Определите ЭДС источника тока, с… — Учеба и наука

Ответы

Андрей Андреевич   19. 04.13

Михаил Александров от 0 p. Читать ответы

Андрей Андреевич от 70 p. Читать ответы

Владимир от 50 p. Читать ответы

Посмотреть всех экспертов из раздела Учеба и наука > Физика

Похожие вопросы

в момент, когда опоздавший пассажир вбежал на платформу, мимо него за 10 с проехал предпоследний вагон, последний проехал за 8с на сколько времени опоздал пассажир

Молекулярная физика

Колебательный контур состоит из конденсатора емкостью С=2.5 мкФ

Угол крена планера на вираже. ..

Решено

интенсивность света

Пользуйтесь нашим приложением

Определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника постоянного напряжения

Другие предметы \ Информационно-измерительная техника

Страницы работы

8 страниц (Word-файл)

Посмотреть все страницы

Скачать файл

Фрагмент текста работы

Задания

1.  Изучить конструкцию приборов

— Амперметр электромагнитной системы

 — предназначен для измерений величины тока в цепях переменного тока

50 Hz  — для работы на частоте 50 герц

— испытательное изоляционное напряжение 2 кВ

  — прибор имеет вертикальное рабочее положение

1,5 – класс точности 

          — предприятие изготовитель

— Кило-вольтметр (kV)

 С75 — электростатической системы (7 – номер завода, 5 – модель прибора)     

        — защита от внешних электрических полей

— испытательное изоляционное напряжение 7 кВ

          — предприятие изготовитель

20 – 80; 130 – 1*10⁵ Hz – Частоты работ прибора

        — защита от внешних электрических полей

— Амперметр-вольтметр магнитоэлектрической системы

 — рабочее положение вертикальное

  — прибор с выпрямительным диодом

 А – амперметр на переменном токе

V-A – вольтметр на постоянном токе

2.   Экспериментально убедитесь в том, что показания вольтметра зависят от его внутреннего сопротивления. Определите ЭДС и внутреннее сопротивление источника постоянного напряжения.

Возьмите источник с высоким внутренним сопротивлением и измерьте напряжение на его зажимах поочередно приборами электростатической и магнитоэлектрической системы. Объясните различие показаний. Соедините их параллельно и присоедините оба прибора к источнику. Объясните результат.

Магнитоэлектрический вольтметр, В	Электростатический вольтметр, В
56,87	—
—	57,14
56,87	56,87

Магнитоэлектрические приборы реагируют только на постоянный ток, и потребляют небольшое количество мощности.

Приборы же электростатической системы не потребляю мощности в цепях постоянного тока, так как их конструкция напоминает конденсатор (в цепи постоянного тока приборы этой системы вообще не потребляют мощность), а в цепях переменного тока может подключаться без преобразователей.

Следовательно, показания прибора электростатической системы будут наиболее точными.

Последний же опыт обусловлен потреблением вольтметром магнитоэлектрической системы некоторой мощности, именно за счёт этих потерь напряжение на источнике будет фиксироваться одинаково приборами обеих систем.

Из выше сказанного следует, что ЭДС источника Е=57,14В, таким образом падение напряжения на вольтметре магнитоэлектрической системы

R_V * I = 57,14-56,87=0.27

R * I = 57,14

3.  Экспериментально убедитесь в том, что в цепи переменного тока показания вольтметров зависят не только от амплитуды, но и от формы сигнала.

Соберите схему, приведенную на рис. 11. Зафиксируйте показания всех приборов, в том числе и стрелочного прибора на генераторе, сравните их. Объясните полученные результаты. Определите из показаний стрелочных приборов амплитудное значение напряжения, сравните его с показанием осциллографа. Не забудьте указать погрешности результатов.

Рис. 11. Схема измерения выпрямленного синусоидального напряжения (упражнение 2). G — низкочастотный генератор; Vm, Vc, Vэ — вольтметры магнитоэлектрической, электростатической и электромагнитной системы; N – осциллограф.

Примечание. При проведении измерений частота генератора не должна превышать 100 Гц, в связи с тем, что в схеме использован низкочастотный диод. Пронаблюдайте, как будет изменяется осциллограмма «выпрямленного» напряжения, с увеличением частоты

Напряжение на осциллографе	Магнитоэлектрический U, В	Электромагнитный U, В	Электростатический U, В
58,59	—	—	30,75
28,45	25,24	—	—
57,32	—	29,35	—
57,20	24,09	29,22	29,22

4.   Определить рабочий интервал частот вольтметров (в котором различие показаний не превышает пределов погрешности).

