Что такое индукция и как она работает?

(Электромагнитная) индукция — это физический эффект, при котором электрическое поле создается за счет изменения магнитного поля. Это основной принцип действия всех электрических машин, таких как генераторы, трансформаторы или электродвигатели, и, следовательно, основа для производства электроэнергии, ее преобразования и использования. При наличии проводящих тел в магнитном поле, которое изменяется со временем, создается (индуцируется) напряжение, которое может вызвать прохождение тока.

В концепции многих электрических машин одна часть машины генерирует магнитное поле и индуцирует его на другую часть машины. Обе части обычно механически разделены, так что энергия передается бесконтактно через воздушный зазор. Лишь это разделение обеспечивает необходимую степень свободы при конструировании машин, например возможность вращения ротора в электромоторе или нагрева посуды на индукционной плите.

Воздушный зазор отнюдь не обязательно должен состоять из воздуха. Однако он не должен излишне ослаблять магнитное поле. Магнитное поле обычно создается током в первой части машины. Оно окружает этот ток, образуя замкнутые силовые линии. Магнитное поле имеет наибольшую силу непосредственно в месте возникновения возбуждающего тока, которая становится меньше по мере удаления от него. Поэтому предпочтителен как можно меньший воздушный зазор, чтобы большая часть магнитного поля также действовала до точки, в которой должен индуцироваться ток во второй части машины.

Для полноты картины следует сказать, что в действительности существует взаимодействие между токами и полями обоих токов, так что индуцированный ток противодействует возбуждающему току. Чтобы понять, как это работает, достаточно представить, что возбуждающий ток создает магнитное поле, которое затем вызывает индуцированный ток.

Для индукционного эффекта важно, чтобы только изменение магнитного поля вызывало индуцированный ток. По этой причине большинство электрических машин работают на переменном токе. Переменный ток в первой части машины вызывает переменное магнитное поле в воздушном зазоре, и это вызывает индуцированный переменный ток во второй части машины.

Если сравнивать индукционный нагрев с нагревом в печи, то можно заметить, в частности, одно главное отличие.

Индукционный нагрев происходит в самой заготовке. Поэтому он не ограничен конструкцией печи, температурой окружающей среды или теплопередачей.

Плотность мощности может быть значительно увеличена по сравнению с печным нагревом, так что возможен очень быстрый нагрев (до раскаленного состояния за секунды). Регулировка температуры имеет широкие возможности. Это позволяет реализовать любые профили нагрева и промежуточные фазы выдержки. Нагрев также можно отрегулировать локально, чтобы можно было нагревать только частичную площадь детали или несколько точек с разными температурными профилями.

Комбинация индукционного и традиционного методов нагрева в печи используется на существующих линиях, а также в новых установках для увеличения производительности. В таких случаях говорят о гибридном нагреве. Подключенное выше или ниже по технологической линии индукционное оборудование может увеличить производительность и расширить температурный диапазон печи. Это значительно уменьшает размер печи, что дает дополнительные преимущества с точки зрения занимаемой площади и расхода энергии. Кроме того, расширяются возможности реагирования на изменившиеся производственные требования в кратчайшие сроки, поскольку мощность нагрева можно включать и выключать буквально одним нажатием кнопки. Снижение количества выхлопных газов, достигаемое за счет гибридного нагрева, позволяет нашим клиентам сделать еще один важный шаг в направлении производства без выбросов CO2.

Задание 16 ЕГЭ по физике

 Электродинамика. Объяснение явлений;

интерпретация результатов опытов,

представленных в виде таблицы или

графиков

В. З. Шапиро

     В задании 16 проверяются знания по темам: «Электрическое поле», «Постоянный ток», «Магнитное поле, электромагнитная индукция», «Электромагнитные колебания и волны». В этом задании необходимо выбрать два верных утверждения из пяти предложенных на основе известных формул и закономерностей. Та или иная ситуация описывается при помощи рисунка или графика.

