Магнитное поле. Электромагнитная индукция 9 класс онлайн-подготовка на Ростелеком Лицей
Введение
Нужна ли нам электроэнергия? Странный вопрос, скажете вы – конечно, без неё нельзя представить жизнь современного человека. Но, как это ни парадоксально, сама по себе электроэнергия нам не нужна. От лампочки нам нужен свет, от спирали электрочайника – тепло и т.д. Однако электрический ток удобен тем, что позволяет передавать энергию на большие расстояние с относительно небольшими потерями, и уже «на месте» преобразовывать её в нужный нам вид энергии (световая, тепловая, механическая и т.д.).
Электрическая энергия к нашим домам доставляется от электростанций. Как они работают? Производят энергию – подойдет ли такой ответ? Нет, энергию нельзя произвести или создать, ее можно преобразовать из одного вида в другой, об этом говорит закон сохранения энергии. По-другому и быть не могло, потому что мы так и задумали понятие энергии: выделили нечто, что сохраняется.
Хорошо, разберем для примера гидроэлектростанцию – ГЭС. Вода падает, вращается турбина, она что-то дальше приводит в движение, а на выходе по проводам течет электрический ток. Если не знать, что там за механизм, уже понятно: механическая энергия преобразуется в электрическую.
Магнитное поле
Электричество – это одно из проявлений некой более общей сущности. Заряд обладает электромагнитным полем, и это поле проявляется по-разному в разных системах отсчета. В системах отсчета, в которых заряд неподвижен, проявляется та составляющая, которую мы назвали электрическим полем. В системах отсчета, в которых заряд движется, добавляется вторая составляющая, которую назвали магнитным полем. Эта ситуация для нас тоже не новая: для человека в поезде яблоко на столе неподвижно, для человека на платформе – движется со скоростью поезда.
Вот от этой разницы между подвижной и неподвижной системами отсчета многое и зависит. Видите, связь между проявлениями электромагнитного поля, заключается в движении.
Как раз движение магнита внутри проводящих катушек и создает в них ток.
Это понимание пока не позволит спроектировать электростанцию. Но мы уже хотя бы понимаем, что поток воды нужен, чтобы вращать магнит, и приблизительно представляем, что вращение магнита может быть связано с возникновением электрического тока.
Чтобы описывать эти процессы количественно, нужна четкая модель, поэтому давайте разберемся в явлении подробно и по порядку.
Об истории исследований
Исторически сложилось так, что электрическое поле и магнитное поле долго изучали раздельно. Человечество проделало долгий путь от наблюдения искр, пробегающих между наэлектризованными шерстью и янтарём, до изготовления электрических приборов. Люди также давно знакомы с постоянными магнитами, используют их в компасах. И когда электрические и магнитные явления были давно изучены отдельно, только потом постепенно начали узнавать об их связи. Выяснили, что магнитное поле тоже создается электрическим зарядом, только определенным образом, движущимся в данной системе отсчета, и что это два проявления одного электромагнитного поля.
Нам, живущим в 21 веке, повезло, что весь этот путь к пониманию уже давно проделан до нас, и мы можем сразу говорить об электромагнитном поле. Однако математически описать единое электромагнитное взаимодействие сложно. К тому же для отдельных его проявлений, электрического и магнитного, уже разработаны математические модели, изучены закономерности, которые подходят для решения своих задач. Поэтому мы ими свободно пользуемся и на их базе придумываем новые.
Как и всё ненаблюдаемое, мы изучаем магнитное поле по проявлениям, а проявляется оно во взаимодействии, которое назвали магнитным. Возьмем несколько постоянных магнитов и вспомним, какие мы вводили инструменты для описания магнитного поля.
Итак, у магнита есть две области, возле которых сильнее всего выражено взаимодействие с другими магнитами, такие области назвали полюсами. Возьмем один магнит и приблизим к его полюсу второй магнит, сначала одной стороной, потом второй. В одном случае они притянутся, во втором – оттолкнутся.
Делаем вывод, что у магнита полюсы двух видов.
Найдем у двух магнитов полюсы одного вида (или одноимённые): пусть они оба притягиваются к одному и тому же полюсу третьего магнита. Поднесём их друг к другу – они отталкиваются. А разноимённые полюса притягиваются.
Чтобы как-то различать полюса, для них придумали обозначения. Одним из первых применений магнита был компас: стрелка компаса – это магнит, который своими полюсами ориентируется в направлении север-юг, поэтому полюса магнитов так и назвали: северный и южный.
Для магнитного поля придумали удобный способ их изобразить: линии магнитной индукции, еще мы их называли просто магнитными линиями. Это линии, вдоль которых ориентируется магнитная стрелка компаса, помещенная в магнитное поле, и северный полюс стрелки указывает на направление этих линий.
Рис. 1 — Магнитное поле магнитной стрелки компаса
Таким образом, линии магнитной индукции «выходят» из северного полюса магнита и «входят» в южный полюс.
Эти линии замкнутые, их можно продолжить внутри магнита.
Однако магнитными полем обладает не только постоянный магнит. Магнитное поле – это проявление электромагнитного поля заряда, и проявляется оно в системах отсчета, в которых заряд движется. Движение электрического заряда – это электрический ток. Так что магнитное поле возникает вокруг проводника с током.
Опыт Эрстеда
Как мы обнаруживаем то, что не наблюдаем непосредственно? По проявлениям. Магнитное поле нельзя пощупать, но его можно выявить по наличию магнитного взаимодействия. Мы можем взять магнитную стрелку и поднести ее к постоянному магниту. Стрелка вступит во взаимодействие с магнитом, повернётся по касательной к линиям его магнитного поля.
Так же можно выявить и магнитное поле проводника с током, как это впервые сделал Ганс Кристиан Эрстед. Если поместить рядом с проводником магнитную стрелку параллельно проводнику и пропустить через проводник ток, то стрелка повернется перпендикулярно проводнику.
Если попробовать разные варианты взаимного расположения проводника и стрелок, то увидим: стрелки каждый раз ориентированы по касательной к окружности, через центр которой проводит проводник.
Рис. 2 – Расположение линий магнитного поля проводника с током
Это значит, что вокруг проводника с током есть магнитное поле, и линии его индукции представляют собой окружности.
С формой линий разобрались, осталось определить их направление. Оказалось, что при изменении направления тока в проводнике магнитная стрелка ориентировалась в противоположную сторону – магнитное поле определяется направлением тока. Закономерность такова: если направить винт со стандартной правой резьбой вдоль проводника, чтобы направление поступательного движения винта совпадало с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадёт с направлением линий магнитной индукции поля. Это правило назвали правилом правого винта или правилом буравчика.
Проводник можно свернуть в виток или сделать несколько витков – это уже получится катушка, причем магнитные поля витков сложатся.
Рис 3. – Магнитное поле катушки с током
Магнитное поле прямого проводника, витка и катушки с током
Мы уже умеем определять направление магнитного поля проводника с током по правилу буравчика. У нас до этого шла речь о прямом проводнике. А что, если проводник изогнут в виток или катушку? Можно рассмотреть небольшие участки проводника, которые по отдельности можно считать прямыми, и к ним можно применять правило буравчика. А поле всего проводника будет складываться из полей каждого такого участка. Рассмотрим на примере витка круглой формы.
Выберем небольшой участок проводника, в нем ток течет в одну сторону. Мысленно располагаем буравчик и вращаем его так, чтобы его поступательное движение совпадало с направлением тока. Тогда вращательное движение ручки покажет направление магнитного поля.
Рис. 4 – Направление магнитного поля в витке проводника с током
И какой бы мы ни взяли участок витка, везде линии магнитной индукции будут направлены вверх внутри витка и вниз – снаружи витка.
Рис. 5 – Магнитное поле витка с током
А теперь попробуем расположить несколько витков один за другим – получим катушку. Ее магнитное поле будет суммой магнитных полей всех её витков.
Рис. 6 – Магнитное поле катушки с током
Кстати, очень похожую на магнитное поле постоянного магнита, поэтому его можно равноценно заменить электромагнитом.
Магнитное поле постоянного магнита – это такое же магнитное поле, и создается оно движущимся электрическим зарядом. Мы знаем, что атомы содержат электрический заряд, отрицательно заряженные электроны с большой скоростью движутся вокруг ядер в каждом атоме – то самое необходимое движение заряда. И в некоторых веществах, в первую очередь железа и никеля, это движение может быть определенным образом ориентировано, так, чтобы вокруг этого вещества возникало магнитное поле.
Сила Ампера и сила Лоренца
Чтобы решать задачи и создавать приборы, мало описать магнитное поле линиями магнитной индукции.
Нужно описывать поле количественно, чтобы можно было сравнивать, в какой точке поля магнитное взаимодействие сильнее, в каком слабее, какую подать силу тока через катушку и т.д.
Количественно характеризовать магнитное поле имеет смысл через то, что мы можем измерить – через магнитное взаимодействие. Так как магнитное поле возникает вокруг проводника с током, то естественно, этот проводник вступает в магнитное взаимодействие. Если поместить проводник с током в магнитное поле, на проводник будет действовать сила. Эту силу назвали силой Ампера.
