что это в физике, описание явления, определение, как найти эдс самоиндукции

Определение самоиндукции

Результатом взаимного влияния друг на друга электрического и магнитного полей является закон электромагнитной индукции, открытый великим физиком М. Фарадеем. На этом законе основан принцип взаимоиндукции, который широко используется на практике, например, в трансформаторах переменного тока. Частный случай явления электромагнитной индукции — самоиндукция. Дадим определение понятию самоиндукции.

Определение 

Самоиндукция — явление возникновения электродвижущей силы в проводнике в результате изменения тока, протекающего по проводнику.

Возникающую при этом явлении ЭДС называют ЭДС самоиндукции, а ток — индукционным.

Примечание 1

Взаимоиндукция (взаимная индукция) — возникновение тока в одной из двух индукционно связанных обмоток при изменении тока в другой.

Примечание 2

Так же как и закон электромагнитной индукции, явление самоиндукции наблюдается в замкнутом контуре и не наблюдается в прямом проводнике.

Описание явления самоиндукции: суть явления, пояснение на примерах

Направление возникающего при самоиндукции тока определяется по правилу Ленца.

 Правило 

Индукционный ток в цепи направлен так, чтобы уменьшить действие вызвавшего его внешнего поля.

Кратко опишем процесс появления самоиндукции в проводнике. Возьмем простой замкнутый контур, состоящий из катушки, двух ламп накаливания и источника тока.

Если подключить схему к источнику, можно наблюдать, как при замыкании цепи лампа за катушкой будет загораться позже другой лампы. При размыкании цепи лампа за катушкой также потухнет позже.

После замыкания ключа по цепи начинает проходить ток, при этом сила тока будет постепенно нарастать в течение некоторого времени. В результате через витки катушки начинает проходить равномерный магнитный поток, также нарастающий со временем.

По закону электромагнитной индукции под действием меняющегося во времени магнитного поля образуется вихревое поле и, следовательно, индукционный ток. По правилу Ленца направление индукционного тока будет противоположным направлению тока источника, именно по этой причине лампа загорается не сразу после замыкания ключа.

Теперь отключим источник тока. Сила тока в цепи начнет убывать, как и магнитный поток, проходящий через обмотку катушки. Индукционный ток при этом будет сонаправлен с током источника. Лампа, находящаяся за катушкой, потухнет спустя некоторое время после размыкания ключа.

 

При резком размыкании цепи можно столкнуться с таким явлением, как скачок тока. Значение величины ЭДС самоиндукции в этот момент может значительно превышать ЭДС источника энергии.

Резкое возрастание тока в цепи при ее размыкании находит применение в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания и сетевых фильтрах (с помощью явления самоиндукции сглаживаются скачки напряжения и заполняются «провалы»).

Не стоит путать ЭДС индукции и ЭДС самоиндукции. Основное отличие этих двух явлений состоит в том, что ЭДС индукции возникает при изменении магнитного потока, пронизывающего проводящий контур. Первичная причина появления ЭДС самоиндукции заключается в изменении тока, проходящего по контуру.

Единицы измерения самоиндукции

Самоиндукцию характеризуют такие величины, как индукционный ток, собственный магнитный поток витка или витков и ЭДС самоиндукции.

Сила индукционного тока измеряется в Амперах (А), магнитный поток — Веберах (Вб).

Единица измерения ЭДС — вольты (В).

В наименовании ЭДС присутствует слово «сила», однако, ЭДС не является силой с точки зрения физики. Поэтому нельзя считать, что ЭДС измеряется в Ньютонах (Н).

ЭДС самоиндукции

ЭДС самоиндукции в общем виде зависит от величины изменения магнитного потока Ф, пронизывающего контур, то есть от скорости его изменения:

Формула 1Примечание 3

Знак минус в выражении для ЭДС отображает правило Ленца для направления индукционного тока.

Магнитный поток можно определить по формуле:

Формула 2

где i — ток в контуре, А;

L — коэффициент самоиндукции или индуктивность, Гн (Генри).

На величину индуктивности влияют следующие параметры проводника:

• геометрии контура;
• размеров контура;
• магнитной проницаемости среды.

Чтобы найти величину ЭДС без учета направления тока, берут модуль от представленного выше выражения:

Формула 3

Параметры контура и среды не меняются во времени в отличие от тока. Тогда, поставив вместо магнитного потока Ф выражение L\cdot i, получим формулу для нахождения ЭДС:

Формула 4

Скорость изменения тока есть первая производная от функции тока.