Соберите схему рис. 12 (условные обозначения такие же, как на   рис. 11).

Рис. 12. Схема измерения частотной характеристики вольтметров

Исследуйте частотную характеристику вольтметров электромагнитной и электростатической систем, т.е. определите зависимость показаний вольтметров от частоты генератора при постоянном выходном напряжении генератора (постоянство U контролируйте осциллографом). Постройте графики U(f), откладывая частоту в логарифмическом масштабе (lgƒ). Объясните полученные зависимости. Оцените индуктивность L.

Напряжение на осциллографе, В	Частота, Гц	Электромагнитный вольтметр, В	Электростатический вольтметр, В
54,55	40	54,5	54,54
54,55	50	53,7	54,54
54,55	60	52,8	54,54
54,55	70	51	54,54
54,55	80	48	54,54
54,55	90	44	54,54
54,55	100	39	54,54

График зависимости напряжений от логарифмической частоты

4. Определить эквивалентное сопротивление электростатического вольтметра.

Рис. 13. Vc — вольтметр электростатической системы.

4.1     Сопротивление постоянному току этих приборов очень велико (R_вх =10¹⁴-10¹⁶ Ом),поэтому токи очень малы и их трудно измерить

Похожие материалы

Информация о работе

Скачать файл

Выбери свой ВУЗ

• АлтГТУ 419
• АлтГУ 113
• АмПГУ 296
• АГТУ 267
• БИТТУ 794
• БГТУ «Военмех» 1191
• БГМУ 172
• БГТУ 603
• БГУ 155
• БГУИР 391
• БелГУТ 4908
• БГЭУ 963
• БНТУ 1070
• БТЭУ ПК 689
• БрГУ 179
• ВНТУ 120
• ВГУЭС 426
• ВлГУ 645
• ВМедА 611
• ВолгГТУ 235
• ВНУ им. Даля 166
• ВЗФЭИ 245
• ВятГСХА 101
• ВятГГУ 139
• ВятГУ 559
• ГГДСК 171
• ГомГМК 501
• ГГМУ 1966
• ГГТУ им. Сухого 4467
• ГГУ им. Скорины 1590
• ГМА им. Макарова 299
• ДГПУ 159
• ДальГАУ 279
• ДВГГУ 134
• ДВГМУ 408
• ДВГТУ 936
• ДВГУПС 305
• ДВФУ 949
• ДонГТУ 498
• ДИТМ МНТУ 109
• ИвГМА 488
• ИГХТУ 131
• ИжГТУ 145
• КемГППК 171
• КемГУ 508
• КГМТУ 270
• КировАТ 147
• КГКСЭП 407
• КГТА им. Дегтярева 174
• КнАГТУ 2910
• КрасГАУ 345
• КрасГМУ 629
• КГПУ им. Астафьева 133
• КГТУ (СФУ) 567
• КГТЭИ (СФУ) 112
• КПК №2 177
• КубГТУ 138
• КубГУ 109
• КузГПА 182
• КузГТУ 789
• МГТУ им. Носова 369
• МГЭУ им. Сахарова 232
• МГЭК 249
• МГПУ 165
• МАИ 144
• МАДИ 151
• МГИУ 1179
• МГОУ 121
• МГСУ 331
• МГУ 273
• МГУКИ 101
• МГУПИ 225
• МГУПС (МИИТ) 637
• МГУТУ 122
• МТУСИ 179
• ХАИ 656
• ТПУ 455
• НИУ МЭИ 640
• НМСУ «Горный» 1701
• ХПИ 1534
• НТУУ «КПИ» 213
• НУК им. Макарова 543
• НВ 1001
• НГАВТ 362
• НГАУ 411
• НГАСУ 817
• НГМУ 665
• НГПУ 214
• НГТУ 4610
• НГУ 1993
• НГУЭУ 499
• НИИ 201
• ОмГТУ 302
• ОмГУПС 230
• СПбПК №4 115
• ПГУПС 2489
• ПГПУ им. Короленко 296
• ПНТУ им. Кондратюка 120
• РАНХиГС 190
• РОАТ МИИТ 608
• РТА 245
• РГГМУ 117
• РГПУ им. Герцена 123
• РГППУ 142
• РГСУ 162
• «МАТИ» — РГТУ 121
• РГУНиГ 260
• РЭУ им. Плеханова 123
• РГАТУ им. Соловьёва 219
• РязГМУ 125
• РГРТУ 666
• СамГТУ 131
• СПбГАСУ 315
• ИНЖЭКОН 328
• СПбГИПСР 136
• СПбГЛТУ им. Кирова 227
• СПбГМТУ 143
• СПбГПМУ 146
• СПбГПУ 1599
• СПбГТИ (ТУ) 293
• СПбГТУРП 236
• СПбГУ 578
• ГУАП 524
• СПбГУНиПТ 291
• СПбГУПТД 438
• СПбГУСЭ 226
• СПбГУТ 194
• СПГУТД 151
• СПбГУЭФ 145
• СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 379
• ПИМаш 247
• НИУ ИТМО 531
• СГТУ им. Гагарина 114
• СахГУ 278
• СЗТУ 484
• СибАГС 249
• СибГАУ 462
• СибГИУ 1654
• СибГТУ 946
• СГУПС 1473
• СибГУТИ 2083
• СибУПК 377
• СФУ 2424
• СНАУ 567
• СумГУ 768
• ТРТУ 149
• ТОГУ 551
• ТГЭУ 325
• ТГУ (Томск) 276
• ТГПУ 181
• ТулГУ 553
• УкрГАЖТ 234
• УлГТУ 536
• УИПКПРО 123
• УрГПУ 195
• УГТУ-УПИ 758
• УГНТУ 570
• УГТУ 134
• ХГАЭП 138
• ХГАФК 110
• ХНАГХ 407
• ХНУВД 512
• ХНУ им. Каразина 305
• ХНУРЭ 325
• ХНЭУ 495
• ЦПУ 157
• ЧитГУ 220
• ЮУрГУ 309