Сила Ампера
Вокруг проводника с током возникает магнитное поле, значит, он должен вступать в магнитное взаимодействие. Действительно, проводник с током, помещенный в магнитное поле, вступает во взаимодействие с источником этого поля. Если не рассматривать, чем создано внешнее магнитное поле, то можно использовать такую модель: на проводник с током, помещенный во внешнее магнитное поле, действует сила, которую назвали силой Ампера.
Внешнее магнитное поле может быть создано другим проводником с током, и эти проводники будут взаимодействовать с силой Ампера. Если токи в проводниках текут в одном направлении, то проводники притягиваются, если в противоположных – отталкиваются.
Отталкиваются проводники или притягиваются, можно определить, рассмотрев магнитное поле одного проводника, применив к нему правило буравчика. И затем, узнав направление магнитного поля, по правилу левой руки можно определить, в какую сторону направлена сила Ампера.
Рис. 7 – Направление силы Ампера
Экспериментальным путем обнаружили, что сила Ампера, действующая на проводник, прямо пропорциональна силе тока в этом проводнике и длине области, помещенной в магнитное поле,
Линии магнитного поля перпендикулярны проводнику.
Рис. 8 – Линии магнитного поля
Коэффициент пропорциональности, обозначим его буквой – это и будет силовая характеристика магнитного поля – магнитная индукция или индукция магнитного поля:
Магнитная индукция показывает, с какой силой действует магнитное поле на каждый метр проводника, по которому течет ток 1 А.
Единицу измерения магнитной индукции назвали тесла и обозначили Тл в честь ученого и изобретателя, который работал в области электротехники, Николы Теслы.
Магнитное поле удобно описывать векторной величиной, оно направленное – мы сегодня уже говорили о линиях магнитной индукции, их направление определяет направление магнитного взаимодействия. Поэтому давайте зададим магнитную индукцию как вектор.
Рис. 9 – Линии индукции магнитного поля
Его модуль мы уже определили через силу Ампера, а направим его по касательной к магнитной линии в каждой точке поля, потому эти линии и называют линиями магнитной индукции или линиями индукции магнитного поля.
Плотность линий магнитной индукции
Направление магнитного поля графически удобно обозначить линиями магнитной индукции. А как обозначить количественные характеристики поля, сильное оно или слабое? Такой характеристикой является вектор магнитной индукции , его модуль соответствует длине вектора.
Но если мы не чертим векторы, а обозначаем поле линиями магнитной индукции, то плотность этих линий дает представление о модуле вектора . Конечно, точное значение определить таким образом нельзя, но можно оценивать и сравнивать, что если в какой-то области линии магнитной индукции расположены плотнее, значит поле там сильнее.
Модуль силы Ампера, которая действует на проводник в магнитном поле, равен , с этим мы разобрались. Как определить её направление? Вообще силы не действуют, взаимодействуют тела, а сила – это мера взаимодействия. В нашем случае это взаимодействие зарядов посредством их электромагнитного поля. Это взаимодействие сложно описать математически, гораздо проще использовать модель магнитного поля и описать, как оно действует на помещенный в него движущийся заряд.
Направление силы Ампера можно определить по правилу левой руки. Нужно расположить левую руку так, чтобы:
1) четыре пальца показывали направление тока,
2) вектор магнитной индукции «входил» в ладонь с внутренней стороны,
Тогда
3) отставленный на 90̊ большой палец укажет направление силы Ампера.
Рис. 10 – Правило левой руки
Движущийся заряд мы не обязательно описываем моделью электрического тока, это может быть просто единичная заряженная частица с зарядом , которая движется в магнитном поле. Принципиальной разницы нет, на нее тоже будет действовать сила, только формула для ее расчета немного преобразуется.
Чтобы разделить эти два случая – проводник с током и отдельная заряженная частица – этой силе дали другое название, сила Лоренца (и поставили индекс при F).
А направление силы Лоренца определяется так же, по правилу левой руки, только вместо направления тока будет направление движения положительного заряда (а мы помним, что движение отрицательного заряда математически эквивалентно движению положительного заряда в противоположную сторону).
Задача
Электрон движется в магнитном поле со скоростью 500 м/с перпендикулярно к направлению вектора магнитной индукции. Определите модуль и направление силы, с которой магнитное поле действует на электрон, если индукция поля равна 0,01 Тл.
Рис.11 – Условие задачи
Анализ условия.
Описан электрон, а это заряженная частица, которая движется в магнитном поле, значит, на нее действует сила Лоренца. Для ее вычисления у нас есть готовое уравнение. А направление силы Лоренца определим по правилу левой руки.
Физическая часть решения, запишем уравнение для силы Лоренца:
Уравнение простое, преобразований нет, давайте сразу проведем вычисления. Мы находим модуль силы, поэтому заряд электрона можем взять по модулю:
Найдём направление силы. Четыре пальца левой руки должны указывать направление движения положительного заряда. У нас движется электрон, это отрицательно заряженная частица. Математически движение отрицательного заряда в одну сторону эквивалентно движению такой же по модулю положительного заряда в противоположную сторону, мы это рассматривали, когда изучали электрический ток. Поэтому направляем пальцы руки противоположно движению отрицательно заряженного электрона.
Ориентируем руку так, чтобы линии магнитной индукции «входили» в ладонь.
Рис. 12 – Решение задачи по правилу левой руки
Получим направление силы – к наблюдателю.
Задача решена.
Электромагнитная индукция
Как же всё-таки возникает ток на электростанции? Оказывается, если вдвигать постоянный магнит в катушку, в катушке возникнет ток. Чтобы это увидеть, можно подключить катушку к гальванометру.
Рис. 13 – Возникновение тока в катушке при движении магнита
Что такое гальванометр?
Если не вдаваться в особенности строения гальванометра, то это прибор, стрелка которого отклоняется при протекании через него тока. Он с его помощью можно измерить силу тока, причем очень маленькую, десятки микроампер. Можно проградуировать его шкалу в единицах напряжения. Чтобы это был полноценный амперметр или вольтметр, нужно добавить определенное внутреннее сопротивление прибора. Нас же сейчас интересует гальванометр не столько как измерительный прибор, сколько как индикатор, мы обнаруживаем сам факт, что ток протекает.
Если выдвигать магнит из катушки, ток тоже возникнет и его направление будет противоположным тому, который возникал при движении магнита в катушку. Причем обратите внимание, ток протекает в катушке именно в процессе движения магнита – когда движение прекращается, ток пропадает. Эта деталь мешала обнаружить этот ток его первооткрывателю Фарадею, подробнее об опыте Фарадея вы можете узнать в ответвлении.
Опыт Фарадея
Когда обнаружили, что вокруг проводника с током возникает магнитное поле, у ученых того времени возникла мысль: а не может ли из-за магнитного поля возникнуть ток в проводнике? Ведь стало понятно, что связь между ними какая-то есть. Майкл Фарадей пытался обнаружить такое возникновение тока, спровоцированное магнитным полем. Он подключал катушку к гальванометру, помещал в неё постоянный магнит и следил за стрелкой гальванометра.
В то время приборы были не такими помехозащищёнными, точными и надежными, как сейчас, поэтому, по одной из версий, гальванометр находился далеко от катушки, возможно даже в соседней комнате, чтобы никакие вибрации не создавали помехи.
Поэтому, когда Фарадей помещал магнит в катушку, именно во время движения магнита в катушке возникал ток, и стрелка гальванометра отклонялась. Но когда магнит останавливался и ученый подходил к гальванометру, протекание тока уже прекращалось.
Считается, что обнаружить явление электромагнитной индукции помог ученик Фарадея, который находился возле гальванометра в момент, когда Фарадей помещал в катушку магнит, и заметил отклонение стрелки.
Это явление назвали электромагнитной индукцией, а возникающий при этом ток – индукционным.
Возникновение этого тока не должно нас удивлять при том, что мы уже знаем об электромагнитном поле. Мы изучили силу, которая действует на движущийся электрический заряд в магнитном поле. Но движение относительно, и заряд движется в магнитном поле или источник магнитного поля движется относительно заряда – это может быть одна и та же ситуация при рассмотрении в разных системах отсчета. И возможна ситуация, когда электроны будут двигаться в магнитном поле вместе с проводником, а сила, с которой на них действует магнитное поле, будет заставлять их двигаться вдоль проводника, то есть создаст электрический ток.
Так что это еще одно проявление электромагнитного взаимодействия зарядов в атомах магнита и свободных зарядов в проводнике.
Для описания этого явления ввели удобный математический инструмент – магнитный поток через выбранную площадь. Что это за выбранная площадь? Мы рассматриваем возникновение тока в замкнутом контуре, и в этом случае ток будет зависеть от магнитного потока через площадь контура.
Так вот, магнитный поток – это по определению произведение магнитной индукции на площадь , поток через которую вычисляется, и на косинус угла между вектором и перпендикуляром к площади. Обозначать магнитный поток договорились большой греческой буквой , запишем:
Единицу измерения магнитного потока назвали вебер:
Теперь легко описать электромагнитную индукцию: при изменении магнитного потока через замкнутый контур в нем возникает ток, пропорциональный скорости изменения магнитного потока:
Коэффициентом пропорциональности здесь будет сопротивление всего контура .