1. Катушка № 1 включена в электрическую цепь, состоящую из источника постоянного напряжения и реостата. Катушка № 2 помещена внутрь
катушки № 1, и её обмотка замкнута. Вид с торца катушек представлен на рисунке.

Из приведённого ниже списка выберите два

правильных утверждения, характеризующие процессы в цепи и катушках при перемещении ползунка реостата вправо.

1) Сила тока в катушке № 1 увеличивается.

2) Модуль вектора индукции магнитного поля, созданного катушкой № 1, увеличивается.

3) В катушке № 2 индукционный ток направлен по часовой стрелке.

4) Вектор магнитной индукции магнитного поля, созданного катушкой № 2 в её центре, направлен от наблюдателя.

5) Модуль магнитного потока, пронизывающего катушку № 2, увеличивается

Ответ:

Необходимая теория: Электромагнитная индукция

Рассмотрим каждое утверждение по отдельности.

1. При перемещении ползунка реостата вправо его сопротивление возрастает. В соответствии с законом Ома для участка цепи   сила тока будет уменьшаться. Утверждение неверное.

Дополнение.  При перемещении ползунка реостата вправо условно увеличивается длина провода, задействованного в сопротивлении. Так как сопротивление прямо пропорционально длине  это приведет к увеличению сопротивления реостата.

2. Вокруг проводника с током образуется магнитное поле. Силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции . Чем больше ток, тем магнитное поле сильнее. Так как ток уменьшается, модуль вектора магнитной индукции, созданного катушкой №1, будет уменьшаться. Утверждение неверное.

3. Магнитный поток (Ф), созданный катушкой №1, направлен от наблюдателя. Это объясняется направлением тока в цепи и применением правила буравчика. Так как ток в катушке №1 уменьшается, то магнитный поток (Ф) через катушку №2 также уменьшается. В соответствии с законом электромагнитной индукции и правилом Ленца, возникает (индуцируется) магнитный поток (Ф^ʹ), который стремится компенсировать изменение внешнего магнитного поля. Другими словами, в этом случае индуцированный магнитный поток (Ф^ʹ) будет поддерживать уменьшающийся внешний поток (Ф). Он будет направлен от наблюдателя. Применяя правило буравчика, можно определить, что индукционный ток в катушке №2 направлен по часовой стрелке. Утверждение верное.

4. Рассуждаем так же, как в предыдущем пункте. Так как магнитный поток (Ф^ʹ) направлен от наблюдателя, то и вектор магнитной индукции магнитного поля, созданного катушкой № 2 в её центре, также направлен от наблюдателя. Утверждение верное.

5. Рассуждения по 3 и 4 пункту достаточны для того, чтобы данное утверждение посчитать неверным.

Ответ: 

Секрет решения. В теме «Электромагнитная индукция, правило Ленца» недостаточно простого заучивания формул. Здесь требуется глубокое понимание физики и происходящих процессов. Особенно это относится к ситуациям, когда магнитный поток, проходящий через замкнутый контур, меняется. Слово «компенсация», применяемое к образующемуся (индуцированному) магнитному потоку, ставит многих в тупик.

Его можно заменить следующей фразой: «появляющейся магнитный поток стремится поддержать внешний поток или, наоборот, будет ему препятствовать».

2. Две параллельные металлические пластины больших размеров расположены на расстоянии d друг от друга и подключены к источнику постоянного напряжения (см. рисунок).

1) 

Напряжённость электрического поля в точках А, В и С одинакова.

2) Потенциал электрического поля в точках А и С одинаков.

3) Если увеличить расстояние d между пластинами, то напряжённость электрического поля в точке В увеличится.

4) Если пластины полностью погрузить в керосин, то энергия электрического поля пластин останется неизменной.

5) Если уменьшить расстояние d между пластинами, то заряд левой пластины увеличится.

