнитного поля, от площади контура S и его ориентации в данном поле.

Ф = BScosα – магнитный поток.

Ф [Вб] Вебер.

Индукционный ток может иметь разные направления, которые зависят от того, убывает или возрастает магнитный поток, пронизывающий контур. Правило, позволяющее определить направление индукционного тока, было сформулировано в 1833 г. Э. X. Ленцем.

Эксперимент 2

В легкое алюминиевое кольцо вдвигаем постоянный магнит. Кольцо отталкивается от него, а при выдвигании притягивается к магниту.

Результат не зависит от полярности магнита. Отталкивание и притягивание объясняется возникновением в нем индукционного тока.

При вдвигании магнита магнитный поток через кольцо возрастает: отталкивание кольца при этом показывает, что индукционный ток в нем имеет такое направление, при котором вектор индукции его магнитного поля противоположен по направлению вектору индукции внешнего магнитного поля.

Правило Ленца:

Индукционный ток имеет всегда такое направление, что его магнитное поле препятствует любым изменениям магнитного потока, вызывающим появление индукционного тока.

Открытие электромагнитной индукции

Следующим важным шагом в развитии электродинамики после опытов Ампера было открытие явления электромагнитной индукции. Открыл явление электромагнитной индукции английский физик Майкл Фарадей (1791-1867).

Фарадей, будучи еще молодым ученым, так же как и Эрстед, думал, что все силы природы связаны между собой и, более того, что они способны превращаться друг в друга. Интересно, что эту мысль Фарадей высказывал еще до установления закона сохранения и превращения энергии. Фарадей знал об открытии Ампера, о том, что он, говоря образным языком, превратил электричество в магнетизм. Раздумывая над этим открытием, Фарадей пришел к мысли, что если «электричество создает магнетизм», то и наоборот, «магнетизм должен создавать электричество». И вот еще в 1823 г. он записал в своем дневнике: «Обратить магнетизм в электричество». В течение восьми лет Фарадей работал над решением поставленной задачи.

Долгое время его преследовали неудачи, и, наконец, в 1831 г. он решил ее – открыл явление электромагнитной индукции.

Во-первых, Фарадей обнаружил явление электромагнитной индукции для случая, когда катушки намотаны на один и тот же барабан. Если в одной катушке возникает или пропадает электрический ток в результате подключения к ней или отключения от нее гальванической батареи, то в другой катушке в этот момент возникает кратковременный ток. Этот ток обнаруживается гальванометром, который присоединен ко второй катушке.

Затем Фарадей установил наличие индукционного тока в катушке, когда к ней приближали или удаляли от нее катушку, в которой протекал электрический ток.

Наконец, третий случай электромагнитной индукции, который обнаружил Фарадей, заключался в том, что в катушке появлялся ток, когда в нее вносили или же удаляли из нее магнит.

Открытие Фарадея привлекло внимание многих физиков, которые также стали изучать особенности явления электромагнитной индукции. На очереди стояла задача установить общий закон электромагнитной индукции. Нужно было выяснить, как и от чего зависит сила индукционного тока в проводнике или от чего зависит значение электродвижущей силы индукции в проводнике, в котором индуцируется электрический ток.

Эта задача оказалась трудной. Она была полностью решена Фарадеем и Максвеллом позже в рамках развитого ими учения об электромагнитном поле. Но ее пытались решить и физики, которые придерживались обычной для того времени теории дальнодействия в учении об электрических и магнитных явлениях.

Кое-что этим ученым удалось сделать. При этом им помогло открытое петербургским академиком Эмилием Христиановичем Ленцем (1804-1865) правило для нахождения направления индукционного тока в разных случаях электромагнитной индукции. Ленц сформулировал его так: «Если металлический проводник движется поблизости от гальванического тока или магнита, то в нем возбуждается гальванический ток такого направления, что если бы данный проводник был неподвижным, то ток мог бы обусловить его перемещение в противоположную сторону; при этом предполагается, что покоящийся проводник может перемещаться только в направлении движения или в противоположном направлении».

Это правило очень удобно для определения направления индукционного тока. Им мы пользуемся и сейчас, только оно сейчас формулируется несколько иначе, с употреблением понятия электромагнитной индукции, которое Ленц не использовал.

Но исторически главное значение правила Ленца заключалось в том, что оно натолкнуло на мысль, каким путем подойти к нахождению закона электромагнитной индукции. Дело в том, что в этом правиле устанавливается связь между электромагнитной индукцией и явлением взаимодействии токов. Вопрос же о взаимодействии токов был уже решен Ампером. Поэтому установление этой связи на первых порах дало возможность определить выражение электродвижущей силы индукции в проводнике для ряда частных случаев.

В общем виде закон электромагнитной индукции, как мы об этом сказали, был установлен Фарадеем и Максвеллом.

Магнитный поток наглядно истолковывается как число линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность площадью S.

Если за малое время Δt магнитный поток меняется на ΔФ, то скорость изменения потока

Известно, что в цепи появляется электрический ток в том случае, если на свободные заряды проводника действуют сторонние силы. При изменении магнитного потока появляются сторонние силы, действие которых характеризует ЭДС.

Сопротивление зависит от изменения магнитного потока. Закон электромагнитной индукции формулируется для ЭДС.

Законом в таком виде можно пользоваться при равномерном изменении магнитного потока. В противном случае:

 

 

Лабораторная работа № 10. Изучение явления электромагнитной индукции.

1. Инструктаж по ТБ.

2. Цели обучения по лабораторной работе

3. Порядок выполнения работы

4. Вопросы к лабораторной работе

 

Рефлексия

o        сегодня я узнал…

o        было трудно…

o        я понял, что…

o        я научился…

o        я смог…

o        было интересно узнать, что…

o        меня удивило…

o        мне захотелось…

 

Подведение итогов урока

 

Домашнее задание

 §11.1, 11.211.3

Упр.25 (1,2,3)

Закон электромагнитной индукции Ленца: определение и формула

Что такое закон Ленца?

Закон электромагнитной индукции Ленца утверждает, что направление тока, индуцируемого в проводнике изменяющимся магнитным полем (согласно закону электромагнитной индукции Фарадея), таково, что магнитное поле, создаваемое индуцированным током , противостоит начальное изменяющееся магнитное поле, которое его произвело. Направление этого тока определяется правилом правой руки Флеминга.

Сначала это может быть трудно понять, поэтому давайте рассмотрим пример проблемы.

Помните, что когда ток индуцируется магнитным полем, магнитное поле, создаваемое этим индуцированным током, создает собственное магнитное поле.

Это магнитное поле всегда будет таким, что противостоит магнитному полю, которое его изначально создало.

В приведенном ниже примере, если магнитное поле «B» увеличивается – как показано в (1) – индуцированное магнитное поле будет действовать против него.

Когда магнитное поле «B» уменьшается – как показано в (2) – индуцированное магнитное поле снова будет действовать против него. Но на этот раз «в оппозиции» означает, что она действует, чтобы увеличить поле – поскольку она противостоит уменьшающейся скорости изменения.

Закон Ленца основан на законе индукции Фарадея. Закон Фарадея гласит, что изменяющееся магнитное поле индуцирует ток в проводнике.

Закон Ленца сообщает нам направление этого индуцированного тока, которое противостоит начальному изменяющемуся магнитному полю, которое его породило.Это обозначено в формуле закона Фарадея отрицательным знаком («-»).