Это может быть суммарное сопротивление проводов, если контур состоит только из проводов, или сопротивление проводов плюс приборов, если в цепь включены какие-то приборы, как тот же гальванометр:
И вот что удобно: эта модель универсальна для разных случаев электромагнитной индукции. Магнит вдвигают в катушку – изменяется индукция магнитного поля через площадь одного витка, легко вычислить магнитный поток через виток, а так как это катушка, то умножаем магнитный поток через один виток на количество витков в катушке. Магнит выдвигают из катушки – опять изменяется и опять легко вычислить изменение магнитного потока , а значит и индукционный ток. Виток поворачивают в магнитном поле – изменяется угол между вектором и перпендикуляром к площади витка, а значит – изменение магнитного потока и индукционный ток легко посчитать. Мы можем изменить форму и площадь витка – и снова наша модель применима, изменение площади витка означает изменение магнитного потока через эту площадь.
Модуль тока мы определили.
А как определить его направление? В опыте с магнитом, катушкой и гальванометром ток был направлен то в одну, то в другую сторону, в зависимости от того, в какую сторону движется магнит и каким полюсом. Эти направления должны подчиняться какой-то закономерности. Эту закономерность обнаружил ученый Эмилий Ленц, и она названа в его честь правилом Ленца.
Возникающий при изменении магнитного потока электрический ток направлен так, чтобы его магнитное поле противодействовало тому изменению магнитного потока, которое вызвало этот ток.
Давайте разберемся на примере, определим направление индукционного тока, который возникает, если вставить в него постоянный магнит северным полюсом вниз.
Магнитный поток создается магнитным полем, индукция которого направлена вниз. Магнитный поток увеличивается, так как при неизменной площади витков и при отсутствии вращения увеличивается магнитная индукция. По правилу Ленца магнитное поле должно противодействовать этому увеличению, поэтому магнитное поле тока в катушке будет направлено противоположно магнитному полю магнита, то есть вверх.
По правилу буравчика определяем, в каком направлении течет ток, если вектор магнитной индукции его магнитного поля направлен вверх.
Рис. 14 – Направление индукционного тока в катушке при погружении в нее магнита
А если затем этот магнит вытащить из катушки? Линии индукции магнитного поля по-прежнему направлены вниз, магнитный поток через катушку уменьшается. По правилу Ленца магнитное поле индукционного тока будет противодействовать этому уменьшению, то есть это магнитное поле будет как бы поддерживать уменьшающееся поле магнита, оно будет с ним со направлено, будет тоже направлено вниз.
Рис. 15 — Направление индукционного тока в катушке при отдалении от нее магнита
Самоиндукция
Изменяющееся магнитное поле (количественно это удобнее выразить через магнитный поток) создаёт электрический ток в проводнике, это явление электромагнитной индукции. Давайте рассмотрим катушку, в которой мы увеличиваем силу тока. Ток в катушке создает магнитное поле катушки.
Так как мы увеличиваем силу тока, то будет увеличиваться и индукция магнитного поля.
И что мы имеем: изменяющееся магнитное поле вокруг катушки. Можно даже вычислить магнитный поток через катушку, и этот магнитный поток будет изменяться. А при изменении магнитного потока в катушке должен возникать индукционный ток! Давайте разберемся, куда он может быть направлен. Изобразим направление тока в катушке и по правилу буравчика магнитное поле катушки. Оно увеличивается, значит, по правилу Ленца, магнитное поле индукционного тока должно быть направлено противоположно нарастающему полю. Найдем направление индукционного тока, он будет направлен против того изначального нарастающего тока. Такое явление, когда изменение магнитного поля катушки создает индукционный ток в этой же катушке, назвали самоиндукцией.
Конечно, неудобно рассматривать два тока, протекающие одновременно в одной катушке, мы рассмотрим их сумму. Так как токи направлены в противоположные стороны, то индукционный ток будет вычитаться из начального тока.
Полностью прекратиться протекание тока или его нарастание не может, потому что тогда не будет изменяться магнитное поле и не будет возникать «сдерживающий» индукционный ток. А вот замедление нарастания тока происходит. Ток в катушке не только медленнее нарастает из-за самоиндукции, но и медленнее убывает. Можете в качестве упражнения проследить за процессами в катушке при уменьшении тока.
Токи самоиндукции могут вредить электроприборам в моменты их включения и выключения, и это нужно учитывать при их проектировании. Но вот это явление инерционности, что ток не нарастает и не убывает мгновенно, можно и использовать, нам оно еще пригодится.
Переменный ток
Мы разобрались с явлением электромагнитной индукции, как изменение магнитного потока приводит к возникновению электрического тока. Конечно, это можно использовать для получения тока! И теперь нам понятно, как именно это сделать, дело остается за тонкостями технической реализации.
Проблема в том, что ток через контур течет только на протяжении того времени, пока изменяется магнитный поток.
А он не может уменьшаться или увеличиваться бесконечно, он быстро достигает предела. Как в нашем опыте: пока мы вставляем или извлекаем магнит из катушки, ток есть, но достаточно быстро магнит оказывается полностью вставленным в катушку или полностью извлеченным, и процесс останавливается.
А что, если сделать изменение магнитного потока периодичным? Смотрите: мы можем добиться краткосрочного протекания тока, вставляя или извлекая из катушки магнит. И мы можем быстро двигать магнит вверх-вниз, и по стрелке гальванометра увидим: ток будет с той же частотой менять направление, зато почти в любой момент времени ток в проводнике будет протекать, кроме тех моментов, когда магнит находится в крайнем положении. Он в этот момент на мгновение останавливается и меняет направление движения, в этот момент ток тоже меняет направление.
Такой ток назвали переменным, он с определенной периодичностью меняет направление. Его реально получить, но можно ли его использовать для работы электроприборов? Оказывается, да, и в чем-то он даже удобнее постоянного.
Допустим, в приборе работа электрического тока идет на нагревание, это не только кипятильники и обогреватели, но и лампа накаливания, она светится потому, что ее спираль раскалена. Тогда большой разницы нет, переменный ток или постоянный. Тепло выделяется при любом направлении протекания тока одинаково, а что ток периодически на мгновение становится равным нулю – за это время проводник не успевает остыть.
Эффективные значения напряжения и силы тока
При постоянном токе мы знаем значение силы тока, например, 2 А, это значит, что за каждую секунду через сечение проводника проходит заряд 2 Кл. Мы можем вычислять работу и мощность электрического тока, выделяемую прибором теплоту, если это нагревательный прибор:
А как быть, если ток переменный, его значение меняется каждое мгновение, направление меняется 50 раз в секунду – какое значение тока брать? Брать амплитудное значение было бы неправильно, большую часть времени значение силы тока меньше амплитудного.
Удобно ввести некое эффективное (или другое название – действующее) значение силы тока, которое равно величине тока, который совершает такую же работу, как и данный переменный, но будучи постоянным. Поясню: переменный ток с амплитудой 10 А совершает такую же работу, какую совершал бы постоянный ток 7,07 А, это значит, что эффективное значение такого переменного тока 7,07 А. К напряжению применимо всё то, что мы сказали для тока.
Как эти значения вычислить – у нас пока нет для этого математических инструментов, поэтому я дам готовые формулы для эффективного значения силы тока и напряжения для синусоидального тока:
То знакомое нам значение напряжения 220 В в бытовой сети – это как раз эффективное значение напряжения.
Если всё же для работы прибора требуется постоянный ток, то сделать преобразователь переменного тока в постоянный тоже не проблема. Мы не будем сейчас разбирать, как он устроен, но главное, что это реализуемо. Всевозможные зарядные устройства и блоки питания представляют собой такие преобразователи.
Зато у переменного тока есть ряд преимуществ перед постоянным: его удобнее передавать на большие расстояния, а также в сетях переменного тока можно легко изменять напряжение, об этом чуть позже.
Давайте усовершенствуем способ получения тока, ведь обеспечивать поступательное движение магнита внутри катушки неудобно. Изменять магнитный поток можно не только изменяя магнитное поле, можно изменять угол между магнитом и катушкой, и это намного удобнее.
Теперь можно закрепить катушку (эту часть еще называют статор, потому что она статична), поместить внутри нее магнит так, чтобы он мог там вращаться (его назвали ротор, от слова «rotate» – вращаться), и останется соединить магнит с турбиной, которая и будет его вращать. Основная часть электростанции готова, это называется генератор, и у нас есть инструменты для его расчета: мы можем связать магнитное поле магнита, скорость его вращения, количество витков в катушке, силу тока.
Рис. 16 – Модель простейшего генератора
В промышленных сетях принят стандарт частоты переменного тока: 50 Гц.
С такой большой скоростью турбины на электростанциях не вращаются, поэтому катушку-статор делают с несколькими обмотками, ориентированными под углом друг к другу, и тогда магнитный поток меняется чаще, увеличивается частота тока.
Рис. 17 – Катушка-статор
Сами обмотки для более эффективной генерации тока делают не цилиндрическими, а более приспособленными к вращению магнита. Это немного корректирует расчеты, но принцип не меняется.