Если ток в цепи меняется по синусоидальному закону, ЭДС будет равна:

Формула 5

Примеры решения задач

Пример 1

Имеется контур, индуктивность которого постоянна и равна 0,004 Гн. Известно, что через пять секунд после подключения источника тока магнитный поток, пронизывающий контур, изменился от 0 до 0,008 Вб. Найти изменение тока и ЭДС самоиндукции через пять секунд после включения цепи.

Решение.

Из формулы для магнитного потока выразим силу тока и найдем ее значение.

Пример 2

2.6. Эдс якорной обмотки машин постоянного тока

При вращении якоря машины постоянного тока, магнитный поток которой не равен нулю, в его обмотке наводится электродвижущая сила, величина и полярность которой зависят от величины магнитного потока, от частоты вращения якоря и от конструктивных особенностей машины.

Магнитную цепь электрической машины проектируют с таким расчетом, чтобы векторы магнитной индукции были бы практически перпендикулярны поверхности якоря. Распределение же индукции по воздушному зазору, как указывалось ранее, неравномерно.

Электродвижущая сила одного проводника e длиной l, перемещающегося в магнитном поле перпендикулярно силовым линиям с линейной скоростью v, определяется с помощью уравнения

,

где B – индукция магнитного поля в зоне расположения проводника.

Если в пазах машины уложено N проводников обмотки якоря, которые образуют 2

a параллельных ветви, то суммарная ЭДС обмотки определится следующим соотношением:

,

здесь а – число пар параллельных ветвей.

Частоту вращения якоря принято выражать в оборотах в минуту. Если якорь имеет радиус R и он вращается с частотой n об/мин, тогда линейную скорость перемещения проводников можно получить с помощью формулы

м/с.

Реальные значения индукций зазора заменим ее средним значением под каждым полюсом (рис. 2.21), тогда ЭДС каждой ветви обмотки якоря будет равной

Рис. 2.21

.

Полученное уравнение умножим и разделим на количество полюсов машины тогда

;

В этом уравнении является длиной средней линии воздушного зазора, приходящейся на один полюс. l есть длина проводников, находящихся в магнитном поле, т. е. это практически длина паза якоря или, что одно и то же, длина магнитопровода якоря. Величина является площадью поверхности якоря, приходящейся на один полюс машины.

Но произведение этой площади S_n на среднее значение индукции B_cр равно магнитному потоку машины

.

ЭДС машины в этом случае

.

В полученной формуле  величина постоянная для данной машины и зависит только от ее конструкции.

Обозначив , получим окончательную формулу для нахождения ЭДС машины:

,

где – конструктивная постоянная машины при определении ее ЭДС;

n  частота вращения якоря;

Ф  магнитный поток машины, который зависит в общем случае от намагничивающей силы обмотки возбуждения и, следовательно, от тока обмотки возбуждения I_в.

Рис. 2.22

Полученная формула может быть использована для построения и объяснения поведения характеристик машин постоянного тока. Реальное значение электродвижущих сил якорных обмоток несколько ниже расчетных. Это объясняется следующим явлением. ЭДС отдельного проводника, как уже объяснялось ранее, пропорциональна индукции магнитного поля в зоне его расположения в каждый момент времени

.

При вращении якоря со скоростью n эта ЭДС изменяется по периодическому закону, повторяющему по форме закон распределения индукции в зазоре (рис. 2.22).

Как известно из курса электротехники, такая периодическая несинусоидальная функция может быть представлена в виде ряда Фурье для любого k—го витка

.

Рис. 2.23

Секции обмотки якоря расположены в различных пазах, т. е. смещены в пространстве на определенный пространственный угол. Это приводит к тому, что гармонические соответствующие ЭДС каждой секции будут сдвинуты по фазе. В этом случае суммарная ЭДС ветви обмотки якоря, представляющая собой сумму мгновенных значений ЭДС отдельных витков, будет равна не сумме амплитуд соответствующих гармоник, а их векторной сумме с учетом разности фаз.

Для более наглядного объяснения обычно используют векторно-топо­графи­­чес­кую диаграмму первых гармоник ЭДС якорной обмотки (рис. 2.23).

Здесь Е₁, Е₂, Е₃, Е₄, Е

₅, Е₆  векторы ЭДС секций одной из параллельных ветвей двухполюсной машины, имеющей на поверхности якоря 12 пазов для укладки обмоток. В такой машине секции якорной обмотки сдвинуты в пространстве на 30 пространственных градусов. Как следует из приведенного примера, результирующая ЭДС Е всегда меньше суммы действующих значений ЭДС секций. Векторная сумма других гармонических составляющих ЭДС секций дает похожий результат.

