Электромагнитная индукция — Студопедия
Электромагнитная индукция (индукция значит наведение) это явление, при котором в замкнутом контуре возникает электрический ток при изменении магнитного потока, пронизывающего его.
Явление электромагнитной индукции было обнаружено в 1831 г.
М. Фарадеем. Ток, возникающий при электромагнитной индукции называют индукционным.
Закон электромагнитной индукцииЭДС индукции в контуре равна скорости изменения магнитного поля сквозь поверхность, ограниченную контуром.
| Электромагнитная индукция | |
| 1831 г. — М. Фарадей обнаружил, что в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля возникает так называемый индукционный ток. (Индукция, в данном случае, — появление, возникновение). | 
|
| Индукционный ток в катушке возникает при перемещении постоянного магнита относительно катушки; при перемещении электромагнита относительно катушки; при перемещении сердечника относительно электромагнита, вставленного в катушку; при регулировании тока в цепи электромагнита; при замыкании и размыкании цепи | 
|
 | |
Закон электромагнитной индукции
При всяком изменении магнитного потока через проводящий замкнутый контур в этом контуре возникает электрический ток. I зависит от свойств контура (сопротивление):  . e не зависит от свойств контура:  .
ЭДС индукции в замкнутом контуре прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока через площадь, ограниченную этим контуром.
|  |
| Основные применения электромагнитной индукции: генерирование тока (индукционные генераторы на всех электростанциях, динамомашины), трансформаторы. |
Правило Ленца
Возникновение индукционного тока — следствие закона сохранения энергии!
В случае 1: При приближении магнита, увеличении тока, замыкании цепи:  ; Магнитный поток Ф → ΔФ>0.Чтобы компенсировать это изменение (увеличение) внешнего поля, необходимо магнитное поле, направленное в сторону, противоположную внешнему полю:   — т.н. индукционное магнитное поле.
В случае 2: при удалении магнита, уменьшении тока, размыкании цепи:  . Магнитный поток Ф → ΔФ<0. Чтобы компенсировать это изменение (уменьшение), необходимо магнитное поле, сонаправленное с внешним полем:  .
|  
|
| Источником магнитного поля является ток. Поэтому: Возникающий в замкнутом контуре индукционный ток имеет такое направление, что созданный им поток магнитной индукции через площадь, ограниченную контуром, стремится компенсировать то изменение потока магнитной индукции, которое вызывает данный ток (правило Ленца). | |
Ток в контуре имеет отрицательное направление (  ),если противоположно  (т.е. ΔΦ>0). Ток в контуре имеет положительное направление (  ), если совпадает с , (т.е. ΔΦ<0).
Поэтому с учетом правила Ленца (знака) выражение для закона электромагнитной индукции записывается:  | 
|
Если контур (например, катушка) состоит из нескольких витков, то  ,
гдеn – количество витков. Все предыдущие формулы справедливы в случае линейного (равномерного) изменения магнитного потока. В произвольном случае закон записывается через производную:  | 
|
Электромагнитная индукция — Electromagnetic induction
Эксперимент Фарадея , показывающий индукцию между витками проволоки: Жидкость батареи Электромагнитная или магнитная индукция является производство из электродвижущей силы (то есть, напряжение) поперек электрического проводника в изменяющемся магнитном поле .
Майкл Фарадей , как правило , приписывают открытие индукции в 1831 году, и Джеймс Клерк Максвелл математически описал его как закон индукции Фарадея . Ленца описывает направление индуцированного поля. Через закон Фарадея был обобщен , чтобы стать уравнением Максвелла-Фарадей, один из четырех уравнений Максвелла в его теории электромагнетизма .
Электромагнитная индукция нашла много применений, в том числе электрических компонентов , таких как катушки индуктивности и трансформаторов , а также устройств , таких как электродвигателей и генераторов .
история
Схема железа кольцевого устройства Фарадея. Изменение магнитного потока левой катушки индуцирует ток в правой катушке. 
Электромагнитная индукция была обнаружена Майклом Фарадеем , опубликованной в 1831 г. Он был обнаружен независимо друг от друга Джозефа Генри в 1832 году.
В первой экспериментальной демонстрации Фарадея (29 августа, 1831), он завернул два провода вокруг противоположных сторон железного кольца или « тора » (расположение похоже на современный тороидальный трансформатор ). Основываясь на его понимании электромагнитов, он ожидал , что, когда ток начинал течь в одном проводе, своего рода волна будет проходить через кольцо и вызвать электрический эффект на противоположной стороне. Он подключен один провод в гальванометр , и смотрел как он подключен другой провод к батарее. Он увидел переходный ток, который он назвал «волну электричества», когда он подключен провод к батарее , а другой , когда он отсоединен его. Это индукции было обусловлено изменением магнитного потока , который произошел , когда аккумулятор был подключен и отключен. В течение двух месяцев, Фарадей обнаружил несколько других проявлений электромагнитной индукции. Так , например, он видел переходные тока , когда он быстро скользил стержневой магнит в и из катушки проводов, и он генерируется постоянным ( DC ) током путем вращения медного диска вблизи стержневого магнита с выдвижным электрическим выводом ( «диск Фарадея «).