Остается еще вопрос, каким способом вращать турбину генератора. Мы в начале урока говорили о гидроэлектростанции, где турбину вращает поток падающей воды – это один способ. Есть разновидность гидроэлектростанций, которые используют потоки воды при приливах и отливах.
Можно вращать турбину потоком водяного пара. А чтобы этот пар получить, воду нужно нагреть: сжигая топливо, как делается на теплоэлектростанциях, или используя ядерные реакции, как на атомных электростанциях. Можно вращать турбину с помощью ветра, ветряные электростанции популярны как одни из наиболее экологически чистых.
Есть еще электростанции на солнечных батареях, но в основе их работы лежит совсем другое явление, там ничего не вращается, и электромагнитная индукция не используется.
Трансформатор
В основе работы трансформатора лежит явление электромагнитной индукции, которое мы сегодня изучили. Трансформатор представляет собой две катушки, надетые на один и тот же железный сердечник. Так как чаще всего это несъемные катушки, которые наматываются прямо на сердечник, их называют обмотками трансформатора.
Посмотрим, что будет происходить, если по одной из обмоток пустить переменный ток. Эту обмотку назвали первичной. Этот ток создаст магнитное поле, которое усилится железным сердечником. Так как ток переменный, магнитное поле тоже будет всё время изменяться. Изменяющееся магнитное поле в сердечнике, а значит и внутри второй обмотки, будет создавать в ней индукционный ток (если обмотка не разомкнута). Эту обмотку назвали вторичной. Мы сейчас не заостряем внимание на направлении магнитного поля и тока во вторичной обмотке в каждый момент, в любом случае это будет тоже синусоида с той же частотой, что и ток в первичной обмотке.
И что самое важное, напряжения на обмотках трансформатора отличаются во столько раз, во сколько раз отличается количество витков в обмотках:
Это уравнение справедливо для идеального трансформатора, в котором нет потерь энергии, но оно позволяет достаточно точно рассчитать и параметры реального трансформатора.
В зависимости от количества витков на обмотках, напряжение на вторичной обмотке может быть больше, чем на первичной, такой трансформатор назвали повышающим, а если наоборот – то понижающим.
Принципиально первичная и вторичная обмотки ничем не отличаются, поэтому мы можем их поменять местами: к другой обмотке подключить источник переменного тока, а оставшуюся подключить к нагрузке. Так можно из повышающего трансформатора сделать понижающий, и наоборот.
Трансформатор полезен не только для изменения напряжения переменного тока. Может быть полезен сам факт, что электроэнергия передается без электрического контакта между обмотками. Это используется для так называемой гальванической развязки, например, в медицинских приборах, чтобы исключить всякий контакт прибора с сетью 220 В.
Ссылки на литературу:
- Соколович Ю.А., Богданова Г.С Физика: Справочник с примерами решения задач. – 2-е изд, передел. – X.: Веста: Издательство «Ранок», 2005. – 464 с.
- Перышкин А.В., Гутник Е.М., Физика. 9 кл.: учебник для общеобразоват. учреждений / А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. — 14-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2009. – 300.
Ссылки на источники Интернет:
- Интернет-портал «Класс!ная физика»
- Интернет-портал «Класс!ная физика»
- Интернет-портал «Класс!ная физика»
- Интернет-портал «Класс!ная физика»
- Интернет-портал «Класс!ная физика»
Домашнее задание:
- Какова индукция магнитного поля, в которой на проводник с длиной активной части 5см действует сила 50 мН? Сила тока в проводнике 25 А. проводник расположен перпендикулярно индукции магнитного поля.
- Определить силу тока в проводнике длиной 20 см, расположенному перпендикулярно силовым линиям магнитного поля с индукцией 0,06 Тл, если на него со стороны магнитного поля действует сила 0,48 Н.
PhysBook:Электронный учебник физики — PhysBook
Содержание
- 1 Учебники
-
2 Механика
- 2.1 Кинематика
- 2.2 Динамика
- 2.3 Законы сохранения
- 2.4 Статика
- 2.5 Механические колебания и волны
-
3 Термодинамика и МКТ
-
3.
- 3.2 Термодинамика
-
3.
-
4 Электродинамика
- 4.1 Электростатика
- 4.2 Электрический ток
- 4.3 Магнетизм
- 4.4 Электромагнитные колебания и волны
-
5 Оптика. СТО
- 5.1 Геометрическая оптика
-
5. 2 Волновая оптика
- 5.3 Фотометрия
- 5.4 Квантовая оптика
- 5.5 Излучение и спектры
- 5.6 СТО
-
6 Атомная и ядерная
- 6.1 Атомная физика. Квантовая теория
- 6.2 Ядерная физика
- 7 Общие темы
- 8 Новые страницы
2 Волновая оптика
Здесь размещена информация по школьной физике:
- материалы из учебников, лекций, рефератов, журналов;
- разработки уроков, тем;
- flash-анимации, фотографии, рисунки различных физических процессов;
- ссылки на другие сайты
и многое другое.
Каждый зарегистрированный пользователь сайта имеет возможность выкладывать свои материалы (см. справку), обсуждать уже созданные.
Учебники
Формулы по физике – 7 класс – 8 класс – 9 класс – 10 класс – 11 класс –
Механика
Кинематика
Основные понятия кинематики – Прямолинейное движение – Криволинейное движение – Движение в пространстве
Динамика
Законы Ньютона – Силы в механике – Движение под действием нескольких сил
Законы сохранения
Закон сохранения импульса – Закон сохранения энергии
Статика
Статика твердых тел – Динамика твердых тел – Гидростатика – Гидродинамика
Механические колебания и волны
Механические колебания – Механические волны
Термодинамика и МКТ
МКТ
Основы МКТ – Газовые законы – МКТ идеального газа
Термодинамика
Первый закон термодинамики – Второй закон термодинамики – Жидкость-газ – Поверхностное натяжение – Твердые тела – Тепловое расширение
Электродинамика
Электростатика
Электрическое поле и его параметры – Электроемкость
Электрический ток
Постоянный электрический ток – Электрический ток в металлах – Электрический ток в жидкостях – Электрический ток в газах – Электрический ток в вакууме – Электрический ток в полупроводниках
Магнетизм
Магнитное поле – Электромагнитная индукция
Электромагнитные колебания и волны
Электромагнитные колебания – Производство и передача электроэнергии – Электромагнитные волны
Оптика.
СТОГеометрическая оптика
Прямолинейное распространение света. Отражение света – Преломление света – Линзы
Волновая оптика
Свет как электромагнитная волна – Интерференция света – Дифракция света
Фотометрия
Фотометрия
Квантовая оптика
Квантовая оптика
Излучение и спектры
Излучение и спектры
СТО
СТО
Атомная и ядерная
Атомная физика. Квантовая теория
Строение атома – Квантовая теория – Излучение атома
Ядерная физика
Атомное ядро – Радиоактивность – Ядерные реакции – Элементарные частицы
Общие темы
Измерения – Методы решения – Развитие науки- Статья- Как писать введение в реферате- Подготовка к ЕГЭ — Репетитор по физике
Новые страницы
Запрос не дал результатов.
Электромагнитная индукция и магнитный поток
теория по физике 🧲 магнетизм
Английский физик и химик Майкл Фарадей считал, что если электрический ток может намагнитить кусок железа, то магнит тоже каким-то образом должен вызывать появление электрического тока.
И он оказался прав. В 1831 году он открыл явление электромагнитной индукции.
Электромагнитная индукция — явление, заключающееся в возникновении электрического тока в проводящем контуре, который либо покоится в переменном во времени магнитной поле, либо движется в постоянном магнитном поле таким образом, что число линий магнитной индукции, пронизывающих контур, меняется.
Опыты Фарадея
Сначала Фарадей открыл электромагнитную индукцию в неподвижных друг относительно друга проводниках пи замыкании и размыкании цепи. Он собрал установку, состоящую из источника тока, реостата, гальванометра, ключа и двух катушек. Одну катушку он соединил с реостатом, ключом и подключил к источнику питания. Вторую он подключил к гальванометру и устанавливал ее на тот же сердечник, что и первую. Всякий раз, как он замыкал или размыкал цепь, стрелка гальванометра отклонялась от нулевого значения шкалы.
Затем электромагнитная индукция была обнаружена при сближении и удалении катушек в замкнутой цепи.
Если ученый перемещал одну катушку относительно второй, стрелка гальванометра также отклонялась.
Потом явление электромагнитной индукции было обнаружено при изменении силы тока в подключенной к источнику питания катушке с помощью реостата. Если сила тока уменьшалась или увеличивалась, стрелка гальванометра отклонялась от начального положения. Но она вставала на нулевое значение, если прекращать перемещение ползунка реостата (делать силу тока постоянной).
Ученый понимал, что магнит представляет собой совокупность маленьких токов, циркулирующих в молекулах. Поэтому он поставил следующий опыт.
Фарадей собрал установку, состоящую из катушки и подключенного к ней гальванометра. Затем он взял полосовой магнит и ввел его внутрь катушки. В этот момент стрелка амперметра отклонилась от нулевого значения. Если же ученый останавливал движение магнита внутри катушки, стрелка прибора возвращалась в исходное положение. При извлечении магнита из катушки стрелка амперметра отклонялась в противоположную сторону.