Полный список ВУЗов

6.3 ЭДС движения | Texas Gateway

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете делать следующее:

• Расчет ЭДС, силы, магнитного поля и работы, связанной с движением объекта в магнитном поле

Как мы видели, любое изменение магнитного потока индуцирует противодействующую этому изменению ЭДС — процесс, известный как индукция. Движение является одной из основных причин индукции. Например, магнит, перемещаемый по направлению к катушке, создает ЭДС, а катушка, перемещаемая по направлению к магниту, создает аналогичную ЭДС. В этом разделе мы сосредоточимся на движении в магнитном поле, стационарном относительно Земли, производя то, что условно называется ЭДС движения .

Одна из ситуаций, когда возникает ЭДС движения, известна как эффект Холла и уже исследовалась. На заряды, движущиеся в магнитном поле, действует магнитная сила F=qvBsinθ,F=qvBsinθ, размер 12{F= ital «qvB»»sin»θ} {}, которая перемещает противоположные заряды в противоположных направлениях и создает ЭДС=Bℓv.ЭДС= Бℓв. size 12{«emf»=Bℓv} {} Мы видели, что эффект Холла имеет приложения, включая измерения размера BB 12{B} {} и v.v. size 12{v} {} Теперь мы увидим, что эффект Холла является одним из аспектов более широкого явления индукции, и мы обнаружим, что ЭДС движения можно использовать в качестве источника энергии.

Рассмотрим ситуацию, показанную на рис. 6.11. Стержень движется со скоростью vv по паре проводящих рельсов, разделенных расстоянием ℓℓ, в однородном магнитном поле ВВ размера 12{B} {} Рельсы неподвижны относительно ВВ размера 12{B} {} и соединены с постоянный резистор R. R. размером 12 {R} {} Резистор может быть любым, от лампочки до вольтметра. Рассмотрим область, окруженную движущимся стержнем, рельсами и резистором. BB размером 12{B} {} перпендикулярна этой области, и площадь увеличивается по мере движения стержня. Таким образом, магнитный поток, заключенный между рельсами, стержнем и резистором, увеличивается. При изменении потока индуцируется ЭДС в соответствии с законом индукции Фарадея.