Ответ:

 

Рассмотрим каждое утверждение по отдельности.Необходимая теория: Конденсатор. Энергия электрического поля

1. В условии задачи подразумевается, что данная модель представляет собой плоский конденсатор.
   Электрическое поле внутри такого конденсатора однородно, следовательно, напряженность в точках А, В и С одинаковая. Утверждение верное.
2. В соответствии с формулой для расчета потенциала и расположением точек А и С, это утверждение – неверное.
3. Напряженность поля можно рассчитать по формуле Увеличение расстояния d между пластинами приведет к уменьшению модуля напряженности электрического поля. Утверждение неверное.
4. Так как данная модель представляет собой плоский конденсатор, то энергию, запасенную этим конденсатором, можно рассчитать по формуле Емкость конденсатора С зависит от диэлектрической проницаемости среды согласно формуле  Если пластины полностью погрузить в керосин, то емкость увеличится в  Так как конденсатор все время подключен к источнику постоянного тока, то Утверждение неверное.
5. Уменьшения расстояния между пластинами конденсатора, приведет к росту его емкости согласно формуле Увеличение емкости приведет к увеличению электрического заряда, запасенного конденсатором. Утверждение верное.

Ответ:

Секрет решения. В таких задачах надо разделять два случая:

1) когда конденсатор все время подключен к источнику тока и

2) когда конденсатор зарядили и потом отключили от источника тока.

 

В первом случае постоянным будет напряжение, во втором – заряд, запасенный на пластинах конденсатора. Одни и те же изменения, в зависимости от вариантов подключения к источнику тока, приводят к разным результатам.

 

3. По гладким параллельным рельсам, замкнутым на лампочку накаливания, перемещают лёгкий тонкий проводник. Контур находится в однородном магнитном поле с индукцией В (см. рис. а). При движении проводника площадь контура изменяется так, как указано на графике б.

Выберите два верных утверждения, соответствующие приведённым данным и описанию опыта.                                      

а)

б)

1) В момент времени  с сила Ампера, действующая на проводник, направлена вправо.

2) Сила, прикладываемая к проводнику для его перемещения, в первые две секунды максимальна.

3) В течение первых 6 секунд индукционный ток течёт через лампочку непрерывно.

4) В интервале времени от 4 до 6 с через лампочку протекает индукционный ток.

5) Индукционный ток течёт в контуре всё время в одном направлении.

Ответ:

Необходимая теория:

Магнитное поле. Силы

Электромагнитная индукция

 

Рассмотрим каждое утверждение по отдельности.

1. При движении проводника вправо увеличивается площадь, пронизываемая магнитным полем. Магнитный поток через данный контур увеличивается в соответствии с формулой Ф = BScosα. Согласно закону электромагнитной индукции и правилу Ленца, возникает магнитный поток Ф^‘, который стремится компенсировать изменение внешнего магнитного потока. Если вектор направлен от наблюдателя, то вектор  будет направлен  к наблюдателю (см. рис.)

По правилу буравчика можно определить направление индукционного   тока в контуре.

Чтобы буравчик двигался к наблюдателю, ручка буравчика должна вращаться против часовой стрелки. Поэтому индукционный ток будет направлен также против часовой стрелки.

На заключительном этапе необходимо определить направление силы Ампера по правилу левой руки. По проводнику ток направлен сверху вниз, магнитные линии входят в ладонь, отогнутый на 90^° большой палец укажет направление силы Ампера. Она будет направлена в левую сторону. Утверждение неверное.

2. Согласно графику, за первые две секунды площадь контура меняется на 4 м², в течение последующих двух секунд площадь не изменяется, за последние две секунды она уменьшается на 2 м² . Максимальное изменение площади вызвано действием максимальной силы. Утверждение верное.
3. Так как от 2 до 4 секунд площадь контура не меняется, то индукционный ток в этот интервал равен нулю. Утверждение неверное.
4. В соответствии с законом электромагнитной индукции изменение магнитного потока приводит к появлению индукционного тока. Утверждение верное.
5. В течение первых двух секунд ток в контуре течет против часовой стрелки, в течение следующих двух секунд I = 0, в течение последних двух секунд индукционный ток течет по часовой стрелке. Утверждение неверное.