Все эти опыты позволили Фарадею уловить то общее, от чего зависит появление индукционного тока в катушках. В замкнутом проводящем контуре возникает ток при изменении числа линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность, ограниченную этим контуром. При этом причина изменения числа линий магнитной индукции совершенно безразлична. Это может быть изменение числа линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность неподвижного проводящего контура вследствие изменения силы тока в соседней катушке, и изменение числа линий индукции вследствие движения контура в неоднородном магнитном поле, густота линий которого меняется в пространстве.
Магнитный поток
Вектор магнитной индукции →B характеризует магнитное поле в каждой точке пространства. Можно ввести еще одну величину, зависящую от значения вектора →B не в одной точке, а во всех точках поверхности, ограниченной плоским замкнутым контуром. Для этого рассмотрим плоский замкнутый проводник (контур) с площадью поверхности S, помещенный в однородное магнитное поле.
Нормаль →n к плоскости проводника составляет угол α с направлением вектора магнитной индукции →B (см. рисунок).
Φ=BScos.α
Произведение Bcos.α=Bn представляет собой проекцию вектора магнитной индукции на нормаль к плоскости контура. Поэтому:
Φ=BnS
Магнитный поток можно представить как величину, пропорциональную числу линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность площадью S.
Единица измерения магнитного потока — вебер (Вб). Магнитный поток в 1 Вб создается однородным магнитным полем с индукцией 1 Тл через поверхность площадью 1 м
Пример №1. Линии индукции однородного магнитного поля пронизывают рамку площадью 0,5 м2 под углом 30° к её поверхности, создавая магнитный поток, равный 0,2 Вб. Чему равен модуль вектора индукции магнитного поля?
Выразим модуль вектора магнитной индукции:
В=ΦScos.α..
Так как нам дан угол между поверхностью рамки и вектором магнитной индукции, угол между вектором магнитной индукцией и нормалью будет равен разности 90о и угла поверхностью рамки и вектором магнитной индукции. Отсюда:
0,20,5cos.(90°−30°)..=0,20,5·0,5..=0,8 (Тл)
Задание EF18180Плоская рамка помещена в однородное магнитное поле, линии магнитной индукции которого перпендикулярны её плоскости. Если площадь рамки увеличить в 3 раза, а индукцию магнитного поля уменьшить в 3 раза, то магнитный поток через рамку
Ответ:
а) увеличится в 9 раз
б) не изменится
в) уменьшится в 3 раза
г) уменьшится в 9 раз
Алгоритм решения
1.
Записать формулу, раскрывающую зависимость магнитным потоком, площадью рамки, помещенной в магнитное поле и индукции этого поля.
2.Установить, как изменится магнитной поток при изменении указанных в задаче величин.
Решение
Магнитный поток, пронизывающий площадь, ограниченную рамкой, определяется формулой:
Φ=BScos.α
По условию задачи площадь рамки увеличивают в 3 раза, а индукцию магнитного поля уменьшают во столько же раз. Следовательно:
S1=3S
B1=B3..
Следовательно:
Φ1=B1S1cos.α=3S·B3..cos.α=BScos.α=Φ
Следовательно, магнитный поток не изменится.
Ответ: бpазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить
Задание EF18285Линии индукции однородного магнитного поля пронизывают рамку площадью 0,5 м2 под углом 30° к её поверхности, создавая магнитный поток, равный 0,2 Вб. Чему равен модуль вектора индукции магнитного поля?
Ответ:
а) 0,2 Тл
б) 0,4 Тл
в) 0,8 Тл
г) 0,16 Тл
Алгоритм решения
1.
Записать исходные данные.
2.Записать формулу для определения потока магнитной индукции.
3.Выразить искомую величину.
4.Подставить исходные данные и выполнить вычисления.
Решение
Запишем исходные данные:
• Магнитный поток, пронизывающий рамку: Φ = 0,2 Вб.
• Площадь рамки, находящейся в однородном магнитном поле: S = 0,5 м2.
• Угол между вектором магнитной индукции и плоскостью, ограниченной контуром рамки: β = 30о.
Запишем формулу для определения потока магнитной индукции:
Φ=BScos.α
Так как в условиях задачи указан угол между вектором магнитной индукции и плоскостью рамки, то угол между нормалью и плоскостью рамки будет равен α=90°−β.
Выразим модуль вектора индукции магнитного поля:
B=ΦScos.(90−β)..=0,20,5·cos.(90°−30°)..=0,40,5..=0,8 (Тл)
Ответ: вpазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить
Задание EF19000Проволочная рамка площадью 2×10–3 м2 вращается в однородном магнитном поле вокруг оси, перпендикулярной вектору магнитной индукции.
Магнитный поток, пронизывающий площадь рамки, изменяется по закону Ф=4×10–6cos10πt, где все величины выражены в СИ. Чему равен модуль магнитной индукции? Ответ выразите в мТл.
Алгоритм решения
1.Записать исходные данные.
2.Записать формулу для определения потока магнитной индукции.
3.Выразить искомую величину.
4.Подставить исходные данные и выполнить вычисления.
Решение
Запишем исходные данные:
• Магнитный поток, пронизывающий рамку: Φ = 4∙10–6cos10πt Вб.
• Площадь рамки, находящейся в однородном магнитном поле: S = 2∙10–3 м2.
Запишем формулу для определения потока магнитной индукции:
Φ=BScos.α
Выразим модуль вектора индукции магнитного поля:
B=ΦScos.α..
Так как рамка вращается в однородном магнитном поле, угол между нормалью, проведенной к ее плоскости, и вектором магнитной индукции постоянно меняется.
Если мы примем этот угол за 0 градусов, то косинус этого угла будет равен 1. Тогда мы получим максимальное значение магнитного потока, пронизывающего рамку, и сможем вычислить модуль вектора магнитной индукции.
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить
Алиса Никитина | Просмотров: 3k | Оценить:
Что такое закон индукции Фарадея?
Здесь многодуговой электрический разряд от генератора Вимшерста, который разделяет отдельные электрические заряды с помощью электростатической индукции. (Изображение предоставлено: scotspencer/Getty Images) Закон индукции Фарадея описывает, как электрический ток создает магнитное поле и, наоборот, как изменяющееся магнитное поле создает электрический ток в проводнике. Английский физик Майкл Фарадей получил признание за открытие магнитной индукции в 1831 году, но американский физик Джозеф Генри независимо сделал то же самое открытие примерно в то же время, по данным Техасского университета в Остине .
Невозможно переоценить значение открытия Фарадея. Магнитная индукция позволяет использовать электродвигатели, генераторы и трансформаторы, составляющие основу современной техники. Благодаря пониманию и использованию индукции у нас есть электрическая сеть и многие вещи, которые мы подключаем к ней.
Закон Фарадея позже был включен в более полные уравнения Максвелла, согласно Университету Святого Сердца . Уравнения Максвелла были разработаны шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом для объяснения взаимосвязи между электричеством и магнетизмом, по существу объединив их в единую электромагнитную силу и описав электромагнитные волны, из которых состоят радиоволны, видимый свет и рентгеновские лучи.
Связанный: 9 уравнений, изменивших мир
Электричество
Электрический заряд — это фундаментальное свойство материи, определяющее, как на некоторые элементарные частицы материи воздействует электрическое или магнитное поле, согласно Britannica (opens в новой вкладке).
Электрическое поле от локализованного точечного заряда — то есть гипотетического электрического заряда, расположенного в одной точке пространства — относительно просто, сказал Live Science Сериф Уран, профессор физики Питтсбургского государственного университета в Канзасе. Он описывает его как излучающий одинаково во всех направлениях, как свет от голой лампочки, и уменьшающийся в силе как обратный квадрат расстояния (1/ r 2 ) в соответствии с законом Кулона, согласно Университету штата Джорджия . При удалении вдвое дальше напряженность поля уменьшается до одной четверти, а при удалении в три раза — до одной девятой.
Протоны имеют положительный заряд, а электроны — отрицательный. Однако протоны большей частью иммобилизованы внутри ядра атома, поэтому большинство знакомых нам электрических токов исходит от электронов. Электроны в проводящем материале, таком как металл, в значительной степени могут свободно перемещаться от одного атома к другому вдоль своих зон проводимости, которые являются высшими электронными орбитами, по данным Общественного колледжа Остина .
По данным Университета штата Айова, достаточная электродвижущая сила, или напряжение, создает дисбаланс заряда, который может заставить электроны двигаться через проводник из области с более отрицательным зарядом в область с более положительным зарядом . Это движение и есть то, что мы называем электрическим током.
Магнетизм
Чтобы понять закон индукции Фарадея, важно иметь общее представление о магнитных полях. Магнитное поле является более сложным, чем электрическое поле. В то время как положительные и отрицательные электрические заряды могут существовать отдельно, магнитные полюса всегда идут парами — один северный и один южный, согласно Бостонскому университету . Как правило, магниты всех размеров — от субатомных частиц до магнитов промышленного размера, планет и звезд — являются диполями, то есть каждый из них имеет два полюса. Эти полюса называются северным и южным по направлению, в котором указывают стрелки компаса. Интересно, что противоположные полюса притягиваются, а одноименные полюса отталкиваются, поэтому северный магнитный полюс Земли на самом деле является южным магнитным полюсом, потому что он притягивает северные полюса стрелки компаса.