Рисунок 6.11 (a) ЭДС движения=Bℓvemf=Bℓv size 12{«ЭДС»=Bℓv} {} индуцируется между рельсами, когда этот стержень движется вправо в однородном магнитном поле. Магнитное поле ВВ размером 12{B} {} направлено внутрь страницы, перпендикулярно движущимся стержню и рельсам и, следовательно, к ограниченной ими области. (b) Закон Ленца дает направления индуцированного поля и тока, а также полярность индуцированной ЭДС. Поскольку поток увеличивается, индуцированное поле направлено в противоположном направлении или выходит за пределы страницы. RHR-2 дает показанное направление тока, и полярность стержня будет управлять таким током. RHR-1 также указывает на ту же полярность стержня. Обратите внимание, что буква E, используемая в эквивалентной схеме в нижней части части (b), представляет ЭДС.

Чтобы найти величину ЭДС, индуцированной вдоль движущегося стержня, воспользуемся законом индукции Фарадея без знака.

6.7 ЭДС=NΔΦΔтемс=NΔΦΔt размер 12{«ЭДС»=N { {ΔΦ} над {Δt} } } {}

Здесь и далее ЭДС подразумевает величину ЭДС. В этом уравнении N=1N=1 размер 12{N=1} {} и поток Φ=BAcosθ.Φ=BAcosθ. size 12{Φ= ital «BA»»cos»θ} {} Имеем θ=0ºθ=0º и cosθ=1,cosθ=1, так как BB перпендикулярна A.A. Теперь ΔΦ=Δ(BA)=BΔA, ΔΦ=Δ(BA)=BΔA, размер 12{ΔΦ=Δ \(итал. «BA» \) =BΔA} {}, так как размер BB 12{B} {} равномерен. Обратите внимание, что площадь, заметаемая стержнем, составляет ΔA=ℓΔx. ΔA=ℓΔx. size 12{ΔA=ℓΔx} {} Ввод этих величин в выражение для ЭДС дает

6,8 ЭДС=BΔAΔt=BℓΔxΔt.ЭДС=BΔAΔt=BℓΔxΔt. size 12{«ЭДС»= { {BΔA} над {Δt} } =B { {ℓΔx} над {Δt} } } {}

стержня. Ввод этого в последнее выражение показывает, что

6,9 ЭДС = Bℓv (B, ℓ, и v перпендикулярно) ЭДС = Bℓv (B, ℓ, и v перпендикулярно) size 12 {«ЭДС» = Bℓv} {}

— ЭДС движения . Это то же самое выражение, которое было дано ранее для эффекта Холла.

Установление связей: объединение сил

Существует много связей между электрической и магнитной силами. Тот факт, что движущееся электрическое поле создает магнитное поле и, наоборот, движущееся магнитное поле создает электрическое поле, является частью того, почему электрические и магнитные силы теперь считаются разными проявлениями одной и той же силы. Это классическое объединение электрических и магнитных сил в то, что называется электромагнитной силой, является источником вдохновения для современных усилий по объединению других основных сил.

Чтобы найти направление индуцируемого поля, направление тока и полярность индуктируемой ЭДС, мы применяем закон Ленца, как описано в Законе Фарадея об индукции: Закон Ленца. (См. рис. 6.11[b].) Поток увеличивается, так как увеличивается площадь охвата. Таким образом, индуцированное поле должно противодействовать существующему и быть за пределами страницы. Таким образом, RHR-2 требует, чтобы I было направлено против часовой стрелки, что, в свою очередь, означает, что вершина стержня положительна, как показано на рисунке.

ЭДС движения также возникает, если магнитное поле движется, а стержень (или другой объект) неподвижен относительно Земли (или какого-либо наблюдателя). Мы видели пример этого в ситуации, когда движущийся магнит индуцирует ЭДС в неподвижной катушке. Важно относительное движение. В этих наблюдениях проявляется связь между магнитными и электрическими полями. Движущееся магнитное поле создает электрическое поле за счет ЭДС индукции. Мы уже видели, что движущееся электрическое поле создает магнитное поле — движущийся заряд подразумевает движущееся электрическое поле, а движущийся заряд создает магнитное поле.