Это изменение магнитного поля может быть вызвано изменением напряженности магнитного поля при перемещении магнита по направлению к катушке или от нее, или перемещении катушки в магнитное поле или из него.

Другими словами, мы можем сказать, что величина ЭДС, наводимая в цепи, пропорциональна скорости изменения магнитного потока.

Формула закона Ленца

Закон Ленца гласит, что когда ЭДС генерируется изменением магнитного потока в соответствии с законом Фарадея, полярность наведенной ЭДС такова, что она создает индуцированный ток, магнитное поле которого противоположно начальному изменение магнитного поля, которое его произвело.

Отрицательный знак, используемый в законе электромагнитной индукции Фарадея, указывает на то, что индуцированная ЭДС (ε) и изменение магнитного потока (δΦ B ) имеют противоположные знаки.Формула закона Ленца показана ниже:

Где:

  • ε = Индуцированная ЭДС
  • δΦ B = изменение магнитного потока
  • N = Количество витков в катушке

Закон Ленца и сохранение энергии

Чтобы подчиняться закону сохранения энергии, направление тока, индуцированного согласно закону Ленца, должно создавать магнитное поле, которое противодействует магнитному полю, которое его создало. Фактически закон Ленца является следствием закона сохранения энергии.

Почему это спросите вы? Что ж, давайте представим, что это не так, и посмотрим, что произойдет.

Если магнитное поле, создаваемое индуцированным током, имеет то же направление, что и поле, которое его породило, то эти два магнитных поля объединятся и создадут большее магнитное поле.

Это комбинированное большее магнитное поле, в свою очередь, индуцирует в проводнике другой ток, в два раза превышающий величину первоначального индуцированного тока.

А это, в свою очередь, создало бы еще одно магнитное поле, которое индуцировало бы еще один ток.И так далее.

Итак, мы можем видеть, что если бы закон Ленца не предписывал, что индуцированный ток должен создавать магнитное поле, которое противостоит полю, которое его создало, тогда мы бы получили бесконечную петлю положительной обратной связи, нарушив закон сохранения энергия (поскольку мы фактически создаем бесконечный источник энергии).

Закон Ленца также подчиняется третьему закону движения Ньютона (т.е. на каждое действие всегда есть равное и противоположное противодействие).

Если индуцированный ток создает магнитное поле, равное и противоположное направлению магнитного поля, которое его создает, то только он может противостоять изменению магнитного поля в этой области.Это соответствует третьему закону движения Ньютона.

Объяснение закона Ленца

Чтобы лучше понять закон Ленца, давайте рассмотрим два случая:

Случай 1 : Когда магнит движется к катушке.

Когда северный полюс магнита приближается к катушке, магнитный поток, связанный с катушкой, увеличивается. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, при изменении магнитного потока в катушке индуцируется ЭДС и, следовательно, ток, который создает собственное магнитное поле.

Теперь, согласно закону Ленца, это созданное магнитное поле будет противодействовать своему собственному или, можно сказать, противодействовать увеличению потока через катушку, и это возможно только в том случае, если приближающаяся сторона катушки достигает северной полярности, поскольку мы знаем, что аналогичные полюса отталкиваются. друг с другом.

Зная магнитную полярность стороны катушки, мы можем легко определить направление индуцированного тока, применив правило правой руки. В этом случае ток течет против часовой стрелки.

Случай 2 : Когда магнит удаляется от катушки

Когда северный полюс магнита удаляется от катушки, магнитный поток, связанный с катушкой, уменьшается. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, в катушке индуцируется ЭДС и, следовательно, ток, и этот ток создает собственное магнитное поле.

Теперь, согласно закону Ленца, это созданное магнитное поле будет противодействовать своему собственному или, можно сказать, противодействовать уменьшению потока через катушку, и это возможно только в том случае, если приближающаяся сторона катушки достигает южной полярности, поскольку мы знаем, что разные полюса притягиваются друг к другу. .

Зная магнитную полярность стороны катушки, мы можем легко определить направление индуцированного тока, применив правило правой руки. В этом случае ток течет по часовой стрелке.

Обратите внимание, что для определения направления магнитного поля или тока используйте правило большого пальца правой руки, т.е. если пальцы правой руки расположены вокруг провода таким образом, чтобы большой палец указывал в направлении потока тока, то искривление пальцы покажут направление магнитного поля, создаваемого проводом.

Закон Ленца можно сформулировать следующим образом:

  • Если магнитный поток Ф, соединяющий катушку, увеличивается, направление тока в катушке будет таким, что он будет противодействовать увеличению потока, и, следовательно, индуцированный ток будет создавать свой поток. в направлении, показанном ниже (с использованием правила Флеминга для большого пальца правой руки)
  • Если магнитный поток Ф, соединяющий катушку, уменьшается, поток, создаваемый током в катушке, будет таким, что он будет способствовать главному потоку и, следовательно, направление тока показано ниже.

Закон Ленца Приложения

Применения закона Ленца включают:

  • Закон Ленца можно использовать для понимания концепции накопленной магнитной энергии в индукторе. Когда к индуктору подключен источник ЭДС, через него начинает течь ток. Этому увеличению тока через катушку индуктивности препятствует обратная ЭДС. Чтобы установить ток, внешний источник ЭДС должен проделать некоторую работу, чтобы преодолеть это противодействие. Эта работа может быть выполнена за счет того, что ЭДС сохраняется в катушке индуктивности, и ее можно восстановить после удаления внешнего источника ЭДС из схемы.
  • Этот закон указывает, что индуцированная ЭДС и изменение потока имеют противоположные знаки, что обеспечивает физическую интерпретацию. выбора знака в законе индукции Фарадея.
  • Закон Ленца также применяется к электрическим генераторам. Когда в генераторе индуцируется ток, направление этого индуцированного тока таково, что он противодействует и вызывает вращение генератора (как в соответствии с законом Ленца), и, следовательно, генератору требуется больше механической энергии. Он также обеспечивает обратную ЭДС в случае электродвигателей.
  • Закон Ленца также используется в электромагнитных тормозных и индукционных варочных панелях.

Государство Закон Ленца

Закон Ленца гласит, что направление тока, индуцируемого в проводнике изменяющимся магнитным полем, таково, что магнитное поле, создаваемое индуцированным током, противодействует начальному изменяющемуся магнитному полю, которое его породило.

Закон Ленца назван в честь немецкого ученого Х.Ф. Ленца в 1834 году. Закон Ленца подчиняется третьему закону движения Ньютона (т.е. на каждое действие всегда существует равная и противоположная реакция) и закону сохранения энергии (т.е. энергия не может быть ни создана, ни разрушены, и поэтому сумма всех энергий в системе постоянна).

Электромагнитная индукция

Электромагнитная индукция

ВСЕ ТАБЛИЦЫ НА ОДНОЙ СТРАНИЦЕ ДЛЯ ЛЕГКОЙ ПЕЧАТИ

ОСОБЫЕ ЗАДАЧИ

Чтобы понять закон индукции Фарадея, закон Ленца и правило правой руки с помощью простых экспериментов.

ОБОРУДОВАНИЕ

Гальванометр, постоянный стержневой магнит, компас, две катушки соленоида (грубая и мелкая), железный стержень, алюминиевый стержень и аккумулятор.