Фарадей объяснил электромагнитную индукцию с использованием концепции он назвал силовые линии . Тем не менее, ученые в то время широко отвергнуты его теоретические идеи, в основном потому , что они не были сформулированы математически. Исключение было Джеймс Клерк Максвелл , который использовал идеи Фарадея в качестве основы его количественной электромагнитной теории. В модели Максвелла, время изменения аспект электромагнитной индукции выражается в виде дифференциального уравнения, которое Оливер Хевисайд называют законом Фарадея , даже если оно немного отличается от первоначальной формулировки Фарадея и не описывает двигательный EMF . Версия Хевисайда (см уравнение Максвелла-Фарадея ниже ) является формой признается сегодня в группе уравнений , известных как уравнения Максвелла .
В 1834 году Ленц сформулировал закон названный его именем , чтобы описать «поток через цепь». Закон Ленца задает направление индуцированного ЭДС и тока в результате электромагнитной индукции.
теория
закон индукции Фарадея и Ленца
электромагнитный 
Продольное сечение соленоида с постоянным электрическим током, протекающим через него. Магнитные силовые линии указаны, с их направлением, показанных стрелками. Магнитный поток соответствует «плотности силовых линий». Магнитный поток, таким образом, густой в середине соленоида, и самой слабом за его пределами.Закон Фарадея индукции использует магнитный поток Ф B через область пространства , ограниченную с помощью проволочной петли. Магнитный поток определяется поверхностным интегралом :
- Φ В знак равно ∫ Σ В ⋅ d A , {\ Displaystyle \ Phi _ {\ mathrm {B}} = \ Int \ пределы _ {\ Sigma} \ mathbf {B}, \ CDOT д \ mathbf {A}, \,}
где д является элементом поверхности Е , охваченной проволочной петлей, B является магнитным полем. Скалярное произведение В · д соответствует бесконечно малого количества магнитного потока. В более визуальном плане, магнитный поток через петлю провода пропорционально количеству линий магнитного потока , которые проходят через петлю.
Когда поток через поверхностные изменения, закон индукции Фарадея утверждает , что проволочная петля приобретает электродвижущую силу (ЭДС). Наиболее распространенная версия этого закона гласит , что индуцированная электродвижущая сила в любой замкнутой цепи равна скорости изменения этого магнитного потока , охваченной цепью:
- Е знак равно — d Φ В d T {\ Displaystyle {\ mathcal {E}} = — {{d \ Phi _ {\ mathrm {B}}} \ над DT} \} ,
где находится ЭДС и Φ B является магнитным потоком . Направление электродвижущей силы определяется законом Ленца , которое гласит , что индуцированный ток будет течь в направлении , которое будет выступать против изменения , которое производится его. Это связано с отрицательным знаком в предыдущем уравнении. Для того, чтобы увеличить сгенерированное EMF, общий подход заключается в использовании потокосцепления , создавая плотно намотанную катушку проволоки , состоящую из N одинаковых витков, каждый с тем же магнитным потоком , проходящим через них. В результате ЭДС затем N раз больше , чем из одного провода. Е {\ Displaystyle {\ mathcal {E}}}
- Е знак равно — N d Φ В d T {\ Displaystyle {\ mathcal {E}} = — Н {{d \ Phi _ {\ mathrm {B}}} \ над DT}}
Генерация EMF через изменения магнитного потока через поверхность проволочной петли может быть достигнуто несколькими способами:
- магнитное поле B изменяется (например , переменное магнитное поле, или перемещение в стороне проволочной петли стержневого магнита , где поле В сильнее),
- проволочная петля деформируется и изменения поверхности Е,
- ориентация поверхности д А изменения (например , спиннинг проволочной петли в фиксированном магнитное поле),
- любая комбинация из вышеперечисленных
Уравнение Максвелла-Фарадея
В общем, соотношение между ЭДСОМ в проволочной петле , охватывающее поверхность Е, а электрическое поле Е в проводе задаются Е {\ Displaystyle {\ mathcal {E}}}
- Е знак равно ∮ ∂ Σ Е ⋅ d ℓ {\ Displaystyle {\ mathcal {E}} = \ oint _ {\ парциальное \ Sigma} \ mathbf {E} \ CDOT д {\ boldsymbol {\ ell_p}}}
где d ℓ представляет собой элемент контура поверхности Е, сочетая это с определением потока
- Φ В знак равно ∫ Σ В ⋅ d A , {\ Displaystyle \ Phi _ {\ mathrm {B}} = \ Int \ пределы _ {\ Sigma} \ mathbf {B}, \ CDOT д \ mathbf {A}, \,}
мы можем написать интегральную форму уравнения Максвелла-Фарадей
- ∮ ∂ Σ Е ⋅ d ℓ знак равно — d d T ∫ Σ В ⋅ d A {\ Displaystyle \ oint _ {\ парциальное \ Sigma} \ mathbf {E} \ CDOT д {\ boldsymbol {\ ell_p}} = — {\ гидроразрыва {d} {дт}} {\ Int _ {\ Sigma} \ mathbf {B}, \ CDOT д \ mathbf {A}}}
Это один из четырех уравнений Максвелла , и поэтому играет фундаментальную роль в теории классического электромагнетизма .