Согласно Университету штата Флорида, магнитное поле часто изображают в виде линий магнитного потока . В случае стержневого магнита силовые линии выходят из северного полюса и изгибаются, чтобы снова войти в южный полюс. В этой модели количество линий потока, проходящих через данную поверхность в пространстве, представляет собой плотность потока или силу поля. Примечательно, однако, что это только модель. Магнитное поле является гладким и непрерывным и фактически не состоит из дискретных линий.
Линии магнитного поля от стержневого магнита. (Изображение предоставлено snapgalleria Shutterstock) Магнитное поле Земли создает огромный магнитный поток, но он рассеивается в огромном пространстве. Следовательно, через заданную область проходит лишь небольшое количество потока, что приводит к относительно слабому полю. Согласно лекции физика Университета Массачусетса Лоуэлла, поток от магнита-холодильника крошечный по сравнению с земным, но напряженность его поля во много раз сильнее на близком расстоянии, где его силовые линии гораздо более плотно упакованы.
Жан-Франсуа Миллиталер. Однако по мере удаления поле быстро становится намного слабее.
Индукция
Если пропустить электрический ток по проводу, он создаст магнитное поле вокруг провода. Направление этого магнитного поля можно определить по так называемому правилу правой руки. По данным физического факультета Государственного университета Буффало в Нью-Йорке (открывается в новой вкладке), если вы вытяните большой палец и согнете пальцы правой руки, ваш большой палец будет указывать в положительном направлении тока, а пальцы согнуться на севере. направление магнитного поля.
Правило левой и правой руки для магнитного поля, вызванного током в прямом проводе. (Изображение предоставлено Fouad A. Saad Shutterstock) Если согнуть провод в петлю, линии магнитного поля будут изгибаться вместе с ним, образуя тороид или форму пончика. В этом случае ваш большой палец указывает на северное направление магнитного поля, выходящего из центра петли, в то время как ваши пальцы указывают положительное направление тока в петле.
Если вы пропускаете ток через проволочную петлю в магнитном поле, взаимодействие этих магнитных полей будет оказывать скручивающую силу или крутящий момент на петлю, заставляя ее вращаться, согласно Рочестерскому технологическому институту (открывается в новом вкладку). Однако он будет вращаться только до тех пор, пока магнитные поля не выровняются, то есть он будет раскачиваться вперед и назад, а не вращаться. Чтобы петля продолжала вращаться, вы должны изменить направление тока, что изменит направление магнитного поля от петли. Затем петля повернется на 180 градусов, пока ее поле не выровняется в другом направлении. Это основа для электродвигателя.
И наоборот, если вы вращаете проволочную петлю в магнитном поле, это поле индуцирует в проводе электрический ток.
По данным Техасского университета в Остине, направление тока будет меняться каждые пол-оборота, создавая переменный ток. Это основа для электрогенератора. Важно отметить, что ток индуцируется не движением провода, а открытием и закрытием петли по отношению к направлению поля. Когда петля обращена лицом к полю, через петлю проходит максимальное количество потока. Однако, когда петля повернута ребром к полю, линии потока не проходят через петлю. Именно это изменение количества потока, проходящего через петлю, индуцирует ток.
Другой эксперимент включает формирование петли из провода и подключение концов к чувствительному амперметру или гальванометру. Если вы затем протолкнете стержневой магнит через петлю, стрелка гальванометра начнет двигаться, указывая на индуцированный ток. Однако, как только вы остановите движение магнита, ток вернется к нулю. Поле от магнита индуцирует ток только тогда, когда он увеличивается или уменьшается. Если вы вытащите магнит обратно, он снова индуцирует ток в проводе, но на этот раз он будет в противоположном направлении, согласно Университету Флориды .
Если бы вы поместили лампочку в цепь, она бы рассеивала электрическую энергию в виде света и тепла, и вы бы чувствовали сопротивление движению магнита при движении. это в и из цикла. Чтобы сдвинуть магнит, нужно совершить работу, эквивалентную энергии, потребляемой лампочкой.
В еще одном эксперименте вы можете построить две проволочные петли, соединить концы одной с батареей с выключателем, а концы другой петли соединить с гальванометром. Если вы поместите два контура близко друг к другу лицом к лицу и включите питание первого контура, гальванометр, подключенный ко второму контуру, покажет индуцированный ток, а затем быстро вернется к нулю, в соответствии с Калифорнийский университет в Санта-Барбаре (открывается в новой вкладке).
Здесь происходит то, что ток в первом контуре создает магнитное поле, которое, в свою очередь, индуцирует ток во втором контуре — но только в тот момент, когда магнитное поле меняется.
Когда вы выключите переключатель, счетчик на мгновение отклонится в противоположном направлении. Это еще одно указание на то, что именно изменение напряженности магнитного поля, а не его силы или движения, индуцирует ток.
Это объясняется тем, что магнитное поле заставляет электроны в проводнике двигаться. Это движение и есть то, что мы знаем как электрический ток. В конце концов, однако, электроны достигают точки, в которой они находятся в равновесии с полем, и в этой точке они перестают двигаться. Затем, когда поле снимается или выключается, электроны возвращаются в исходное положение, создавая ток в противоположном направлении.
В отличие от гравитационного или электрического поля, поле магнитного диполя представляет собой более сложную трехмерную структуру, сила и направление которой варьируются в зависимости от места, где оно измеряется, поэтому для его полного описания требуются расчеты. Однако мы можем описать упрощенный случай однородного магнитного поля — например, очень маленький участок очень большого поля — как Φ B = BA , где Φ B — абсолютное значение магнитного потока , B это напряженность поля и — это определенная область, через которую проходит поле, согласно Университету Восточного Иллинойса (открывается в новой вкладке).
И наоборот, в этом случае напряженность магнитного поля представляет собой поток на единицу площади, или B = Φ B / A .
Закон Фарадея
Теперь, когда у нас есть общее представление о магнитном поле, мы готовы определить закон индукции Фарадея. В нем говорится, что индуцированное напряжение в цепи пропорционально скорости изменения во времени магнитного потока через эту цепь, согласно Политехническому институту Ренсселера . Другими словами, чем быстрее меняется магнитное поле, тем больше будет напряжение в цепи. Направление изменения магнитного поля определяет направление тока.
Мы можем увеличить напряжение, добавив в цепь больше петель. Наведенное напряжение в катушке с двумя витками будет вдвое больше, чем с одним витком, а с тремя витками — втрое. Вот почему настоящие двигатели и генераторы обычно имеют большое количество катушек.
Теоретически двигатели и генераторы одинаковы. Если вы включите двигатель, он будет генерировать электричество, а если вы подадите это напряжение на генератор, он будет вращаться.
Однако большинство реальных двигателей и генераторов оптимизированы только для одной функции.
Трансформаторы
Еще одним важным применением закона индукции Фарадея является трансформатор, изобретенный Николой Теслой. В этом устройстве переменный ток, который меняет направление много раз в секунду, проходит через катушку, намотанную на магнитный сердечник. Это создает изменяющееся магнитное поле в сердечнике, которое, в свою очередь, индуцирует ток во второй катушке, обернутой вокруг другой части того же магнитного сердечника, по данным Технического колледжа района Милуоки .
Схема трансформатора (Изображение предоставлено photoiconix Shutterstock) Отношение количества витков в катушках определяет соотношение напряжения между входным и выходным током. Например, если вы возьмете трансформатор со 100 витками на входе и 50 витками на выходе и подадите переменный ток на 220 вольт, на выходе будет 110 вольт. По данным Университета штата Джорджия (открывается в новой вкладке), трансформатор не может увеличить мощность, которая является произведением напряжения и силы тока.
Таким образом, если напряжение повышается, ток пропорционально снижается, и наоборот. В нашем примере входное напряжение 220 вольт при 10 амперах или 2200 ватт даст на выходе 110 вольт при 20 амперах — опять же, 2200 ватт. На практике трансформаторы никогда не бывают идеально эффективными, но хорошо спроектированный трансформатор обычно имеет потери мощности всего в несколько процентов, согласно данным Техасского университета в Остине .
Трансформаторы делают возможной электрическую сеть, от которой зависит наше индустриальное и технологическое общество. Линии электропередачи по пересеченной местности работают при напряжении в сотни тысяч вольт, чтобы передавать больше мощности в пределах токонесущей способности проводов. Это напряжение многократно снижается с помощью трансформаторов на распределительных подстанциях, пока оно не достигнет вашего дома, где оно, наконец, будет снижено до 220 и 110 вольт, которые могут питать вашу электрическую плиту и компьютер.
9Автор 0017 Live Science Эшли Хамер обновила эту статью 7 февраля 2022 г.
Дополнительные ресурсы
- Чтобы наглядно продемонстрировать закон Фарадея, посмотрите это видео (откроется в новой вкладке) с канала PhysicsHigh на YouTube.