ИСТОРИЯ

Провод, по которому проходит электрический ток, создает магнитное поле вокруг провод. Если провод свернут в спираль, называемую соленоидом, тогда магнитное поле напоминает магнитное поле стержневого магнита. Один из концов соленоида будет вести себя как северный (ищущий) полюс. стержневого магнита, а другой конец будет вести себя как южный полюс.Полярность зависит от направления тока и задается

ПРАВИЛО ПРАВОЙ РУКИ – Если взять катушку правой рукой так, чтобы пальцы указывают в направлении тока, большой палец указывает ближе к концу, который ведет себя как северный полюс. Противоположный конец ведет себя как Южный полюс.

EMF – Electro-Motive Force – старое название создаваемого напряжения не батареей, а изменяющимся магнитным полем. ЭДС может подтолкнуть электронов в проводнике, так же как напряжение батареи может подтолкнуть электроны через провод.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ – Всякий раз, когда проводник магнитное поле, в нем есть наведенная ЭДС. Если проводящий путь – это замкнутая цепь, ток будет течь. Величина тока зависит от от ЭДС (напряжения) и сопротивления цепи (помните закон Ома). В направление тока совпадает с направлением наведенной ЭДС.

ЗАКОН ИНДУКЦИИ ФАРАДА для ЭДС, индуцированной в проводящей петле, имеет вид

ЭДС = – N d / dt то есть величина наведенной ЭДС зависит от количества витков провода N в петле и от скорости изменения магнитного поток, который является продуктом магнитное поле В, и площадь контура.Поток может измениться так как
  1. магнитное поле меняется – B увеличивается или уменьшается
  2. Площадь петли меняется – меняется форма
  3. ориентация контура относительно направления магнитного поля меняется.
Направление наведенной ЭДС задается законом Ленца.

ЗАКОН ЛЕНЦА – всякий раз, когда ток течет в результате наведенной ЭДС, его направление таково, чтобы установить магнитный поток, противодействующий изменение условий возникновения наведенной ЭДС.Индуцированный ток стремится поддерживать постоянный поток через контур.

ГАЛЬВАНОМЕТР – очень чувствительный датчик тока, который может считывать ток, проходящий через него в любом направлении. Игла кончит по направлению к входящему току. (Представьте себе флюгер, указывающий на ветер.)

FERROMAGNETIC – описывает вещество, обладающее сильными магнитными последствия. Образец будет привлечен либо к северному, либо к южному полюсу. магнита.

ПРОЦЕДУРА

  1. Обратите внимание на полярность стержневого магнита. Наблюдайте за эффектом планки магнит на компасе. Стрелка компаса указывает на или от северного полюса стержневого магнита?
  2. Предусмотрены две катушки соленоида: первичная с несколькими витками грубая проволока, а вторичная обмотка – с большим количеством витков тонкой проволоки.
  3. Обратите внимание на направление намотки первичной обмотки. Раньше на самом деле попробовав, спрогнозируй, используя правило правой руки, как должна быть батарея подключен к первичной обмотке для создания северного полюса на узком конце.Проверять ваше предсказание с компасом. Поменяйте ориентацию батареи и убедитесь, что южный полюс создается на узком конце первичной обмотки.
  4. Подсоедините вторичную катушку к гальванометру.
  5. Обратите внимание на направление намотки вторичной обмотки. Раньше на самом деле проводя эти эксперименты, с помощью закона Ленца вывести направление, в котором стрелка гальванометра отклонится.
  6. Результаты экспериментов в этой лаборатории являются качественными, а не количественными.Вы запишите направление тока через гальванометр. (вправо или влево) и относительная величина отклонения гальванометра индикатор (большой или маленький).
  7. Следующие инструкции кратко изложены в таблицы, в которых используются следующие сокращения
    • НП – северный полюс
    • SP – южный полюс
    • M – магнит
    • П – первичный соленоид
    • S – вторичный соленоид

  8. Быстро переместите северный полюс магнита во вторичную обмотку и обратите внимание направление и размер прогиба.Быстро уберите северный полюс от вторичной обмотки и отметьте направление и величину отклонения.
  9. Медленно переместите северный полюс магнита во вторичную обмотку и обратите внимание направление и размер прогиба. Медленно удалите северный полюс от вторичной обмотки и отметьте направление и величину отклонения.
  10. Быстро переместите южный полюс магнита во вторичную обмотку и обратите внимание направление и размер прогиба. Быстро уберите южный полюс от вторичной обмотки и отметьте направление и величину отклонения.
  11. Медленно переместите южный полюс магнита во вторичную обмотку и обратите внимание направление и размер прогиба. Медленно снимите южный полюс от вторичной обмотки и отметьте направление и величину отклонения.
  12. Обратите внимание, показывает ли гальванометр отклонение, когда северный полюс Магнит находится внутри вторичной обмотки, но не движется относительно нее.
  13. Нарисуйте большую четкую схему для обозначения ваших экспериментов. Включите полярность и направление движения магнита, в каком смысле вторичная обмотка намотана, и направление индуцированного тока в цепи вторичный.Одной диаграммы может быть достаточно, если она достаточно общая.
  14. Объясните свои результаты, используя закон Ленца. Обобщайте как можно больше чтобы не перечислять каждый отдельный случай отдельно.

  15. Поместите первичную обмотку полностью внутрь вторичной. Используйте закон Ленца, чтобы предсказать результаты следующих экспериментов. Подключите аккумулятор к первичный, так что северный полюс создается на узком конце начальный. Обратите внимание на направление и размер отклонения. Отключите аккумулятор и отметьте направление и размер отклонения.
  16. Подключите батарею к первичному так, чтобы южный полюс был узкий конец первичной обмотки. Обратите внимание на направление и размер прогиб. Отсоедините аккумулятор и обратите внимание на направление и размер прогиб.
  17. Обратите внимание на отклонение, когда батарея подключена к первичной и цепь не замыкается или не размыкается, то есть когда ток через первичный постоянный.
  18. Соответствуют ли ваши экспериментальные результаты с использованием первичного результаты использования стержневого магнита? Объяснять.
  19. Поместите алюминиевый стержень (более легкий из двух) внутрь первичной обмотки. который все еще находится внутри вторичного. Алюминий – хороший проводник электричества, но это не ферромагнетик. Подключите аккумулятор к первичный, так что северный полюс создается на узком конце начальный. Обратите внимание на направление и размер отклонения. Отключите аккумулятор и отметьте направление и размер отклонения.
  20. Подключите батарею к первичному так, чтобы южный полюс был узкий конец первичной обмотки.Обратите внимание на направление и размер прогиб. Отсоедините аккумулятор и обратите внимание на направление и размер прогиб.
  21. Есть ли экспериментально измеряемая разница между заполненными воздухом первичный и первичный заполненный алюминием?
  22. Поместите железный стержень (более тяжелый из двух) внутрь первичной обмотки. который все еще находится внутри вторичного. Железо – посредственный проводник электричества, и это ферромагнетик. Подключите аккумулятор к первичный, так что северный полюс создается на узком конце начальный.Обратите внимание на направление и размер отклонения. Отключите аккумулятор и отметьте направление и размер отклонения.
  23. Подключите батарею к первичному так, чтобы южный полюс был узкий конец первичной обмотки. Обратите внимание на направление и размер прогиб. Отсоедините аккумулятор и обратите внимание на направление и размер прогиб.
  24. Есть ли экспериментально измеряемая разница между заполненными воздухом первичная и железная первичная?
  25. Найдите в Справочнике по химии и физике CRC магнитный восприимчивость алюминия и любых соединений железа.Как вы думаете, что представляет собой это число?
  26. Нарисуйте большую четкую схему для обозначения ваших экспериментов. Включите направление намотки первичной обмотки, направление приложения ток через первичную обмотку, в том смысле, в котором вторичная обмотка рана и направление индуцированного тока во вторичной обмотке. А может быть достаточно одной диаграммы, если она достаточно общая.
  27. Объясните свои результаты, используя закон Ленца.