Таким образом, ЭДС якорной обмотки реальной машины всегда меньше расчетного значения. Это уменьшение учитывается путем введения дополнительного коэффициента в постоянную С_e формулы определения ЭДС .

Значение этого коэффициента уточняется экспериментально.

Расчет ЭДС

Расчет ЭДС Редакция

Потенциалы ячеек

Потенциалы полуэлементов измеряются по сравнению со стандартным водородным электродом. Стандартные потенциалы полуклеток могут быть как положительными, так и отрицательными. Значение стандартного потенциала покажет, подвергается ли полуячейка восстановлению или окислению в данной клетке.

Чем больше отрицательный клеточный потенциал вещества, тем легче веществу будет окислять другие вещества и действовать как окислитель

. Чем больше положительный клеточный потенциал вещества, тем легче этому веществу будет восстанавливать другие вещества и действовать как восстановитель .

Потенциалы клеток рассчитываются путем вычитания потенциала полуклетки справа от ячейки в обычном представлении ячейки из потенциала полуклетки слева. {\varnothing}_\text{Left} 9{\varничего}, чем у вещества, с которым оно реагирует.

более положительная половина ячейки будет окислять  веществ , поэтому реакция будет происходить в

направлении восстановления (т. е. слева направо), как написано в электрохимическом ряду. более отрицательная половина ячейки будет восстанавливать веществ , поэтому реакция будет происходить в направлении окисления (т.е. справа налево). 9{\varnothing}_{\text{Окисление}}

Уровень AQA

Необходимое практическое задание

Измерение ЭДС электрохимической ячейки

Методика

1. Выберите полоску из двух металлов для проведения эксперимента. Эти металлы могут быть любыми из меди, железа, серебра или цинка.
2. Очистите металлы с помощью наждачной бумаги , чтобы удалить оксидный слой , и убедитесь, что на металлах нет смазки, которая может повлиять на результаты. 93 раствора , содержащего ионы металла . Повторите это для второго металла, используя другой стакан.
3. Опустите полоску фильтровальной бумаги в инертный солевой раствор , такой как \text{KNO}_3, а затем поместите каждый конец полоски в отдельные химические стаканы. Убедитесь, что полоска находится в растворах.
4. Используя зажимы типа «крокодил», соедините металлы с вольтметром и создайте цепь.
5. Измерьте и запишите напряжение элемента.

Уровень AQA

Влияние условий на напряжение элемента

Принцип Ле Шателье можно использовать для понимания влияния изменения условий на электродный потенциал элемента.

Если ЭДС клетки в раз больше положительной , то реакция с большей вероятностью будет происходить спонтанно . Несмотря на это, возможно, что реакции с положительной ЭДС протекать не будут, так как некоторые реакции протекают настолько медленно, что за эффективно инертны или имеют высокую энергию активации .

Увеличение концентрации реагентов в ячейке увеличивает ЭДС . Это связано с тем, что равновесие смещается в сторону продуктов реакции, производящих меньше электронов. Большинство клеточных реакций являются экзотермическими . Таким образом, увеличение температуры вызовет уменьшение ЭДС на сдвиг равновесия в сторону реагентов 9{2+}_{\text{(водн.)}} + 2\text{Au}_{\text{(s)}}

A LevelAQA

Расчет ЭДС Примеры вопросов

Уравнение полуэлемента \text{NiO(OH)} содержит 1 электрон, а полууравнение \text{Cd(OH)}_2 электрода содержит 2 электрона. Следовательно, половинное уравнение \text{NiO(OH)} умножается на два, что дает:

2\text{NiO(OH)} + 2\text{H}_2\text{O} + \text{Cd} → 2\text{Ni(OH)}_2 + \text{Cd(OH)}_2

1,4\text{ V}

(Два балла за правильное уравнение. Один балл за правильный потенциал.)  9-\rarr\text{LiMnO}_2

Для удаления оксидного слоя.

Равновесие реакции сдвинется в сторону продукта , что приведет к уменьшению числа образующихся электронов. Следовательно, ЭДС увеличится на .

Ток электричества и цепей постоянного тока

*Пожалуйста, щелкните заголовок видео, чтобы воспроизвести его, если видео не загружается должным образом.

Ток — это скорость потока заряда через поперечное сечение точки проводника. I = Q / t     , I — ток (А), Q — заряд (Кл), t — время (с).

V = I R     , V — напряжение (В), I — ток (А), R — сопротивление (Ом).