ЭДС движения в слабом магнитном поле Земли обычно не очень велики, иначе мы заметили бы напряжение вдоль металлических стержней, таких как отвертка, во время обычных движений. Например, простой расчет ЭДС движения стержня длиной 1 м, движущегося со скоростью 3,0 м/с перпендикулярно полю Земли, дает ЭДС = Bℓv = (5,0 × 10–5T) (1,0 м) (3,0 м/с) = 150 мкВ. .ЭДС=Bℓv=(5,0×10-5T)(1,0 м)(3,0 м/с)=150 мкВ. size 12{«emf»=Bℓv= \( 5 «.» 0 раз «10» rSup { size 8{ — 5} } T \) \( 1 «.» 0`m \) \( 3 «.» 0 `»м/с» \) =»150″`»мкВ»} {} Это небольшое значение соответствует опыту. Однако есть эффектное исключение. В 1992 и 1996, с помощью космического корабля «Шаттл» были предприняты попытки создать большие ЭДС движения. Привязанный спутник должен был быть выпущен по проводу длиной 20 км, как показано на рис. 6.12, для создания ЭДС 5 кВ за счет движения с орбитальной скоростью через поле Земли. Эту ЭДС можно было бы использовать для преобразования части кинетической и потенциальной энергии шаттла в электрическую энергию, если бы удалось создать полную цепь. Чтобы завершить цепь, неподвижная ионосфера должна была обеспечить обратный путь для протекания тока. (Ионосфера — это разреженная и частично ионизированная атмосфера на орбитальных высотах. Она проводит ток из-за ионизации. Ионосфера выполняет ту же функцию, что и неподвижные рельсы и соединительный резистор на рис. 6.11, без которых не было бы полной цепи.) на ток в кабеле за счет магнитной силы F=IℓBsinθF=IℓBsinθ размер 12{F=IℓB»sin»θ} {} совершает работу, которая уменьшает кинетическую и потенциальную энергию челнока и позволяет преобразовать ее в электрическую энергию. Оба испытания оказались неудачными. В первом кабель болтался и его можно было протянуть только на пару сотен метров; во втором трос оборвался при почти полном вытягивании. Пример 6.2 указывает на принципиальную возможность.

Пример 6.2 Расчет большой ЭДС движения объекта на орбите

Рис. 6.12 ЭДС движения как преобразование электроэнергии для космического челнока является мотивом для эксперимента с привязанным спутником. Было предсказано, что ЭДС 5 кВ будет индуцироваться в тросе длиной 20 км при движении с орбитальной скоростью в магнитном поле Земли. Цепь завершается обратным путем через стационарную ионосферу.

Рассчитайте ЭДС движения вдоль проводника длиной 20,0 км, движущегося с орбитальной скоростью 7,80 км/с перпендикулярно Земле 5,00×10−5T5,00×10−5T размером 12{5 «.» «00» умножить на «10» rSup { размер 8{ — 5} } T} {} магнитное поле.

Стратегия

Это прямое применение выражения для ЭДС движения — ЭДС=Bℓv.ЭДС=Bℓv. size 12{«emf»=Bℓv} {}

Solution

Ввод заданных значений в emf=Bℓvemf=Bℓv size 12{«emf»=Bℓv} {} дает

6,10 emf = Bℓ 0 10−5T)(2,0 × 104 м)(7,80 × 103 м/с)     = 7,80 × 103 В.э.д.с. = Bℓv      = (5,00 × 10–5T)(2,0 × 104 м)(7,80 × 103 м/с)      = 7,80 × 103 м/с 103 В.

Обсуждение

Полученное значение превышает измеренное напряжение 5 кВ для эксперимента с челноком, поскольку фактическое орбитальное движение троса не перпендикулярно полю Земли. Значение 7,80 кВ является максимальной ЭДС, полученной при θ=90ºθ=90º размера 12{θ=»90″°} {} и sinθ=1.sinθ=1. size 12{«sin»θ=1} {}

Закон Ленца – College Physics

Глава 23 Электромагнитная индукция, цепи переменного тока и электрические технологии

Сводка

• Рассчитайте ЭДС, ток и магнитное поле, используя закон Фарадея.
• Объясните физические результаты закона Ленца

Опыты Фарадея показали, что ЭДС, индуцируемая изменением магнитного потока, зависит лишь от нескольких факторов. Во-первых, ЭДС прямо пропорциональна изменению потока [латекс]{\дельта\фи}[/латекс]. Во-вторых, ЭДС максимальна, когда изменение во времени [латекс]{\Delta t}[/латекс] наименьшее, то есть ЭДС обратно пропорциональна [латекс]{\Delta t}[/латекс]. Наконец, если катушка имеет [латекс]{N}[/латекс] витков, будет создаваться ЭДС, которая в [латекс]{N}[/латекс] раз больше, чем для одиночной катушки, так что ЭДС прямо пропорциональна [латекс]{N}[/латекс]. Уравнение для ЭДС, индуцированной изменением магнитного потока, имеет вид

