26. Проводники в электростатическом поле

1. Опред.Проводники – материалы, в которых есть свободные носители тока, т.е. заряды, которые способны перемещаться под действием сколь угодно малой силы.

Условия равновесия заряда в проводнике:

1) т.е. потенциал внутри проводникавнутри нет электрических сил, действующих на заряд.

2) вдоль поверхности=0, т.е. поверхность проводника эквипотенциальна.

Из 1) плотность заряда в любой внутренней точке проводника, т.к..

Из 2) — поверхность проводника является эквипотенциальной.

2.Выясним, чему равна нормальная составляющая вектора напряженностина поверхности проводника.

Здесь — диэлектрическая проницаемость среды, окружающей металл.

2а. Обсудим электрическое поле Земли

Если это так, то напряженность электрического поля в околоземном пространстве

Вопр. Почему мы не ощущаем напряжения между пятками и макушкой или кончиком носа?

Отв. Человек – хороший проводник, следовательно, человек представляет собой эквипотенциальную поверхность и сам вносит искажения в электростатическое поле.

Между «небом» и Землей в ясный день разность потенциалов U=, и течет постоянный ток, обусловленный потоком отрицательных ионов от Земли к небу, с плотностью. Интеграл по всей поверхности Земли дает ток 1800 А от Земли к небу. Чтобы заряд сохранялся, нужен механизм обратного тока отрицательного заряда к Земле. Эту функцию выполняют грозы.

Напряжение поля Земли в течение суток меняется следующим образом

Т.о. 22 часа по московскому времени – наиболее вероятное время гроз на Земле, т.е. над Тихим океаном наиболее вероятны грозы утром, а над Атлантическим – вечером.

Разность потенциалов Земля-небо во время грозы много больше, чем в ясную погоду.

Каждый удар молнии приносит (20 – 30) Кл на Землю.

Время восстановления дипольного момента тучи ~5 с. В «грозовой машине» течет ток ~4 А. Т.о. атмосфера является непрерывно действующей электрической машиной.

Если природа обычной молнии описана в многочисленных научных работах и даже учебниках (например, Сивухин «Электричество»), то природа шаровой молнии не известна. Существует ряд гипотез. Например, гипотеза Родионова основана на существовании магнитных монополей, которые представляют собой кончики вихрей кварков. Кварковый вихрь, как шланг пылесоса, подсасывает своим магнитным полем атомы, которые , приближаясь к монополю, распадаются сначала на элементарные частицы, а потом на кварки, которые достраивают монополь.

Т.о. получается следующая цепочка:

При этом возникает ионизация воздуха с появлением светящегося плазменного шара диаметром ~10 см. С помощью этой гипотезы автор сделал попытку объяснить загадку тунгусского метеорита, полагая, что тунгусское сияние было вызвано ядерным взрывом, спровоцированным шаровой молнией. Эта гипотеза, разумеется, оставляет ряд вопросов:

1. Она противоречит уравнению Максвелла

– магнитных зарядов не обнаружено,

т.к. монополи, лежащие в основе гипотезы, и есть пока не обнаруженные магнитные заряды.

2. Если тунгусский метеорит являлся ядерным взрывом, почему никто не пострадал от излучения.

Впрочем, Максвеллу в свое время тоже мало, кто поверил. Этот пример продемонстрирует, что и наше время богато головокружительными гипотезами и нерешенными физическими проблемами.

Вернемся к изучению свойств проводников в электростатическом поле.

3. Как распределен заряд по поверхности металла?

На больших расстояниях от заряженной поверхности проводника эквипотенциальные поверхности – сферы, на малых расстояниях – у острия линии сгущаются, т.е. у острия больше напряженность поляна острие заряды сгущаются.

Вопр. Почему так?

Отв.Заряды на поверхности проводника стремятся как

можно дальше расположиться друг от друга, а т. к. острие

отстоит дальше от остальной поверхности, то туда и убегают заряды. В результате:

Эквивалентная схема вытянутого тела:

вывод:

На поверхности заряженного проводника плотность заряда велика на выступающих частях и мала во впадинах.