Обычный ток течет в направлении от положительной клеммы к отрицательной клемме батареи (это общепринятое представление людей о направлении тока, но на самом деле это неверно).

Электрон течет в направлении от отрицательной клеммы к положительной клемме батареи (это действительно правильное представление о токе как скорости потока электронов через цепь).

Смотрите следующее видео, в котором рассматриваются формулы I = Q / t , V = IR , обычный поток тока и поток электронов.

Электродвижущая сила

Электродвижущая сила (Э.Д.С.) источника электрического тока – это общая работа, совершаемая источником электрического тока при перемещении единицы заряда по полной цепи.

э.д.с. = Вт / Q   , W — работа, совершаемая источником электричества, Q — заряд.

**Многих студентов не устраивает определение Э.Д.С. потому что это звучит абстрактно. ЭДС описывает источник электричества (например, аккумулятор). ЭДС также описывает, что существует определенный общий объем работы, выполняемой источником электричества (батареей) для перемещения единицы заряда (то есть 1 кулон заряда) по цепи.

Используя здесь здравый смысл, мы можем понять, что заряды не волшебным образом движутся сами по себе по цепи без какой-либо работы, которая их перемещает. Батарея должна совершать работу, чтобы перемещать их по цепи. Таким образом, определение говорит об общей работе, выполненной электрическим источником (батареей) при движении (перемещении) единичного заряда по полной цепи.

В итоге формула говорит и об определении. ЭДС = Вт / Q . W делится на Q, так как мы говорим о работе, выполненной на каждую единицу заряда.

Например, предположим, что общая работа, выполненная (Вт) для возбуждения 2 Кл заряда, равна 20 Дж. Конечно, чтобы найти общую работу, затраченную на возбуждение каждого 1 Кл заряда, мы примем ЭДС = W / Q = 20 Дж ÷

 2 Кл = 10 Дж/Кл и, таким образом, это означает, что требуется 10 Дж работы, чтобы передать каждый 1 Кл заряда по цепи. Это простая задача по математике для начальной школы. Не думайте слишком сложно. Таким образом, ЭДС = Вт / Q.

Разность потенциалов (В) между двумя точками компонента цепи представляет собой количество электрической энергии, преобразованной в другие формы энергии для каждой единицы заряда, проходящей между двумя точками. V = W / Вопрос    или V = E / Q   , 

В — разность потенциалов (В), W — проделанная работа (Дж), E — количество электрической энергии, преобразованной в другие формы (Дж), Q — заряд (Кл).

См. следующее видео, в котором показано объяснение этого определения.

Сопротивление проводника представляет собой отношение разности потенциалов на нем к току, протекающему по нему. разность (В), I ток (А).

См. следующее видео, объясняющее определение сопротивления. Мы понимаем, что некоторые материалы, такие как нихром, имеют более высокое сопротивление, чем другие материалы, такие как медь. Эта простая идея сопротивления также является мерой способности материала сопротивляться протекающему через него току (или, точнее, потоку электронов через него). Для ответов уровня O используйте правильное определение, которое выражает сопротивление как отношение разности потенциалов к току.

Сопротивление провода, зависящее от длины и площади поперечного сечения

R = pl / A    , 
R — сопротивление (Ом), p — удельное сопротивление провода, l — длина провода (м), A — площадь поперечного сечения провода (м²)

На основании приведенной выше формулы сопротивление прямо пропорционально длине, а сопротивление обратно пропорционально площади поперечного сечения:
1. Чем длиннее провод, тем больше сопротивление. Например. удвоение длины удваивает сопротивление.

2. Чем тоньше провод, тем больше сопротивление. Например. уменьшение вдвое радиуса провода увеличивает сопротивление в четыре раза.

Если предположить, что в цепи последовательно соединены три резистора, Общее сопротивление R = R1 + R2 + R3   , R1, R2 и R3 относится к трем различным резисторам.

Кроме того, Общее напряжение (Э.Д.С.) = V1 + V2 + V3 ,     V1, V2 и V3 относится к разным разностям потенциалов на трех резисторах.

Посмотрите следующее видео, в котором объясняется, как смотреть на сопротивление, ток, а также разность потенциалов в последовательной цепи.

Предположим, что в цепи параллельно соединены два резистора. Чтобы найти общее сопротивление, мы используем следующую формулу:

1 / R = 1 / R1 + 1 / R2 и R2 – сопротивление двух разных резисторов.

**Обратите внимание, что при использовании приведенной выше формулы следите за тем, чтобы левая часть уравнения была равна 1 / R , поэтому не забудьте инвертировать ответ, чтобы получить R.