[латекс] {\ текст {ЭДС} = -N} [/ латекс] [латекс] {\ гидроразрыва {\ Delta \ phi} {\ Delta t}} [/ латекс]

Это соотношение известно как закон индукции Фарадея. Единицами ЭДС, как обычно, являются вольты.

Знак минус в законе индукции Фарадея очень важен. Минус означает, что ЭДС создает ток I и магнитное поле B, которые противодействуют изменению потока [латекс]{\дельта\фи}[/латекс] — это известно как закон Ленца . Направление (отмечено знаком минус) ЭДС настолько важен, что его называют законом Ленца в честь русского Генриха Ленца (1804–1865), который, подобно Фарадею и Генри, независимо исследовал аспекты индукции. Фарадей знал об этом направлении, но Ленц сформулировал его так ясно, что ему приписывают его открытие. (См. рис. 1.)

Рисунок 1. (а) Когда этот стержневой магнит вталкивается в катушку, напряженность магнитного поля в катушке увеличивается. Ток, наведенный в катушке, создает другое поле в направлении, противоположном направлению стержневого магнита, чтобы противостоять увеличению. Это один из аспектов закона Ленца: индукция препятствует любому изменению потока. (b) и (c) — две другие ситуации. Убедитесь сами, что направление индуцированной B _{Показанная катушка} действительно противостоит изменению потока и что показанное направление тока соответствует RHR-2.

Стратегия решения задач по закону Ленца

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

1. Сделайте набросок ситуации для использования при визуализации и записи направлений.
2. Определить направление магнитного поля B.
3. Определите, увеличивается или уменьшается поток.
4. Теперь определите направление индуцированного магнитного поля B. Оно противодействует изменению потока путем добавления или вычитания исходного поля.
5. Используйте RHR-2 для определения направления индуцированного тока I, который отвечает за индуцированное магнитное поле B.
6. Направление (или полярность) ЭДС индукции теперь будет управлять током в этом направлении и может быть представлено как ток, выходящий из положительной клеммы ЭДС и возвращающийся к ее отрицательной клемме.

Для практики примените эти шаги к ситуациям, показанным на рис. 1, и к другим ситуациям, которые являются частью следующего текстового материала.

Закон индукции Фарадея имеет множество применений, которые мы рассмотрим в этой и других главах. На этом этапе давайте упомянем несколько, которые связаны с хранением данных и магнитными полями. Очень важное применение связано с аудио и видео записывающими лентами . Пластиковая лента, покрытая оксидом железа, проходит мимо записывающей головки. Эта записывающая головка представляет собой круглое железное кольцо, на которое намотана катушка проволоки — электромагнит (рис. 2). Сигнал в виде переменного входного тока от микрофона или камеры поступает на записывающую головку. Эти сигналы (которые зависят от амплитуды и частоты сигнала) создают переменные магнитные поля на записывающей головке. Когда лента движется мимо записывающей головки, ориентация магнитного поля молекул оксида железа на ленте изменяется, что приводит к записи сигнала. В режиме воспроизведения намагниченная лента проходит мимо другой головки, аналогичной по устройству записывающей головке. Различная ориентация магнитного поля молекул оксида железа на ленте индуцирует ЭДС в катушке провода в головке воспроизведения. Затем этот сигнал отправляется на громкоговоритель или видеоплеер.

Рисунок 2. Головки записи и воспроизведения, используемые с аудио- и видеомагнитофонами. (кредит: Steve Jurvetson)

Аналогичные принципы применимы и к жестким дискам компьютеров, за исключением того, что они работают гораздо быстрее. Здесь записи на вращающемся диске с покрытием. Считывающие головки исторически заставляли работать по принципу индукции. Однако входная информация передается в цифровой, а не в аналоговой форме — на вращающемся жестком диске записывается последовательность нулей или единиц. Сегодня большинство устройств считывания с жестких дисков не работают по принципу индукции, а используют метод, известный как гигантское магнитосопротивление . (Открытие того, что слабые изменения магнитного поля в тонкой пленке железа и хрома могут вызвать гораздо большие изменения электрического сопротивления, было одним из первых крупных успехов нанотехнологии.) Еще одно применение индукции можно найти в магнитной полосе на магнитной полосе. оборотная сторона вашей личной кредитной карты, используемой в продуктовом магазине или банкомате. Это работает по тому же принципу, что и упомянутая в последнем абзаце аудио- или видеокассета, в которой голова считывает личную информацию с вашей карты.