  28. Снимите первичную обмотку с неповрежденным железным сердечником из вторичной обмотки и поместите два соленоида на стол так, чтобы первичный клапан был перпендикулярен середина средней школы.Подключите аккумулятор к первичной цепи так, чтобы северный полюс создается на узком конце первичной обмотки. Обратите внимание на направление и размер прогиба. Отсоедините аккумулятор и обратите внимание на направление и размер прогиба.
  29. Объясните свои результаты, используя закон Ленца.
Не забывайте свои два случайных и два систематических источника ошибок.
Назад к руководству по электричеству и магнетизму

10.2 Закон Ленца – Введение в электричество, магнетизм и электрические цепи

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

К концу этого раздела вы сможете:
  • Используйте закон Ленца для определения направления наведенной ЭДС при изменении магнитного потока.
  • Используйте закон Фарадея с законом Ленца, чтобы определить наведенную ЭДС в катушке и в соленоиде.

Направление, в котором наведенная ЭДС движет ток по проволочной петле, можно определить через отрицательный знак.Однако обычно это направление легче определить с помощью закона Ленца , названного в честь его первооткрывателя Генриха Ленца (1804–1865). (Фарадей также открыл этот закон, независимо от Ленца.) Мы формулируем закон Ленца следующим образом:

ЗАКОН ЛЕНЦА


Направление индуцированной ЭДС движет ток по проволочной петле, чтобы всегда противодействовать изменению магнитного потока, вызывающему ЭДС.

Закон Ленца также можно рассматривать с точки зрения сохранения энергии.Если толкание магнита в катушку вызывает ток, энергия в этом токе должна исходить откуда-то. Если индуцированный ток вызывает магнитное поле, противодействующее увеличению поля магнита, который мы втолкнули, тогда ситуация ясна. Мы приложили магнит к полю и поработали с системой, и это проявилось как ток. Если бы индуцированное поле не противодействовало изменению магнитного потока, магнит был бы втянут, создавая ток без каких-либо действий. Была бы создана электрическая потенциальная энергия, нарушив закон сохранения энергии.

Чтобы определить наведенную ЭДС, вы сначала рассчитываете магнитный поток, а затем получаете. Величина дается. Наконец, вы можете применить закон Ленца, чтобы определить смысл. Это будет развиваться на примерах, которые иллюстрируют следующую стратегию решения проблем.


Стратегия решения проблем: закон Ленца

Чтобы использовать закон Ленца для определения направлений индуцированных магнитных полей, токов и ЭДС:

  1. Сделайте набросок ситуации для использования при визуализации и записи направлений.
  2. Определите направление приложенного магнитного поля.
  3. Определите, увеличивается или уменьшается его магнитный поток.
  4. Теперь определите направление индуцированного магнитного поля. Индуцированное магнитное поле пытается усилить магнитный поток, который уменьшается, или противодействует магнитному потоку, который увеличивается. Следовательно, индуцированное магнитное поле добавляет или вычитает приложенное магнитное поле, в зависимости от изменения магнитного потока.
  5. Используйте правило правой руки 2 (RHR-2; см. Магнитные силы и поля), чтобы определить направление индуцированного тока, ответственного за индуцированное магнитное поле.
  6. Направление (или полярность) наведенной ЭДС теперь может управлять обычным током в этом направлении.

Применим закон Ленца к системе на рис. 10.2.1 (а). Мы обозначаем «перед» замкнутой проводящей петли как область, содержащую приближающийся стержневой магнит, а «заднюю часть» петли как другую область. По мере того как северный полюс магнита движется к петле, поток через петлю из-за поля магнита увеличивается, потому что сила силовых линий, направленных от передней части петли к задней, увеличивается.Таким образом, в контуре индуцируется ток. По закону Ленца направление индуцированного тока должно быть таким, чтобы его собственное магнитное поле было направлено таким образом, чтобы противостояло изменяющемуся потоку, вызванному полем приближающегося магнита. Следовательно, индуцированный ток циркулирует так, что силовые линии его магнитного поля через петлю направлены от задней части петли к передней. При использовании RHR-2 поместите большой палец напротив силовых линий магнитного поля, то есть к стержневому магниту. Ваши пальцы сгибаются против часовой стрелки, если смотреть со стороны стержневого магнита.В качестве альтернативы, мы можем определить направление индуцированного тока, рассматривая токовую петлю как электромагнит, который противостоит приближению северного полюса стержневого магнита. Это происходит, когда индуцированный ток течет, как показано, поскольку тогда поверхность петли ближе к приближающемуся магниту также является северным полюсом.

(рисунок 10.2.1)

Рисунок 10.2.1 Изменение магнитного потока, вызванное приближением магнита, индуцирует ток в контуре. (а) Приближающийся северный полюс индуцирует ток против часовой стрелки по отношению к стержневому магниту.(b) Приближающийся южный полюс индуцирует ток по часовой стрелке относительно стержневого магнита.

На части (b) рисунка показан южный полюс магнита, движущийся к проводящей петле. В этом случае поток через петлю из-за поля магнита увеличивается, потому что количество силовых линий, направленных от задней части петли к передней, увеличивается. Чтобы противодействовать этому изменению, в петле индуцируется ток, силовые линии которого через петлю направлены спереди назад. Точно так же можно сказать, что ток течет в таком направлении, что поверхность петли, расположенная ближе к приближающемуся магниту, является южным полюсом, который затем отталкивает приближающийся южный полюс магнита.При использовании RHR-2 ваш большой палец направлен в сторону от стержневого магнита. Ваши пальцы сгибаются по часовой стрелке, по направлению индуцированного тока.

Другой пример, иллюстрирующий использование закона Ленца, показан на рис. 10.2.2. Когда переключатель разомкнут, уменьшение тока через соленоид вызывает уменьшение магнитного потока через его катушки, что индуцирует ЭДС в соленоиде. Эта ЭДС должна противодействовать вызывающему его изменению (прекращению тока). Следовательно, наведенная ЭДС имеет указанную полярность и движется в направлении исходного тока.Это может вызвать дугу на выводах переключателя при его размыкании.

(рисунок 10.2.2)

Рисунок 10.2.2 (a) Соленоид, подключенный к источнику ЭДС. (b) Размыкающий переключатель S прекращает подачу тока, что, в свою очередь, индуцирует ЭДС в соленоиде. (c) Разность потенциалов между концами заостренных стержней создается за счет индукции ЭДС в катушке. Эта разность потенциалов достаточно велика, чтобы образовалась дуга между остриями.

ПРОВЕРЬТЕ ПОНИМАНИЕ 10.2


Найдите направление индуцированного тока в проволочной петле, показанной ниже, когда магнит входит, проходит и покидает петлю.

ПРОВЕРЬТЕ ПОНИМАНИЕ 10.3


ПРИМЕР 10.2.1


Круглая катушка в изменяющемся магнитном поле

Магнитное поле направлено наружу перпендикулярно плоскости круглой катушки радиуса (рисунок 10.2.3). Поле цилиндрически симметрично относительно центра катушки, и его величина экспоненциально убывает в зависимости от, где находится в теслах и в секундах.(а) Рассчитайте ЭДС, индуцированную в катушке в моменты времени, и. (b) Определите ток в катушке в эти три раза, если ее сопротивление равно.