Ответ:

    Секрет решения. В этой задаче требуется качественное понимание закона электромагнитной индукции, правила Ленца и умение определять направление силы Ампера. По отдельности эти элементы несложны, но если они все вместе встречаются в одной задаче, то это вызывает затруднение. Ошибка на любом этапе сразу приведет к потере балла. Остальные утверждения достаточно просты в понимании и решении.

Спасибо за то, что пользуйтесь нашими публикациями. Информация на странице «Задание 16 ЕГЭ по физике» подготовлена нашими авторами специально, чтобы помочь вам в освоении предмета и подготовке к ЕГЭ и ОГЭ. Чтобы успешно сдать нужные и поступить в ВУЗ или колледж нужно использовать все инструменты: учеба, контрольные, олимпиады, онлайн-лекции, видеоуроки, сборники заданий. Также вы можете воспользоваться другими материалами из данного раздела.

Публикация обновлена: 03.01.2023

Наведенный ток > Лаборатория поддержки лекций по физике и астрономии > Колледж литературы, искусств и наук имени Даны и Дэвида Дорнсайфов USC

EM.2(1) — Эксперимент Фарадея по электромагнитной индукции демонстрация. Стержневой магнит, погруженный в катушку, создает в катушке электрический ток, который показывает гальванометр. Когда магнит удаляется, возникает ток в противоположном направлении. Отклонение стрелки гальванометра хорошо видно всему классу.

Эксперимент Фарадея теперь проводится с одной петлей вместо катушки с проволокой. Прогиб в гальванометре в этом случае значительно меньше. Также это можно сделать с увеличением количества петель, чтобы показать его зависимость от количества петель.

 

 

Верх

 

EM. 2(2) — Индукционные рельсы

Рельсы размещены вокруг магнитного поля большого подковообразного магнита. Когда проводящий стержень быстро скользит по рельсам, разрезая магнитное поле, индуцируется ЭДС. ЭДС индукции определяется отклонением стрелки гальванометра. Переместите стержень в противоположном направлении, и стрелка гальванометра отклонится в противоположном направлении. Индуцированный ток имеет такое направление, чтобы создать магнитный поток, противодействующий изменению магнитного поля, вызванному скольжением проводника.

 

 

Верх

 

EM.2(3) — Катушки с токовой связью

Две индукционные катушки соединены далеко друг от друга длинными проводами в аудитории и аудитории. Вплотную к ним располагают высокие стойки, так что в них колеблются стержневые магниты на пружинах. Когда один магнит начинает колебаться, индуцированный ток заставляет колебаться и другой.

Верх

 

EM.2(4) — Наведенный ток — две катушки

Одна индукционная катушка подключена к лекционному гальванометру, как в ЕМ.2(2), а другая к источнику постоянного тока и выключателю. Одна катушка установлена ​​поверх другой, но они не соединены. Включите питание. Когда переключатель разомкнут или замкнут, ток, индуцируемый в другой катушке, будет показан на гальванометре.

Железный сердечник, продетый сквозь обе катушки, усилит эффект.

 

 

Верх

 

EM.2(5) — Эксперимент с прыгающим кольцом

Индукционная катушка с удлиненным железным сердечником установлена ​​вертикально, часть железного сердечника выдвинута вверх. Сплошное металлическое кольцо установлено вокруг железного сердечника над катушкой. Индукционная катушка подключена к источнику переменного тока. Когда на катушку подается переменный ток, металлическое кольцо подбрасывается вверх в воздух. Попробуй с разрезным кольцом и ничего не получится.

Ток, индуцируемый в металлическом кольце, создает магнитное поле, противодействующее полю, создаваемому индукционной катушкой.

 

 

Нажмите здесь, чтобы посмотреть видео этой демонстрации.