Еще одним применением электромагнитной индукции является передача электрических сигналов через барьер. Рассмотрим кохлеарный имплант , показанный ниже. Звук улавливается микрофоном снаружи черепа и используется для создания переменного магнитного поля. Ток индуцируется в приемнике, закрепленном в кости под кожей, и передается на электроды во внутреннем ухе. Электромагнитная индукция может использоваться и в других случаях, когда электрические сигналы необходимо передавать через различные среды.

Рисунок 3. Электромагнитная индукция, используемая для передачи электрических токов через среды. Устройство на голове ребенка индуцирует электрический ток в приемнике, закрепленном в кости под кожей. (кредит: Бьорн Кнетч)

Еще одна современная область исследований, в которой электромагнитная индукция успешно применяется (и имеет значительный потенциал), — это транскраниальное магнитное моделирование. Множество расстройств, включая депрессию и галлюцинации, можно отнести к нерегулярной локальной электрической активности в головном мозге. В транскраниальная магнитная стимуляция , быстро меняющееся и очень локализованное магнитное поле помещается рядом с определенными участками, идентифицированными в головном мозге. В выявленных местах индуцируются слабые электрические токи, что может привести к восстановлению электрических функций в тканях головного мозга.

Апноэ во сне («остановка дыхания») поражает как взрослых, так и младенцев (особенно недоношенных детей и может быть причиной внезапной детской смерти [SID]). У таких людей дыхание может неоднократно останавливаться во время сна. Прекращение более чем на 20 секунд может быть очень опасным. Инсульт, сердечная недостаточность и усталость — вот лишь некоторые из возможных последствий для человека, страдающего апноэ во сне. Беспокойство у младенцев вызывает остановка дыхания на эти более длительные периоды времени. Один из типов мониторов для оповещения родителей о том, что ребенок не дышит, использует электромагнитную индукцию. Через провод, обернутый вокруг грудной клетки младенца, проходит переменный ток. Расширение и сжатие грудной клетки младенца, когда он дышит, изменяет площадь, проходящую через спираль. В расположенной рядом съемной катушке индуцируется переменный ток, обусловленный изменяющимся магнитным полем исходного провода. Если ребенок перестанет дышать, индуцированный ток изменится, и родитель может быть предупрежден.

Установление соединений: сохранение энергии

Закон Ленца является проявлением сохранения энергии. ЭДС индукции создает ток, противодействующий изменению потока, потому что изменение потока означает изменение энергии. Энергия может войти или уйти, но не мгновенно. Закон Ленца является следствием. Когда изменение начинается, закон говорит, что индукция противодействует и, таким образом, замедляет изменение. На самом деле, если бы ЭДС индукции была направлена ​​в том же направлении, что и изменение потока, существовала бы положительная обратная связь, которая давала бы нам свободную энергию без видимого источника — закон сохранения энергии был бы нарушен.

Пример 1. Расчет ЭДС: насколько велика ЭДС индукции?

Рассчитайте величину ЭДС индукции, когда магнит на рис. 1(а) вталкивается в катушку, учитывая следующую информацию: катушка с одним контуром имеет радиус 6,00 см и среднее значение [латекс]{B \ ;\text{cos} \;\theta}[/latex] (это дано, поскольку поле стержневого магнита комплексное) увеличивается с 0,0500 Тл до 0,250 Тл за 0,100 с.