(рисунок 10.2.3)

Рисунок 10.2.3 Круглая катушка в убывающем магнитном поле.
Стратегия

Поскольку магнитное поле перпендикулярно плоскости катушки и остается постоянным в каждом месте в катушке, скалярное произведение магнитного поля и нормали к единичному вектору площади превращается в умножение.Магнитное поле можно вывести из интеграции, оставив магнитный поток как произведение магнитного поля на площадь. Нам нужно взять производную по времени от экспоненциальной функции, чтобы вычислить ЭДС по закону Фарадея. Затем мы используем закон Ома для вычисления силы тока.

Решение
  1. Поскольку он перпендикулярен плоскости катушки, магнитный поток определяется выражением

    Согласно закону Фарадея величина наведенной ЭДС равна

    Поскольку направлен за пределы страницы и уменьшается, индуцированный ток должен течь против часовой стрелки, если смотреть сверху, чтобы магнитное поле, создаваемое через катушку, также указывало за пределы страницы.Для всех трех раз значение – против часовой стрелки; его величина составляет

  2. По закону Ома соответствующие токи равны

    и

Значение

Напряжение ЭДС создается изменением магнитного потока во времени. Если мы знаем, как магнитное поле изменяется со временем в постоянной области, мы можем взять его производную по времени, чтобы вычислить наведенную ЭДС.

Candela Citations

Лицензионный контент

CC, особая атрибуция

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

Закон Фарадея – Закон Ленца

Итак, давайте поговорим о законе Фарадея-Ленца. Закон Фарадея-Ленца – это очень-очень-очень важный закон наших электромагнитных полей, созданный двумя физиками Фарадеем и Ленцем, и поэтому он называется этим законом.Хорошо, в нем говорится, что когда у вас есть изменение магнитного потока, вы генерируете ЭДС электродвижущей силы, и вы можете думать об ЭДС как о напряжении, это не совсем то же самое, но для всех намерений и целей это так и есть.

Хорошо, а какой магнитный поток? Магнитный поток – это магнитное поле, умноженное на площадь, так что он состоит из двух разных частей; насколько велико магнитное поле и насколько велика площадь, на которую действует магнитное поле. Хорошо, так это работает, когда у меня есть изменение магнитного потока, я генерирую электродвижущую силу, чтобы пропустить ток.Теперь помните, что когда у вас есть ток, вы создаете магнитное поле. Теперь, как работает закон, системы не любят изменений, поэтому всякий раз, когда изменяется магнитный поток, ток индуцируется в таком направлении, чтобы минимизировать это изменение. равен минус изменению магнитного потока, деленному на изменение во времени, этот знак минус является законом Ленца. Ленц сказал, что изменение магнитного потока вызовет сожаление, что электродвижущая сила будет противодействовать изменению магнитного потока, поэтому он поставил знак минус, это Фарадей, то есть Фарадей-Ленц.

Хорошо, давайте рассмотрим пример. Предположим, я получил эту ситуацию, когда магнитное поле направлено за пределы платы, и допустим, что B уменьшается, хорошо? Так что он вне платы, но становится все меньше. Теперь вспомните, как это работает, системы не любят изменений, они не пытаются обнулить магнитное поле, они не любят изменений, поэтому у них уже был весь этот магнитный поток, и теперь поток уходит, поэтому ток идет чтобы попытаться вернуть поток, и он пойдет, он будет генерировать ток в таком направлении, что магнитное поле, генерируемое током, выходит за пределы платы, поэтому он будет генерировать ток в этом направлении, если магнитное поле идет вниз.

Хорошо, а что если магнитные поля, выходящие из платы, начнут увеличиваться? Ну, теперь у нас больше магнитного потока, но я не хочу изменений, поэтому теперь ток будет идти в другом направлении, так что магнитное поле противодействует этому увеличению магнитного потока, и так оно и есть, это просто хорошо в чем было изменение? А потом попробуем смягчить это, попробуем сделать его как можно меньше.

Хорошо, теперь есть один очень, очень отличный пример, и я собираюсь показать вам видео на YouTube, которое иллюстрирует, что происходит.Теперь, когда вы наблюдаете, как это происходит, демонстратор собирается уронить магнит на эти две стороны; это стекло, это алюминий. Обратите внимание, что магнит, бегущий по стеклу, приземлился раньше, чем алюминий, так что идея этого магнита опускалась, у нас было изменение магнитного потока, потому что магнит двигался, а затем это генерировало ток в алюминии, который препятствовал его изменению. пытался замедлить магнит, чтобы изменение не было таким большим, как было бы в противном случае. Что интересно в этом, так это то, что алюминий не является магнитным материалом, вы можете приложить магнит, прикоснувшись им к глинозему, все равно, это не магнитный материал.Это не было магнитным воздействием напрямую, это был ток, который там генерировался, и хотя алюминий не является магнитным материалом, он, безусловно, является проводником, и он определенно будет поддерживать ток, так что это очень, очень интересный пример того, как работает закон Фарадея-Ленца. .

Еще один важный пример – использование железнодорожных систем, таких как Bart или метро в округе Колумбия. Эти вещи работают так: машина едет, а потом идет, идет, идет, мы добираемся до станции, и вдруг возникает магнитное поле. введенное поле, ему не нравятся изменения, поэтому он пытается остановиться, чтобы изменение происходило медленнее.

Хорошо, давайте сделаем пример, это числовой пример. У меня есть магнитное поле 5 Тесла, оно направлено за пределы страницы и меняется на 0 Тесла за 0,1 секунды, и я хочу знать ЭДС, генерируемую в проводе. петля площадью 2 квадратных метра, и я хочу знать средний ток, если сопротивление составляет 20 Ом. Хорошо, давайте посмотрим, как это происходит, первое, что мне нужно сделать, потому что ЭДС равна минус изменение потока за изменение во времени, мне нужно выяснить изменение потока.Что ж, площадь петли не изменилась, поэтому изменилась не площадь, а магнитное поле, поэтому изменение магнитного потока будет изменением магнитного поля, умноженного на площадь. Что ж, магнитное поле изменилось с 5 на 0, поэтому изменение было в -5 раз больше площади, которая равна 2, поэтому у нас будет -10, и тогда это будет квадратные метры Теслы, хорошо, так что это мое изменение магнитного потока, что насчет изменения во время? Что ж, изменение во времени составляет 0,1 секунды, поэтому ЭДС будет равна минусу, а у меня -10 метров Тесла в квадрате над 0.1 секунда, и это даст мне 100. Как вы думаете, что это за единица? Что ж, мы можем проработать то, что такое единицы Тесла в квадрате в секунду, или мы могли бы сказать, что это ЭДС, поэтому это должно быть вольт, хорошо, все в единицах S.I, поэтому все в единицах S.I очень, очень просто. Хорошо, теперь я хочу знать средний ток, ну, если у меня есть ЭДС 100 вольт, сопротивление 20 Ом, ток равен v по r, поэтому ток будет 5 ампер. В каком направлении будет этот ток? Хорошо, если это мой провод, и у меня есть магнитное поле, выходящее из платы, но оно идет вниз, верно? Затем я хочу вернуть поток, так что это будет ток против часовой стрелки.