- Узнайте, как работает правило правой руки, с помощью этого интерактивного задания (откроется в новой вкладке) Университета Теннесси, Ноксвилл.
- Узнайте об индукции из этой классической лекции Ричарда Фейнмана (открывается в новой вкладке), любезно предоставленной Калифорнийским технологическим институтом.
Библиография
Ричард Фитцпатрик, «Закон Фарадея», Техасский университет в Остине, 14 июля 2007 г. https://farside.ph.utexas.edu/teaching/302l/lectures/node85.html (открывается в новом tab)
Линдси Гилметт, «История уравнений Максвелла», Университет Святого Сердца, 2012 г. tab)
Университет штата Джорджия, «Закон Кулона». http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/elefor.html#c1 (открывается в новой вкладке)
Общественный колледж Остина, «Бен Франклин должен был сказать, что электроны положительны? Неверно».
https://www.austincc.edu/wkibbe/truth.htm (открывается в новой вкладке)
Университет штата Айова, «Напряжение». https://www.nde-ed.org/Physics/Electricity/electricalcurrent.xhtml (открывается в новой вкладке)
Бостонский университет, «Магнитные поля». http://physics.bu.edu/~duffy/sc526_notes09/B_field.html (открывается в новой вкладке)
Университет штата Флорида, «Генераторы и двигатели», 2015 г. https://micro.magnet.fsu.edu/ электромаг/электричество/генераторы/ (откроется в новой вкладке)
Жан-Франсуа Миллиталер, «Глава 8: Магнетизм и электромагнетизм», UMass Lowell. https://faculty.uml.edu//JeanFrancois_Millithaler/FunElec/Spring2017/pdf/Ch8%20-%20Magnetism%20n%20Electromagnetism.pdf (открывается в новой вкладке)
Государственный университет Буффало, Нью-Йорк, «Правая рука». Правила: Руководство по нахождению направления магнитной силы». http://physicsed.buffalostate.edu/SeatExpts/resource/rhr/rhr.htm (открывается в новой вкладке)
Майкл Ричмонд, «Магнитные моменты и закон усилителя», Рочестерский технологический институт.
http://spiff.rit.edu/classes/phys213/lectures/amp/amp_long.html (откроется в новой вкладке)
Ричард Фитцпатрик, «Генератор переменного тока», Техасский университет в Остине, 14 июля 2007 г. https://farside.ph.utexas.edu/teaching/302l/lectures/node90.html (открывается в новой вкладке)
Университет Флориды, «Направление наведенного тока». http://www.phys.ufl.edu/courses/phy2049/f07/lectures/2049_ch40B.pdf (открывается в новой вкладке)
Калифорнийский университет, Санта-Барбара, «Взаимная индукция с катушками и гальванометром». https://web.physics.ucsb.edu/~lecturedemonstrations/Composer/Pages/72.48.html (откроется в новой вкладке)
Университет Восточного Иллинойса, «Закон Фарадея», 15 февраля 2011 г. https://ux1.eiu.edu/~cblehman/phy1161/0handouts_sp11/phy1161Lect14_Faraday_law_handout_short.pdf к магнетизму и индуцированным токам», Политехнический институт Ренсселера, 2002 г. https://www.rpi.edu/dept/phys/ScIT/InformationStorage/faraday/magnetism_a.html (открывается в новой вкладке) .
» http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/magnet/transf.html (открывается в новой вкладке)
Джим Михолл, «Электромагнитная индукция», Технический колледж Милуоки, 2016 г. https://ecampus.matc.edu/mihalj/scitech/unit3/induction/induction.htm (открывается в новой вкладке) Трансформеры», Техасский университет в Остине, 14 июля 2007 г. https://farside.ph.utexas.edu/teaching/302l/lectures/node106.html (открывается в новой вкладке)
Джим Лукас — автор статей для Live Science. Он охватывает физику, астрономию и инженерное дело. Джим окончил Университет штата Миссури, где получил степень бакалавра наук в области физики, а также астрономию и техническое письмо. После окончания университета он работал в Лос-Аламосской национальной лаборатории системным администратором, техническим писателем-редактором и специалистом по ядерной безопасности. Помимо написания статей, он редактирует статьи в научных журналах по различным тематическим направлениям.
При участии
- Эшли Хамер, автор Live Science
Объяснение урока: Электромагнитная индукция в генераторах
В этом объяснении мы научимся описывать электромагнитную индукцию в таких устройствах, как генераторы и динамо-машины.
Электромагнитная индукция — это термин, обозначающий возникновение электрического тока в проводнике, когда проводник движется вблизи магнита.
На следующем рисунке показан стержневой магнит в состоянии покоя рядом с катушкой из проводящего провода.
Показана только одна линия магнитного поля стержневого магнита. Силовые линии на самом деле излучаются от северного полюса магнита к южному полюсу симметрично во всех направлениях.
В катушке не индуцируется ток, если ни магнит, ни катушка не двигаются.
На следующем рисунке показан северный полюс стержневого магнита, механически перемещаемый либо к лицевой стороне катушки с проводящим проводом, либо от нее.
В катушке создается ток за счет электромагнитной индукции.
Мы видим, что направление тока, производимого в катушке, зависит от того, движется ли магнит к катушке или от нее, но в любом случае возникает ток.
Ток также возник бы, если бы магнит оставался в покое, а катушка перемещалась к магниту или от него.
Этот ток имел бы такую же величину, как если бы магнит двигался.
Если магнит перемещается через проводящую катушку с одной стороны на другую, это означает, что магнит сначала перемещается к катушке, а затем удаляется от катушки. Таким образом, ток в катушке меняет направление, когда это происходит.
Генератор — это устройство, использующее электромагнитную индукцию для производства электрического тока.
На следующем рисунке показаны основные компоненты генератора.
На схемах генераторов обычно показаны только полюса используемого магнита.
Катушка генератора должна быть подключена к цепи, как показано на следующем рисунке.
Цепь может содержать любое электрическое устройство, которое мы хотим использовать в качестве генератора для производства тока.
Чтобы генерировать ток, необходимо приложить силы для вращения катушки, как показано на следующем рисунке.
Прилагаются силы, чтобы заставить катушку вращаться.
Очень важно понимать следующие моменты, касающиеся сил, заставляющих катушку вращаться:
- Силы, вызывающие вращение катушки, являются механическими, приложенными силами.
- Силы, вызывающие вращение, не являются ни электрическими, ни магнитными силами.
- Силы, вызывающие вращение, не зависят от наличия магнитного поля.
- Вращение катушки под действием этих сил в основном такое же, как механическое вращение любого объекта вокруг оси и не является электромагнитным явлением.
Когда катушка вращается, в катушке возникает ток за счет электромагнитной индукции. Цепь соединена с катушкой, поэтому в цепи также есть ток.
Важно отметить, что схема не включена в схему, показывающую силы, вызывающие вращение катушки. Вращающуюся катушку можно подключить к цепи разными способами.
Одним из таких методов является использование контактных колец. Это показано на следующем рисунке.
Полезно рассмотреть сами кольца, показанные на следующем рисунке, более подробно.
Видим, что концы катушки соприкасаются с кольцами.
Кольца вращаются, и они вращаются с той же скоростью, что и катушка.
Кольца соединены с концами контура щетками, которые трутся о вращающиеся кольца.
Это соединяет катушку с цепью.
Для катушки с постоянной скоростью вращения изменение тока во времени в такой цепи, соединенной с генератором контактными кольцами, показано на следующем рисунке.
График показывает изменение тока за один полный оборот катушки.
Мы видим, что ток меняет направление при вращении катушки. В течение одной половины оборота ток проходит по цепи в одном направлении, а в течение другой половины оборота — в противоположном направлении. Это переменный ток.
Другой способ подключения генератора к цепи — использование коммутатора. Это показано на следующем рисунке.
Коммутатор подробно показан на следующем рисунке.
Мы видим, что при вращении катушки вращаются и две половины коммутатора. Скорость вращения одинакова для катушки и коммутатора.
Каждая из двух половин коммутатора соединяется со щеткой, которая соединяется с другим концом цепи.
Когда коммутатор совершает половину одного полного оборота, меняется конец цепи, к которой подключается каждая половина коммутатора.
Это означает, что конец катушки, к которому подключается каждая половина цепи, также изменяется.
Для катушки с постоянной скоростью вращения изменение тока во времени в такой цепи, подключенной к генератору через коммутатор, показано на следующем рисунке.
На графике показано изменение тока за один полный оборот катушки.
Мы видим, что направление тока одинаково на протяжении всего оборота, но величина тока меняется. Это выпрямленный переменный ток.
На следующем рисунке показано, как изменение тока во времени для одного полного оборота катушки для соединения с помощью токосъемных колец сравнивается с изменением тока для соединения с помощью коммутатора.
Давайте теперь рассмотрим пример, касающийся тока, производимого генераторами с контактными кольцами и коллекторными конструкциями.
Пример 1: Общие сведения о генераторах
На схеме показаны две конструкции простых генераторов. В первой конструкции используются контактные кольца для передачи индуцированного тока во внешнюю цепь.