Стратегия

Найти величина ЭДС, мы используем закон индукции Фарадея, как указано [латекс] {\ текст {ЭДС} = -N \ гидроразрыва {\ Delta \ phi} {\ Delta t}} [/ латекс], но без знак минус, указывающий направление:

[латекс]{\текст{ЭДС} = N}[/латекс] [латекс]{\гидроразрыва{\Delta \phi}{\Delta t}}[/латекс]

Решение

Нам дано, что [латекс]{N = 1}[/латекс] и [латекс]{\Delta t=0,100 \;\текст{s}}[/латекс], но мы должны определить изменение потока [латекс] {\ дельта \ фи} [/ латекс], прежде чем мы сможем найти ЭДС. Поскольку площадь петли фиксирована, мы видим, что 92)(0,200 \;\text{T})}{0,100 \;\text{s}}}[/latex] [латекс]{= 22,6 \; \text{мВ}}[/latex]

Обсуждение

Хотя это напряжение легко измерить, оно явно недостаточно велико для большинства практических приложений. Больше петель в катушке, более сильный магнит и более быстрое движение делают индукцию практическим источником напряжения, которым она и является.

Исследования PhET: Электромагнитная лаборатория Фарадея

Поиграйте со стержневым магнитом и катушками, чтобы узнать о законе Фарадея. Переместите стержневой магнит рядом с одной или двумя катушками, чтобы лампочка загорелась. Посмотрите на линии магнитного поля. Счетчик показывает направление и величину тока. Просмотрите линии магнитного поля или используйте измеритель, чтобы показать направление и величину тока. Вы также можете играть с электромагнитами, генераторами и трансформаторами!

Рисунок 4. Электромагнитная лаборатория Фарадея

• Закон индукции Фарадея утверждает, что ЭДС , вызванная изменением магнитного потока, равна

[латекс] {\ текст {ЭДС = -N}} [/ латекс] [латекс] {\ гидроразрыва {\ Delta \ phi} {\ Delta t}} [/ латекс]

• при изменении потока на [latex]{\Delta \phi}[/latex] за время [latex]{\Delta t}[/latex] .
  
• Если в катушке индуцируется ЭДС, [латекс]{N}[/латекс] — число витков.
• Знак минус означает, что ЭДС создает ток [латекс]{I}[/латекс] и магнитное поле [латекс]{В}[/латекс], которые препятствуют изменению потока  [латекс]{\Delta \phi}[/латекс] — это противоположность известна как закон Ленца.

Задачи и упражнения

1: Ссылаясь на рисунок 5(a), каково направление тока, индуцируемого в катушке 2: (a) Если ток в катушке 1 увеличивается? б) Если ток в катушке 1 уменьшится? в) Если ток в катушке 1 постоянен? Подробно покажите, как вы выполняете шаги, описанные в стратегии решения проблем для закона Ленца.

Рис. 5. (а) Катушки лежат в одной плоскости. (b) Провод находится в плоскости катушки

2: Согласно рис. 5(b), каково направление тока, индуцируемого в катушке: (a) Если ток в проводе увеличивается? б) Если сила тока в проводе уменьшится? в) Если ток в проводе вдруг меняет направление? Подробно покажите, как вы выполняете шаги, описанные в стратегии решения проблем для закона Ленца.

3: Ссылаясь на рисунок 6, каковы направления токов в катушках 1, 2 и 3 (предположим, что катушки лежат в плоскости цепи): (a) Когда выключатель впервые замкнут ? (b) Когда переключатель был замкнут в течение длительного времени? в) Сразу после размыкания переключателя? 92}[/латекс]. Он растягивается так, чтобы через 0,100 с не оставалось площади. Каковы направление и величина ЭДС индукции, если однородное магнитное поле имеет напряженность 1,50 Тл?

7: (a) Специалист МРТ перемещает руку из области с очень низкой напряженностью магнитного поля в поле 2,00 Тл томографа, при этом его пальцы указывают в направлении поля. Найти среднюю ЭДС, индуцируемую в его обручальном кольце, если его диаметр равен 2,20 см, а время перемещения кольца в поле равно 0,250 с. (b) Обсудите, может ли этот ток значительно изменить температуру кольца.

8: Комплексные концепции

Ссылаясь на ситуацию в предыдущей задаче: (a) Какой ток индуцируется в кольце, если его сопротивление равно [латекс]{0,0100 \;\Омега}[/латекс]? б) Какая средняя мощность рассеивается? в) Какое магнитное поле индуцируется в центре кольца? (d) Каково направление индуцированного магнитного поля относительно поля МРТ?

9: ЭДС возникает при вращении 1000-витковой катушки диаметром 20,0 см в [латексном] {5,00 \times 10^{-5} \;\text{T}}[/latex] магнитном поле Земли.