Хорошо, теперь еще один замечательный пример использования закона Фарадея-Ленца – создание чего-то, что называется рельсовой пушкой. Что за рельсовая пушка, это такая конструкция, у нас есть провод, который спускается вниз, я вставляю туда небольшой резистор, провод, затем опускается вот так, а затем у нас есть подвижный металлический стержень, и это рельс, хорошо? А затем мы накладываем чрезвычайно сильное магнитное поле на всю конфигурацию, и чем больше мы хотим его активировать, что мы делаем? Избавьтесь от магнитного поля очень быстро без магнитного поля, так что теперь эта система хочет делать? Ну, он хочет вернуть поток, посмотрите, там был весь поток, который он хочет вернуть, поэтому он будет генерировать ток в этом направлении в направлении, которое будет генерировать магнитное поле на странице, так что это так, поэтому этот ток идет так ходить после выключения магнитного поля.Теперь обратите внимание, что происходит: у меня есть ток, идущий вниз в магнитном поле, направленном на страницу, так что теперь у меня есть такая сила, и этот рельс будет ускоряться очень, очень быстро и просто выстрелит с края. из этого, и это рельсовая пушка. Вот один интересный способ, которым мы можем думать об этом эффекте вместо того, чтобы думать о токе и силе, действующей на него, мы могли бы изменить нашу точку зрения и сказать: хорошо, как эта система может действовать, чтобы снизить это изменение потока? Как он может вернуть поток? Что ж, один из способов, которым вы могли бы это сделать, это не такой большой поток, как у этой штуки, подвижный поток – это умножение магнитного поля на площадь.Перемещение не может изменить магнитное поле, но определенно может изменить площадь, поэтому, если я хочу, чтобы поток оставался прежним, что я буду делать? Что ж, я собираюсь увеличить площадь, так что B умножить на A не будет так быстро, как если бы у меня была такая же площадь, и это рельсовая пушка, и это закон Фарадея-Ленца.

Электромагнитная индукция | Закон Фарадея и объяснение закона Ленца – Электротехника 123

Чтобы лучше понять электромагнитную индукцию, давайте сначала взглянем на два важных закона, относящихся к предмету этой статьи. Закон Ленца назван в честь русского физика прибалтийского немца Генриха Ленца в 1834 году и гласит, что если индуцированный ток течет, его направление всегда таково, что он будет противодействовать изменению, которое его произвело.

Закон Ленца показан отрицательным знаком в законе индукции Фарадея :

, который указывает, что индуцированное напряжение (

) и изменение магнитного потока () имеют противоположные знаки. Это качественный закон, который определяет направление индуцированного тока, но ничего не говорит о его величине. Закон Ленца объясняет направление многих эффектов в электромагнетизме , таких как направление напряжения, индуцируемого в индукторе или проводной петле изменяющимся током, или почему вихревые токи оказывают сопротивление движущимся объектам в магнитном поле.

Электромагнитная индукция: Явление, при котором в цепи индуцируется ЭДС (и, следовательно, ток течет, когда цепь замкнута) при изменении магнитного потока, связанного с ней, называется электромагнитной индукцией .

Правило правой руки Флеминга используется для демонстрации направления ЭДС или направления индуцированной ЭДС, также называемого действием генератора в электромагнитной индукции.

Это правило гласит: «Вытяните правую руку, указав первый, второй и большой пальцы под прямым углом друг к другу. Если указательный палец представляет направление силовой линии, большой палец указывает в направлении движения или приложенной силы, то второй палец указывает в направлении индуцированного тока.

Правило Флеминга для левой руки используется для демонстрации направления развивающейся силы ЭДС, также называемой двигательным действием.

Обнаружено, что всякий раз, когда проводник с током помещается в магнитное поле, на проводник действует сила в направлении, перпендикулярном как направлению электрического тока, так и магнитного поля.

Вытяните левую руку указательным, указательным и большим пальцами под прямым углом друг к другу. Если указательный палец представляет направление поля, а второй – направление тока, то большой палец указывает направление силы.

Закон электромагнитной индукции Ленца

Давайте разберемся с законом Ленца с помощью двух приведенных ниже определений, а затем мы увидим несколько примеров, чтобы понять концепцию электромагнитной индукции более простым способом, чтобы новичкам было легко усвоить сложность концепт.

Определение закона Ленца 1: Здесь просто говорится, что «направление индуцированного тока таково, что оно противодействует изменению, которое его вызывает.

Если вы протолкните провод через поле, индуцированный ток создаст силу, которая отталкивает его.

Если поле направлено в одну сторону, а проводник движется через него, то индуцированный ток создает поле, указывающее в противоположную сторону

Определение закона Ленца 2:

Закон Фарадея определяет величину и направление наведенная ЭДС, а значит, и направление любого наведенного тока. Закон Ленца – это простой способ получить прямое направление с меньшими усилиями. Закон Ленца гласит, что индуцированная ЭДС направлена ​​так, что любой индуцированный ток будет противодействовать изменению магнитного потока (что вызывает индуцированную ЭДС).Это проще использовать, чем сказать:

Уменьшение магнитного потока ===> ЭДС создает дополнительное магнитное поле

Увеличивающийся поток ===> ЭДС создает противоположное магнитное поле

Определение закона Ленца 3:

Когда ЭДС генерируется изменением магнитного потока в соответствии с законом Фарадея, полярность наведенной ЭДС такова, что она создает ток, магнитное поле которого противодействует изменению, которое его вызывает. Индуцированное магнитное поле внутри любой проволочной петли всегда поддерживает постоянный магнитный поток в петле.В приведенных ниже примерах, если поле B увеличивается, индуцированное поле действует против него. Если оно уменьшается, индуцированное поле действует в направлении приложенного поля, пытаясь сохранить его постоянным.

Определение в терминах магнита в медной трубе:

Согласно закону Фарадея, когда магнит падает через медную трубу, на меди изменяется магнитный поток. Это вызывает вихревые токи в медной трубе. Согласно закону Ленца , вихревые токи текут таким образом, что они создают магнитное поле, которое противодействует изменению, которое их вызвало.

Определение в терминах индукционного торможения / вихретокового торможения

Согласно закону Фарадея, когда магнит приближается к вращающемуся диску, в любой точке меди изменяется магнитный поток. Это вызывает вихревые токи в медном диске. Согласно закону Ленца, вихревые токи текут таким образом, что создают магнитное поле, которое противодействует вызвавшему их изменению.

Примеры реализации закона Ленца

Изучение закона Ленца / Пример 1: Когда магнит движется к катушке.

  • Поток увеличивается
  • Ток будет создаваться в таком направлении, чтобы противодействовать увеличению потока

Создаваемое магнитное поле будет противодействовать своей собственной причине или, можно сказать, противодействовать увеличению потока через катушку. Это возможно только в том случае, если приближающаяся сторона катушки достигает северной полярности, поскольку мы знаем, что подобные полюса отталкиваются друг от друга.

Изучение закона Ленца / Пример 2: Когда магнит удаляется от катушки
  • Поток, связанный с катушкой, уменьшается
  • ЭДС и, следовательно, ток индуцируется в катушке, и этот ток будет создавать свою собственную магнитное поле

Согласно закону Ленца , это созданное магнитное поле будет противодействовать своей собственной причине или, можно сказать, противодействовать уменьшению потока через катушку, и это возможно только в том случае, если приближающаяся сторона катушки достигает южной полярности, как мы знаем, несходная полюса притягиваются друг к другу.