 

Верх

EM.2(6) — Погружная лампа

Используется та же установка EM.2(5), но теперь с опущенным железным сердечником, чтобы можно было размещается поверх катушки. Внутри стакана есть небольшая катушка проволоки с маленькой лампой посередине. При воздействии на индукционную катушку переменной ЭДС загорается лампочка. Наполните стакан водой, и он снова загорится под действием переменного ЭДС.

 

 

Верх

 

EM.2(7) — Фонарик с магнитной силой

— 1 минута работы этого фонаря

9000. Он имеет две катушки внутри, которые хорошо видны наблюдателям. Эта демонстрация демонстрирует принципы закона Ленца.

 

Верх

EM.2(8) — Электромагнитное демпфирование

Индукционная катушка лежит горизонтально и поддерживается так, что железный сердечник лежит горизонтально. Железный сердечник может выступать примерно на половину своей длины из катушки. Опорный стержень, прикрепленный к торцевой пластине индукционной катушки, удерживает медное или алюминиевое кольцо над сердечником магнита с помощью шнура. Кольцо свободно висит на сердечнике. Катушка подключена к 6 9Аккумулятор 0129 В или источник питания постоянного тока через переключатель. Быстро замкните выключатель. Кольцо будет внезапно выброшено наружу, а затем медленно вернется в вертикальное положение без колебаний. Разомкните переключатель, и кольцо сначала повернется к катушке, а затем начнет колебаться вокруг своего свободного положения.

Когда переключатель замкнут, ток, наведенный в кольце, создает противодействующее поле, которое, взаимодействуя с полем, создаваемым током в индукционной катушке, замедляет движение кольца. Энергия, поступающая от движения кольца, поглощается индуцированным током в кольце, что обеспечивает превосходную демонстрацию электромагнитного демпфирования. Когда переключатель разомкнут, магнитное поле практически отсутствует, и демпфирование не происходит.

Генератор с ручным приводом, подключенный к лампочке, также является полезной демонстрацией закона Ленца, поскольку доброволец может проверить, что его гораздо легче крутить, когда в цепи нет нагрузки, т. е. когда лампочка включена. отключен.

 

 

Top

 

EM.2(9) — Индукционная искровая катушка

Этот эксперимент индуцирует высокие напряжения вторичных импульсов электромагнитной индукции: повторяющиеся импульсы тока индукции на первичной обмотке. Это визуально наблюдается по возникающим искрам между этими выводами (расположенными сверху аппарата с индукционной катушкой). Аппарат подключен к источнику питания постоянного тока (напряжение ~7В, ток ~2А).

Включите аппарат, убедившись, что вибратор расположен вдали от основного терминала. Медленно поворачивайте ручку, чтобы переместить вибратор к терминалу, пока первый не начнет вибрировать и искры не начнут прыгать по вторичным терминалам.

Верх

 

EM.2(10) — Индукционная трубка

Целью этого эксперимента является демонстрация реализации индукционного тока. Трубка примерно три фута с равномерно расположенными, плотно связанными катушками подключена к усилителю. Каждый набор катушек соединяется с предыдущим набором, в конечном итоге сходясь к месту соединения выводов. Наведенный ток, собранный с катушек, направляется от места подключения проводов к усилителю, где сигнал проявляется на слух через три пятидюймовых динамика. Сигнал может быть довольно слабым, поэтому рекомендуется установить усилитель на максимальную громкость.

 

Нажмите здесь, чтобы посмотреть видео этой демонстрации.

Верх

 

EM. 2(11) — Петля индукционного проводника

Цель этого эксперимента — показать напряжение (а значит, и ток), которое будет индуцироваться вокруг петли при изменении магнитного потока, проходящего через петлю. с течением времени. Величина индуцированного напряжения зависит от числа витков в петле проводника. В этом эксперименте есть три варианта. Чтобы увидеть изменение наведенного напряжения, мы будем использовать проекционный измеритель. Чтобы максимизировать отклонение вольтметра, используйте для перемещения петли руку, а не встроенный двигатель. (ПРИМЕЧАНИЕ: индуцированное напряжение вызывает небольшое отклонение вольтметра, чтобы произвести впечатление на студента, вы можете переключиться в текущий режим, который максимизирует отклонение проекционного измерителя).