Если надо зарядить тело до высокого потенциала, то надо убедиться, что поверхность его гладкая и на ней нет мест, где Eбудет очень велико, т.к. с этих мест может происходить истечение зарядов.

Если поместить вблизи тела с острием, находящимся под высоким напряжением, другой изолированный от первого проводник, то последний будет заряжаться зарядом того же знака, что и острие, вследсвие ионизации воздуха вблизи острия. При этом одноименные заряды с таким же знаком заряда, как у острия, движутся от него, а разноименные к нему. Возникает ионный ветер, увлекающий за собой и нейтральные молекулы.

4. Свойства замкнутой проводящей оболочки:

(1) Внешние заряды, в частности заряды на наружной поверхности

проводника не создают в полости внутри проводника никакого электрического поля

электростатическая защита.

5. Заряды внутри проводящего слоя.

Что происходит?

—суммарный заряд, индуцированный на внутренней поверхности замкнутой проводящей оболочки, равен и противоположен по знаку суммарному заряду, окруженному этой оболочкой.

(2) Кулоновское поле зарядов, окруженных проводящей оболочкой, и зарядов, индуцированных на ее поверхности, равно 0 во всем внешнем пространстве.

(1)+(2) Теорема Фарадея:

замкнутая проводящая оболочка разделяет все пространство на внутреннюю и внешнюю части, в электрическом отношении независимые друг от друга.

Например, перемещение малого шарика не влияет на поле внутри большого шара или сферического слоя.

6. Примеры:

1) Заряд внутри электронейтрального проводящего сферического слоя.

Если — не в центре сферы, то это отразится на неравномерности распределения заряда только на внутренней поверхности, снаружи все будет также.

2) Если проводящий слой заземлен, то распределение поля и потенциала во внешнем пространстве будет другим.

В этом случае Земля является источником недостающего отрицательного заряда, проводник заряжается отрицательно зарядом -и полностью экранирует поле центрального заряда, поэтому напряженность поля и потенциал равны 0 во всем пространстве при

Электричество и магнетизм

Если к проводнику добавить (отнять) часть электронов, то он заряжается отрицательно (положительно). Рассмотрим условия равновесия за­рядов на проводнике. При равновесии зарядов их направленное движение внутри проводника отсутствует. Это означает, что поле внутри проводника равно нулю:

. В противном случае  заряды должны были бы двигаться. Поскольку внутри проводника , то по теореме Остроградского-Гаусса в каждой точке объема образца , поэтому объемная плотность зарядов внутри проводника также равна нулю , а избыточные заряды могут быть расположены только на поверхности проводника. Это происходит потому, что одноименные заряды отталкиваются и стремятся расположиться как можно дальше друг от друга.

Видео 2.2. Поле заряженного проводника. Сетка Кольбе.

Ответим на вопрос: что будет, если в толще заряженного проводника имеется замкнутая внутренняя полость? Будут ли располагаться за­ряды также и на ее стенках? Исходя из качественных соображений, мы должны ответить отрицательно: заряды, отталкиваясь друг от друга, расположатся только на внешней поверхности проводника.

К такому же выводу приводит теорема Остроградского — Гаусса. Если взять такую воображаемую поверхность, чтобы она целиком лежала в толще провод­ника и была бесконечно близка к стенкам полости, то во всех точках этой поверхности поле равно нулю, и, следовательно, равен нулю поток век­тора электрической напряженности. Следовательно, на стенках полости зарядов нет.

Видео 2.3. Поле заряженного проводника. Клетка Фарадея.

Отсутствие поля внутри заряженного проводника означает постоянство потенциала внутри него: поскольку , то . Таким образом, потенциал на поверхности проводника также постоянен и равен по величине потенциалу в объеме проводника. Следовательно, поверхность проводника эквипотенциальная (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Потенциалы двух проводников: левый проводник имеет заряд +1 (в условных единицах), правый проводник не заряжен. Потенциалы постоянны по объему каждого проводника

Видео 2.4. Эквипотенциальность проводника в условиях равновесия.