Теперь посмотрите на анимацию ниже и прокомментируйте, что это такое и что это правильно или нет:

Что такое закон Ленца и как он влияет на конструкцию печатной платы? | Блог о проектировании печатных плат

Altium Designer

| & nbsp Создано: 24 октября 2018 г. & nbsp | & nbsp Информация обновлена: 4 февраля 2021 г.

Закон Ленца – один из фундаментальных физических законов, который описывает множество взаимосвязей между электричеством и магнетизмом.Вместе с законом Ампера, законом Гаусса, законом Фарадея, законом Кулона и законом силы Лоренца у нас есть все необходимое для понимания классического поведения электромагнитного поля. Среди этих законов закон Ленца и закон Фарадея работают вместе, чтобы описать, как магнитное поле в вашей печатной плате связано с электрическим током в проводниках.

Итак, что это значит для топологии вашей печатной платы? Когда станет ясно, как работает закон Ленца, вы сможете лучше понять, как перекрестные помехи и электромагнитные помехи повлияют на вашу конструкцию, а также как индукторы влияют на вашу конструкцию в целом.Давайте посмотрим, что именно означает закон Ленца для вашей конструкции и как он управляет поведением сигналов.

Что такое закон Ленца?

Если вам нужно освежить свои знания в области физики, важно помнить, что закон Ленца – единственный эффект в электромагнетизме, не имеющий собственного уравнения. Закон Ленца связан с законом индукции Фарадея, который связывает магнитное поле, проходящее через катушку, с напряжением, индуцированным в катушке. В частности, закон Фарадея гласит, что величина электродвижущей силы (ЭДС, также известной как напряжение), индуцированной в катушке с проволокой, пропорциональна скорости изменения магнитного потока, проходящего в катушку:

Закон Фарадея ничего не говорит о том, как происходит изменение магнитного потока, входящего в катушку.Катушка может вращаться (например, в двигателе или генераторе), область катушки, охватывающая магнитное поле, может растягиваться или сжиматься, или величина / направление магнитного поля может изменяться. Все эти эффекты вызовут изменение магнитного потока, проходящего в катушку, что приведет к возникновению ЭДС.

Если вы посмотрите на приведенное выше уравнение, вы заметите отрицательный знак. Закон Ленца – это причина, по которой мы ставим отрицательный знак в приведенном выше уравнении. По сути, закон Ленца гласит, что индуцированная ЭДС имеет полярность, которая создает ток, магнитное поле которого противостоит изменению, которое вызывает его при увеличении магнитного потока.Когда магнитный поток уменьшается, наведенная ЭДС имеет противоположную полярность. По этой причине мы называем ЭДС «обратной ЭДС», то есть она направлена ​​против направления, заданного правилом правой руки.

Визуализация с двумя катушками

Назначение отрицательного знака, показанного выше, легче увидеть, если подумать о том, как ток в одной катушке может индуцировать ток в другой катушке. Рассмотрим две катушки A и B, как показано на схеме ниже. Катушка А пропускает ток, который генерирует собственное магнитное поле в соответствии с законом Ампера.Если ток неуклонно увеличивается с течением времени, магнитное поле и магнитный поток будут увеличиваться с течением времени, поэтому будет увеличиваться поток, падающий на катушку B. Закон Ленца гласит, что ЭДС и результирующий ток индуцируются в точке катушки, противоположной заданному направлению. по правилу правой руки.

На этом изображении показано, как индуцирующий ток / поле в катушке A связаны с индуцированным током / полем в катушке B. магнитное поле, создаваемое катушкой A, увеличивается.Когда поле уменьшается, напряжения / токи указывают в одном направлении. Индуцированный ток в катушке B создает собственное магнитное поле, которое противодействует индуцирующему полю, созданному в катушке A. Это основа приводов асинхронных двигателей, поскольку между двумя катушками будет сила.

Визуализация с помощью магнитов

Другой распространенный способ визуализировать закон Ленца – это посмотреть на ток, индуцируемый в катушке движущимися магнитами. На схеме ниже показано, что происходит, когда мы перемещаем магнит по направлению к катушке с проволокой и от нее.Если мы переместим магнит к катушке, магнитный поток будет увеличиваться, поэтому будет генерироваться обратная ЭДС. Это приводит к тому, что любой ток и ЭДС в катушке имеют направление, противоположное правилу правой руки. Однако, если мы отодвинем магнит от катушки, правая часть закона Фарадея будет положительной! Это означает, что направление наведенной ЭДС и тока должно соответствовать правилу правой руки.

Когда магнитный поток увеличивается, индуцированный ток направлен против правила правой руки (левое изображение), и наоборот, когда магнитный поток уменьшается.

Схемы с катушками и магнитами прекрасны, но все это должно быть связано с печатной платой. Взаимодействие между магнитным полем и током в вашей плате определяет поведение катушек индуктивности и влияет на распространение сигналов по трассам и линиям передачи.

Закон Ленца, обратная ЭДС и катушка индуктивности

Когда мы смотрим на схемы, закон Ленца проявляется в индукторах и трансформаторах. Простейшая индуктивная цепь, которую следует учитывать при изучении обратной ЭДС и закона Ленца, – это последовательная цепь с источником постоянного напряжения, переключателем и индуктором.

На схеме ниже показано, что происходит, когда переключатель в этой цепи замкнут. В момент включения переключателя ток очень быстро увеличивается от 0 А до своего установившегося значения. В это время, когда ток проникает в цепь, магнитный поток на катушке индуктивности увеличивается. По этой причине обратная ЭДС имеет указанную ниже полярность в соответствии с законом Ленца.

Бросок, если ток течет к катушке индуктивности после включения переключателя.

Когда переключатель разомкнут, ток падает с исходного значения обратно до нуля.Следовательно, поле в катушке индуктивности со временем уменьшается, потому что уменьшается ток. Согласно отрицательному знаку в законе Фарадея, обратная ЭДС теперь будет указывать на в том же направлении , что и ток в катушке индуктивности.

Когда переключатель разомкнут, постоянный ток падает с исходного значения до 0 А, и обратная ЭДС меняет направление.

Что происходит между открытием и закрытием переключателя? Поскольку мы рассматриваем постоянный ток, при постоянном постоянном токе ничего не произойдет, потому что ток и, следовательно, магнитное поле в катушке индуктивности не изменяются.Следовательно, обратная ЭДС будет равна нулю. Обратная ЭДС генерируется только при изменении тока в катушке индуктивности. Вот почему, когда вы смотрите на импеданс катушки индуктивности, он пропорционален частоте тока в катушке индуктивности. Когда поле изменяется быстро, обратная ЭДС будет больше, поэтому ток в катушке индуктивности будет сильнее противодействовать.

Пример: обратная ЭДС в цепи реле

Хотя обратная ЭДС может быть движущей силой двигателей постоянного тока, она также может быть угрозой, вызывающей множество проблем на печатной плате.Еще одним индуктивным электромеханическим элементом на некоторых конструкциях печатных плат является механическое реле.

Включение механического реле обычно безвредно, но если реле размыкается, быстро уменьшающийся ток в катушке реле будет генерировать большую обратную ЭДС, которая затем вызовет дугу на клеммах реле. Это может затем распространить событие ESD на другие схемы. В качестве примера того, как это влияет на другие компоненты на печатной плате, микроконтроллеры могут подвергаться аппаратному сбросу каждый раз, когда реле отпускается, или обратная ЭДС может вводить достаточно большой ток в обратной полярности, чтобы повредить непосредственные компоненты.