 

Нажмите здесь, чтобы посмотреть видео этой демонстрации.

 

Верх

 

EM.2(12) — Радиоприемник с двойной катушкой магнитная индукция. Установка состоит из ресивера, подключенного к DVD-плееру, который обеспечивает передачу музыки. Приемник подключен к одному набору катушек, набору А, который обеспечивает зависящее от времени магнитное поле, необходимое для возникновения магнитной индукции. Второй набор катушек, набор B, подключен к пятидюймовому динамику, на который будет захватываться выходной сигнал DVD-плеера. По мере того, как наборы A и B приближаются друг к другу, магнитный поток в наборе B будет увеличиваться, тем самым увеличивая силу выходного сигнала, громкость. Изменение выходного сигнала в зависимости от расстояния между наборами A и B можно анализировать вместе с эффектом вращения. Относительное вращение между наборами A и B изменит выходную силу таким образом, что при 90 градусов магнитный поток в наборе B будет равен нулю, т.е. нет выходного сигнала.

 

Нажмите здесь, чтобы посмотреть видео этой демонстрации.

 Верх

 

EM. 2(13) — Бумажный стаканчик Динамик

Динамик — это устройство, преобразующее электронный сигнал в звук. В этой демонстрации электронный сигнал преобразуется в переменный ток и проходит по проводу от источника сигнала. Проволочная петля с током индуцирует магнитное поле, перпендикулярное проволочной петле. Это маленькое магнитное поле взаимодействует с большим магнитным полем, создаваемым при вставке большого постоянного магнита в чашку динамика. Магнитный поток создает в среде возмущение, колебания, которые и порождают звук, который мы слышим благодаря наличию воздуха.

Нажмите здесь, чтобы посмотреть видео этой демонстрации.

Верх

Наведенный ток — Демонстрации физики Святой Марии

Эта простая демонстрация показывает, что сильный магнит может вызывать ток в катушке провода.

---

СМОТРЕТЬ ВИДЕО

 

---

Изучаемые темы:

• 4 Магнитные поля
• Флюс
• Закон Фарадея
• Электродвижущая сила

---

Теория:

Через проводящую петлю в магнитном поле может проходить магнитный поток. Магнитный поток, Φ _B , определяется следующим интегралом:

Поток можно рассматривать как величину магнитного поля (представленного на диаграммах ниже зелеными стрелками), направленного через контур. Поток можно изменять тремя способами:

1. Путем изменения ориентации контура в поле.

Если поле проходит через плоскую сторону петли, поток больше, чем если бы силовые линии лежали параллельно стороне петли

2. Путем изменения площади петли.

Большая площадь позволяет направить больше магнитного поля через туалет

3. Путем изменения напряженности магнитного поля.

Это можно сделать разными способами; один из способов – приблизить или отдалить стержневой магнит от контура

Изменение потока через проволочную петлю вызывает ЭДС в петле, и эта ЭДС вызывает протекание тока. Закон Фарадея связывает ЭДС индукции e со скоростью изменения потока d Φ _B /dt.

e = — (dΦ _B /dt)

Тот факт, что e пропорционально dFB/dt, означает, что чем быстрее изменяется FB, тем сильнее индуцируется ЭДС (и, следовательно, ток). Знак минус указывает направление индуцированного тока. Индуцированный ток течет в направлении, противодействующем изменениям магнитного поля в петле. Пример может помочь прояснить, что это означает. Рассмотрим магнит, движущийся к петле справа, северным полюсом вперед. Чтобы противостоять увеличивающемуся потоку через петлю, ток течет против часовой стрелки, создавая магнитное поле, направленное вправо.

Если магнит (теперь близкий к петле) оттягивается, то магнитный поток через петлю уменьшается.