Во второй конструкции используется коммутатор для передачи индуцированного тока во внешнюю цепь.
На приведенном ниже графике показана зависимость разности потенциалов от времени для четырех различных источников.
- Какая линия на графике соответствует разности потенциалов, создаваемой генератором конструкции коммутатора?
- Какая линия на графике соответствует разности потенциалов, создаваемой генератором с контактными кольцами?
Ответ
Часть 1
Разность потенциалов, создаваемая генератором, прямо пропорциональна току, производимому генератором. То, что можно сказать об изменении тока во времени для генератора, можно сказать и об изменении во времени разности потенциалов для генератора.
Ток, производимый генератором, который использует коммутатор для подключения к цепи, всегда имеет одно направление. Это неверно для строки 𝑆, поэтому строку 𝑆 можно исключить.
Ток, вырабатываемый генератором, который использует коммутатор для подключения к цепи, изменяется со временем.
Это неверно для строки 𝑄, поэтому строку 𝑄 можно исключить.
Ток, производимый генератором, который использует коммутатор для подключения к цепи, равен нулю в два момента времени в течение одного полного оборота катушки. Это неверно для строки 𝑃, поэтому строку 𝑃 можно исключить.
Линия 𝑅 показывает ток, который всегда имеет одно и то же направление, изменяется со временем и имеет нулевое значение через равные промежутки времени. Строка 𝑅 — правильный вариант.
Часть 2
Разность потенциалов, создаваемая генератором, прямо пропорциональна току, производимому генератором. То, что можно сказать об изменении тока во времени для генератора, можно сказать и об изменении во времени разности потенциалов для генератора.
Ток, вырабатываемый генератором, в котором для подключения к цепи используются токосъемные кольца, изменяется со временем. Это неверно для строки 𝑄, поэтому строку 𝑄 можно исключить.
Ток, производимый генератором, который использует токосъемные кольца для подключения к цепи, меняет направление на противоположное при каждом обороте катушки.
Это неверно для линий 𝑃 и 𝑅.
Линия 𝑆 показывает ток, который всегда многократно меняет направление. Строка 𝑆 — правильный вариант.
Ток, производимый генераторами, изменяется со временем и равен нулю в два момента времени полного оборота катушки. Важно понять, почему ток изменяется таким образом.
Ток, создаваемый электромагнитной индукцией в движущемся проводе, пропорционален силе, действующей на провод перпендикулярно магнитному полю, через которое движется провод.
На следующем рисунке показано направление тока из-за электромагнитной индукции в катушке генератора с катушкой в двух положениях.
Мы видим, что когда сила перпендикулярна магнитному полю генератора, возникает ток, перпендикулярный как движению провода, так и магнитному полю.
Мы видим, что когда сила параллельна магнитному полю генератора, силы, перпендикулярной магнитному полю, нет, и ток не возникает.
Теперь рассмотрим пример, касающийся тока, производимого генератором с контактными кольцами при различных положениях вращения катушки генератора.
Пример 2: Знакомство с генераторами с контактными кольцами
Части (a), (b), (c) и (d) диаграммы (A) показывают установку простого генератора переменного тока. Одиночный виток медной проволоки вращается в однородном магнитном поле, создаваемом двумя постоянными магнитами. Четыре части диаграммы показывают петлю в четырех разных положениях при ее вращении.
Диаграмма (B) представляет собой график зависимости тока, выдаваемого этим генератором, от времени.
- Какому положению петли на диаграмме (A) соответствует точка 𝑃 на диаграмме (B)?
- Какому положению петли на диаграмме (A) соответствует точка 𝑅 на диаграмме (B)?
Ответ
Часть 1
Точка 𝑃 — это точка, в которой величина тока в петле максимальна.
Положение (с) петли соответствует нулевому току, так как сила, действующая на петлю, параллельна магнитному полю генератора. Позиция (с) может быть исключена.
Когда силовая петля параллельна магнитному полю, производимый ток равен нулю.
Когда петля перпендикулярна магнитному полю, возникает ток с наибольшей величиной. Это положение (а).
Часть 2
Точка 𝑅 — это точка, в которой ток в контуре равен нулю. Ток в петле равен нулю, когда сила, действующая на петлю, параллельна магнитному полю. Это положение (с).
Катушка, используемая в генераторе, может иметь один или несколько витков, как показано на следующем рисунке.
Хотя витки катушки могут выглядеть как отдельные замкнутые петли провода, на самом деле витки представляют собой единый отрезок провода. Концы катушки — это концы одного провода. Это означает, что есть только один путь для тока через катушку. Это означает, что витки катушки можно считать соединенными последовательно.
Когда катушка генератора вращается, в каждом витке катушки возникает одинаковая разность потенциалов. Разности потенциалов в каждой катушке объединяются последовательно, как это было бы с ЭДС группы батарей, соединенных последовательно.
Давайте теперь рассмотрим пример, касающийся количества витков в катушке генератора.
Пример 3: Общие сведения о генераторах с контактными кольцами
На схеме показаны генераторы двух конструкций. В обеих конструкциях используются фиксированные постоянные магниты для создания магнитного поля и токосъемные кольца для передачи индуцированного тока во внешнюю цепь. Конструкция (а) имеет одну петлю провода в магнитном поле, тогда как конструкция (б) имеет 5 петель. В чем преимущество схемы (б) над схемой (а)?
- Конструкция (b) обеспечивает более высокое выходное напряжение, чем конструкция (a).
- Конструкция (b) обеспечивает выходное напряжение с более высокой частотой, чем конструкция (a).
- Конструкция (b) обеспечивает более низкое выходное напряжение, чем конструкция (a).
- Конструкция (b) обеспечивает выходное напряжение с более низкой частотой, чем конструкция (a).
- Дизайн (б) дешевле в производстве, чем дизайн (а).
Ответ
Единственная разница между конструкциями заключается в количестве витков в катушке генератора (это также называется числом витков в катушке).
В конструкции (b) используется больше витков. Это не может быть дешевле, чем использование меньшего количества витков, поэтому вариант E неверен.
Частота на выходе зависит только от частоты вращения катушки. Тогда вариант Б и вариант Г неверны.
Каждый виток катушки генератора имеет одинаковую разность потенциалов на нем, а витки катушки соединены последовательно, так как через катушку проходит только один путь для тока.
Потенциальные разности, объединенные в серии, суммируются. Тогда большее количество витков должно соответствовать большей разности потенциалов.
В конструкции (b) используется больше витков, поэтому выходное напряжение должно быть больше. Вариант А утверждает это и является правильным вариантом.
Другая проблема, связанная с конструкцией генератора, заключается в том, что щетки, используемые в генераторах, изнашиваются из-за трения, когда они царапают движущиеся поверхности контактных колец или коллекторов. Существуют генераторы, в которых нет необходимости в щетках за счет вращения магнита генератора, как показано на следующем рисунке.
Магниты установлены на вращающемся диске. Катушка не крутится, поэтому не требует щеточных контактов с внешней цепью. Недостатком этой конструкции является то, что магнит в генераторе имеет гораздо большую массу, чем катушка генератора, поэтому для вращения магнитов требуется большее усилие.
Давайте теперь обобщим то, что было изучено в этом объяснителе.
Ключевые моменты
- Генератор использует электромагнитную индукцию для создания тока в проводящей катушке.
- Катушка генератора вращается в магнитном поле.
- Генератор может быть подключен к цепи с помощью контактных колец для выработки переменного тока.
- Генератор может быть подключен к цепи с помощью коммутатора для получения выпрямленного переменного тока.
- Ток в катушке генератора максимален, когда сила, действующая на катушку, перпендикулярна магнитному полю генератора.
- Ток в катушке генератора равен нулю, когда сила, действующая на катушку, параллельна магнитному полю генератора.
- Чем больше витков в катушке генератора, тем больше ток, вырабатываемый в катушке.
- Щетки в контактах генератора со временем изнашиваются.
Медь и электричество. Что такое индукция?
Медь и электричество. Что такое индукция?
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
gif»>
Нам нужно заставить провод двигаться через поле. Мы называем напряжение ЭДС индукции ( электродвижущая сила ).
gif»>
| |
| Почему мы получаем напряжение? | ||
Представьте, что несколько свободных электронов (или пучок электронов) выбрасываются в магнитное поле. На электроны будет действовать сила. Электроны имеют отрицательный заряд. Это означает, что хотя электроны движутся слева направо, они подобны ток течет справа налево. Мы можем использовать правило левой руки Флеминга, чтобы узнать направление силы. Кусок медной проволоки также содержит свободные электроны. Таким образом, когда провод движется в поле, электроны выталкиваются 90 259 вниз 90 260 . Это оставляет чистый положительный заряд в верхней части провода. Следовательно, заряд разделяется в проводе, образуя напряжение . Верх стал более позитивным, а низ – более негативным. | ||
Это вниз . Таким образом, электроны выталкиваются вниз.
|
| |||||||||||||||
Он доступен для управления током по цепи. Если мы прикрепим к проводу груз, то ток потечет. Мы называем это индуцированным током . Однако, как только мы возьмем ток из провода, провод будет чувствовать силу (провод, по которому течет ток в магнитном поле, чувствует силу).