На следующей принципиальной схеме показано механическое реле с обратным диодом после включения (размыкания) переключателя. Стандартный способ подавить протекание тока, когда в такой релейной цепи индуцируется обратная ЭДС, заключается в использовании обратного диода. Это делается путем размещения диода поперек индуктивной катушки таким образом, чтобы он работал с обратным смещением, когда катушка находится под напряжением.

Закон Ленца и направление обратной ЭДС в обмотке реле.

Когда реле размыкается, ток в катушке начинает падать, и катушка обесточивается; единственный замкнутый путь для тока – это прохождение через обратный диод, который становится смещенным в прямом направлении.Это обеспечивает замкнутый путь, который обеспечивает безопасный разряд, не позволяя току влиять на другие близлежащие компоненты. После включения переключателя ток уменьшается, и в индуктивной катушке реле возникает обратная ЭДС, которая указывает на землю. единственный замкнутый путь для тока в цепи – через обратный диод.

Обратная ЭДС также может вызвать искрение на реле, если вы подключаете двигатель постоянного тока к разомкнутым контактам реле. Поскольку двигатели постоянного тока состоят из индуктивных катушек, при отключении двигателя применяется та же теория закона Ленца.Поскольку обратная ЭДС пытается поддерживать убывающий ток, высокий обратный потенциал может вызвать искрение через разрыв контакта реле.

С помощью надежного программного обеспечения для проектирования печатных плат, такого как Altium Designer ® , вы можете использовать инструменты проектирования и моделирования интегральных схем, чтобы понять, что такое закон Ленца и как он управляет поведением схемы. Если вы имеете дело с проблемами, связанными с ЭМП или хотите узнать больше о влиянии закона Ленца на вашу конструкцию печатной платы, поговорите со специалистом Altium.

Закон Фарадея – Электромагнитная индукция

Рисунок 1: Установка электроскопа

Рисунок 2: Настройка осциллографа

Доступны две версии демонстрации электромагнитной индукции.

  1. «Классический» вариант, показанный на Рисунке 1, может быть выполнен путем быстрой вставки и удаления магнита в катушку. Электрометр показывает значение и направление индуцированного тока.
  2. «Современная» версия, показанная на рисунке 2, требует осциллографа с памятью. Он отображает наведенное напряжение катушки индуктивности и отображает его на экране осциллографа в течение нескольких секунд для просмотра студентами. Можно отображать импульс или колебание, как показано ниже на рисунках 3 и 4 соответственно.Магнит пропускается через соленоид для создания импульса или многократно перемещается внутрь и наружу для создания колебаний.

Для отображения как экранов осциллографа, так и значений электрометра следует использовать видеокамеру, чтобы учащиеся могли видеть на большом экране.

Рисунок 3: Идеальный осциллограф для захвата импульса

Рисунок 4: Идеальный осциллограф для захвата колебаний

Оснащение:

  • Соленоид / индуктор [Шкаф F4]
  • Электрометр или осциллограф [шкаф F2 и K1 соответственно]
  • Стержневой магнит и неодимовые магниты [Шкаф F3]
  • Банановые кабели
  • Банан – соединитель BNC [Слева от шкафа K]
  • Мешок с песком [Шкаф A3]
  • Домкраты или подставка

Демо:

Классическая версия

    • Прикрепите соленоид к стойке так, чтобы стержневой магнит мог легко проходить через центр соленоида.
    • Присоедините электрометр параллельно соленоиду.
    • Переместите стержневой магнит через соленоид.

Когда стержневой магнит приближается и удаляется от соленоида, вы должны увидеть, как электрометр обнаруживает быстрое изменение разности электрических потенциалов. Это вызвано индуцированным напряжением или электродвижущей силой (ЭДС) из-за взаимодействия магнитного поля стержневого магнита с соленоидом по закону Фарадея. Более медленно движущийся стержневой магнит рядом с соленоидом создает более слабую ЭДС, в то время как более быстро движущийся стержневой магнит создает более сильную ЭДС.

Современная версия

  • Прикрепите соленоид к стойке так, чтобы стержневой магнит мог легко проходить через центр соленоида.
  • Подключите соленоид к каналу 1 на осциллографе, используя банановый кабель или банановый кабель BNC, показанный на Рисунке 2.
  • Измените настройки шкалы на шкалу времени 500 мс и шкалу напряжения 2 В.
  • Чтобы приостановить экран, нажмите кнопку запуска / остановки, чтобы просмотреть отдельный импульс более подробно.

Когда стержневой магнит приближается к соленоиду и удаляется от него, вы должны увидеть на осциллографе синусоидальную волну. Если вы перемещаете магнит достаточно быстро, вы сможете создать одиночную синусоидальную импульсную волну. Более быстрый движущийся магнит рядом с соленоидом создаст синусоидальную волну с большей амплитудой и меньшей длиной волны. Медленнее движущийся магнит приведет к меньшей амплитуде и большей длине волны генерируемой синусоидальной волны.

Пояснение:
Майкл Фарадей обнаружил, что электродвижущая сила, или ЭДС, индуцируется в цепи и вызывается изменением магнитного потока () в цепи:

, где магнитный поток определяется по формуле:

В нем говорится, что магнитный поток или величина магнитного поля, проходящего через площадь поверхности, зависит от силы магнитного поля, площади перпендикулярного поперечного сечения катушки с проволокой и угла между ними.Магнитный поток также определяется по формуле:

, где мы суммируем все бесконечно малые области, в которых выровнено магнитное поле. Это совмещение дается скалярным произведением магнитного поля, и исследуется бесконечно малая область.
Когда магнитный поток изменяется, это вызывает индуцированное напряжение или ЭДС на катушке с проволокой.

В этой демонстрации стержневой магнит используется в качестве источника магнитного поля.Когда стержневой магнит приближается к соленоиду или катушке с проволокой, магнитное поле, протекающее через катушку с проволокой, увеличивается. Это вызывает изменение магнитного потока, которое индуцирует ЭДС в катушке с проволокой. Однако индуцированного тока не будет, так как установка для этой демонстрации не содержит замкнутого контура провода; концы соленоида напрямую подключены либо к электрометру, либо к осциллографу.

Направление индуцированного напряжения и, возможно, протекание индуцированного тока, если бы это был соединенный контур, определяется законом Ленца.Закон Ленца утверждает, что ток, создаваемый наведенной ЭДС в проводе, движется в таком направлении, что магнитное поле, создаваемое индуцированным током, противодействует первоначальному изменению потока.

В примере, где северный полюс стержневого магнита приближается к катушке с проволокой, индуцированный ток будет течь по часовой стрелке, и, следовательно, индуцированное магнитное поле будет направлено вниз. Теперь, когда стержневой магнит северного полюса перемещается от катушки с проволокой, индуцированный ток будет двигаться против часовой стрелки, создавая магнитное поле, направленное вверх.

Наведенное напряжение можно измерить электрометром или осциллографом. Индуцированный ток можно измерить амперметром или осциллографом. Если вы переместите ось магнитного стержня параллельно оси соленоида, вы получите максимальный магнитный поток. Это приведет к максимальной ЭДС или максимальному току, протекающему через провод. Если вы переместите стержневой магнит под любым другим углом через катушку с проволокой, вы заметите меньшее количество тока, протекающего по проволоке.

Оставить комментарий