Электрические заряды, располагающиеся на поверхности проводника с некоторой плотностью , создают вне проводника электрическое поле. Вблизи поверхности проводника напряженность поля направлена по нормали  в каждой точке поверхности, т. е.  так как эквипотенциальная поверхность перпендикулярна силовым линиям. Для вычисления поля вблизи проводника снова используем теорему Остроградского — Гаусса. В качестве воображаемой поверхности возьмем поверхность бесконечно малого цилиндра, расположенного перпендикулярно проводнику так, что одно из его оснований находится вне проводника, а другое — внутри (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Электрическое поле вблизи поверхности изолированного заряженного проводника

В этом случае поток через основание внутри проводника равен нулю, так как внутри проводника нет поля. Далее, поток через боковые стенки также равен нулю, поскольку они параллельны вектору напряженности поля. Остается поток через основание площадью  вне проводника.

Тогда полный поток вектора электрической напряженности  через поверхность цилиндра будет равен:

(2.1)

Согласно теореме Остроградского — Гаусса,                                                             

откуда

(2.2)

 

Таким образом, напряженность электрического поля вблизи поверхно­сти заряженного проводника (с его внешней стороны) пропорциональна поверхностной плотности зарядов. Внутри проводника, напомним, поле равно нулю.

Видео 2.5. Распределение зарядов по поверхности проводника в условиях равновесия.

Видео 2.6. Электрический ветер.

Видео 2. 7. «Плазменный двигатель» Франклина.

Задача. Исследования атмосферного электричества показали, что у земной поверхности существует стационарное электрическое поле со средней напряженностью . Поле это направлено вниз. Отметим, что во время грозы распределение атмосферного электричества имеет более сложный характер (рис. 2.4). 

Рис. 2.4. Распределение атмосферного электричества в созревшей грозовой ячейке: 1 — центр положительных зарядов, 2 — центр отрицательных зарядов, 3 — дождь с отрицательным зарядом, 4 — центр положительного заряда в области сильного дождя

Пользуясь этими данными и предполагая, что Земля — проводник, оценить полный электрический заряд нашей планеты.

Решение. Сначала определим знак этого заряда. Т. к. поле направлено вниз, к Земле, а силовые линии начинаются на положительных зарядах и кончаются на отрицательных, мы заключаем, что заряд Земли отри­цателен. Далее, из уравнения (2. 2) находим:

 

Зная радиус Земли  км, определяем площадь земной поверхности  м² . Наконец, находим электрический заряд Земли  кКл!

 

Проводник во внешнем электрическим поле. Теоремы Фарадея.

Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: Археология Биология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Техника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ? Влияние общества на человека Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 16Следующая ⇒ Определение: Проводниками называют материалы, имеющие так называемые свободные заряды, которые могут перемещаться в объеме проводника под действием сколь угодно малого внешнего электрического поля. Типичным примером проводников являются металлы, атомы которых при формировании кристалла решетки отдают в коллективное использование 1-3 -в с внешних оболочек. Эти электроны, несмотря на то, что находятся в потенциальной яме объема проводника, весьма слабо связаны с атомом, то есть имеют большую подвижность (связь каждого электрона одновременно принадлежит всем атомам, что и обеспечивает их высокую подвижность). При помещении проводников во внешнее электрическое поле, свободные заряды начинают перемещаться в этом поле, если в объем проводника был дополнительно внесен некоторый заряд, то под действием этого внешнего поля, этот дополнительный заряд распределиться по поверхности проводника. Таким образом, при электризации проводника сообщенный ему дополнительный заряд оказывается, распределен в области поверхности проводника. Это распределение заряда будет происходить до тех пор, пока при распределении заряда потенциал поля в любой точке проводника не станет одинаковым. Отметим свойства заряженного проводника во внешнем электрическом поле. 1.Электрический потенциал в любой точке объема равен потенциалу в любой точке поверхности проводника.2Линии электрического поля перпендикулярны поверхности проводника. 3.При помещении заряда проводника во внешнее электрическое поле внутри объема проводника будет наблюдаться движение зарядов до тех пор, пока суммарное поле внутри объема, обусловленное внешним полем, и поле дополнительного заряда не станет равным нулю. Эквипотенциальные поверхности огибают проводник, помещенный во внешнее электрическое поле, а одна из них, потенциал которой равен потенциалу проводника, пересекает его. Для любого проводника существует только одна поверхность, потенциал которой равен потенциалу поверхности проводника. Теорема Фарадея Индукция электромагнитная, возникновение электродвижущей силы (эдс индукции) в проводящем контуре, находящемся в переменном магнитном поле или движущемся в постоянном магнитном поле. Электрический ток, вызванный этой эдс, называется индукционным током. И. э. была открыта М. Фарадеем в 1831. Согласно закону Фарадея, эдс индукции Ei в контуре прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока (потока вектора магнитной индукции) Ф через поверхность S, ограниченную этим контуром: Здесь DФ — изменение магнитного потока через контур за время Dt; коэффициент пропорциональности k в системе СИ равен k = 1, а в системе СГС (Гаусса) k = 1/c, c — скорость света в вакууме. Знак минус определяет направление индукционного тока в соответствии с Ленца правилом: индукционный ток имеет такое направление, что создаваемый им поток магнитной индукции через площадь, ограниченную контуром, стремится препятствовать тому изменению потока Ф, которое вызывает появление индукционного тока. В постоянном магнитном поле эдс индукции возникает лишь при таком движении контура, при котором магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром, изменяется во времени (т. е. контур при своём движении должен пересекать линии магнитной индукции; при движении вдоль линий поток Ф меняться не будет и эдс не возникнет). В этом случае эдс индукции равна работе магнитной части Лоренца силы по перемещению единичного заряда вдоль замкнутого контура. Если же неподвижный проводник находится в переменном магнитном поле, то эдс индукции равна работе по перемещению единичного заряда вдоль замкнутого контура, совершаемой силами вихревого электрического поля, которое, согласно Максвелла уравнениям, порождается в пространстве при изменении магнитного поля со временем. В системе отсчёта, относительно которой контур покоится, именно это вихревое электрическое поле вызывает движение заряженных частиц, т. е. появление индукционного тока. И. э. лежит в основе работы генераторов электрического тока, в которых механическая энергия преобразуется в электрическую; на этом же явлении основано действие трансформаторов и т. д.     ⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒ Читайте также:  Психологические особенности спортивного соревнования Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Занятость населения и рынок труда Социальный статус семьи и её типология 

Последнее изменение этой страницы: 2016-04-07; просмотров: 500; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь — 161.97.168.212 (0.005 с.)

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.

Согласно Университету Святого Сердца, закон Фарадея позже был включен в более сложные уравнения Максвелла . Уравнения Максвелла были разработаны шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом, чтобы объяснить взаимосвязь 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 в этой 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 простое, 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.

В круговой петле с током (а) правило правой руки определяет направление магнитного поля внутри и снаружи петли. (б) Более детальное отображение поля, аналогичное отображению стержневого магнита. (Изображение предоставлено OpenStax)

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 .

Магнит в проволочной петле, соединенный с гальванометром. (Изображение предоставлено: Fouad A. Saad Shutterstock)

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 Фицпатрик, «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

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.

Согласно Университету Святого Сердца, закон Фарадея позже был включен в более сложные уравнения Максвелла . Уравнения Максвелла были разработаны шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом, чтобы объяснить взаимосвязь 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 в этой 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 простое, 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.

В круговой петле с током (а) правило правой руки определяет направление магнитного поля внутри и снаружи петли. (б) Более детальное отображение поля, аналогичное отображению стержневого магнита. (Изображение предоставлено OpenStax)

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 .

Магнит в проволочной петле, соединенный с гальванометром. (Изображение предоставлено: Fouad A. Saad Shutterstock)

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 Фицпатрик, «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

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.

Согласно Университету Святого Сердца, закон Фарадея позже был включен в более сложные уравнения Максвелла . Уравнения Максвелла были разработаны шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом, чтобы объяснить взаимосвязь 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 в этой 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 простое, 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.

В круговой петле с током (а) правило правой руки определяет направление магнитного поля внутри и снаружи петли. (б) Более детальное отображение поля, аналогичное отображению стержневого магнита. (Изображение предоставлено OpenStax)

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 .

Магнит в проволочной петле, соединенный с гальванометром. (Изображение предоставлено: Fouad A. Saad Shutterstock)

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 Фицпатрик, «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.