закон и теория относительности Фарадея
Закон Фарадея описывает два различных явлений: двигательная ЭДС генерируется с помощью магнитной силы на движущейся проволоки (см сила Лоренца ), а трансформатор ЭДС это порождается электрической силы вследствие изменяющегося магнитного поля (за счет дифференциальной форме Максвелл-Фарадей уравнение ). Джеймс Клерк Максвелл обратил внимание на отдельных физических явлений в 1861. Это , как полагают, является уникальным примером в области физики , где такой фундаментальный закон вызывается для объяснения двух таких разных явлений.
Эйнштейн заметил , что эти две ситуации оба соответствовали относительному движению между проводником и магнитом, и результат был не влияет , по которым движется. Это был один из основных путей , которые привели его к разработке специальной теории относительности .
Приложения
Принципы электромагнитной индукции применяется во многих устройствах и системах, в том числе:
Электрический генератор
Прямоугольная проволочная петля вращается с угловой скоростью в радиальном направлении наружу указывая магнитное поле B фиксированной величины. Цепь замыкаются щетками делая скользящий контакт с верхними и нижними дисками, которые проводящие дисками. Это упрощенная версия генератора барабана .ЭДС генерируется в соответствии с законом Фарадея индукции за счет относительного перемещения цепи и магнитного поля является феномен , лежащий в основе электрических генераторов . Когда постоянный магнит перемещается относительно проводника, или наоборот, электродвижущая сила создается. Если провод соединен через электрическую нагрузку , ток будет течь, и , таким образом , электрическая энергия генерируется, превращая механическую энергию движения в электрическую энергию. Например, генератор барабана основан на чертеже в нижнем правом углу . Иная реализация этой идеи является диск Фарадея , показанный в упрощенном виде справа.
В примере диска Фарадея, диск вращается в однородном магнитном поле , перпендикулярном к диску, в результате чего ток течь в радиальном плече из — за силы Лоренца. Механическая работа необходима , чтобы управлять этим током. Когда сгенерированные ток течет через проводящий обод, магнитное поле генерируются этим током через циркуляционный закону Ампера (обозначенный «индуцированные В» на рисунке). Таким образом , обод становится электромагнитом , который сопротивляется вращению диска (пример закона Ленца ). На противоположной стороне фигуры, обратный ток течет от поворотного рычага через дальнюю сторону обода к нижней кисти. В-поле , индуцированное этот обратный ток противостоит приложенное B-поле, тенденция к снижению потока через ту сторону цепи, противодействие увеличения магнитного поток из — за вращение. На ближней стороне рисунка, обратный ток течет от поворотного рычага через ближнюю сторону обода до нижней кисти. Индуцированные В-поле увеличивает поток на этой стороне цепи, противодействие уменьшения магнитного потока из — за вращение. Таким образом, обе стороны цепи генерирует ЭДС , противодействующее вращение. Энергия , необходимая для поддержания перемещения диска, несмотря на это реактивной силы, в точности равна электрической энергии , вырабатываемой энергии (плюс теряется из — за трения , джоулева тепла и других неэффективности). Такое поведение является общим для всех генераторов , преобразующих механическую энергию в электрическую энергию.
Электрический трансформатор
Когда электрический ток в петле изменений проволоки, изменение ток создает переменное магнитное поле. Второй провод в пределах досягаемости этого магнитного поля будет испытывать это изменение в магнитном поле как изменение в его сочетании магнитного потока, д Ф B / DT . Следовательно, электродвижущая сила устанавливается во втором контуре называется индуцированной ЭДС или трансформатора ЭДС. Если два конца этой петли соединены через электрическую нагрузку, ток будет течь.
Токовые клещи
Ток Зажим представляет собой тип трансформатора с разделенным сердечником, которые могут быть разведены и крепятся на проволоку или катушку либо измерить ток в ней или, в обратном направлении, чтобы вызвать напряжение. В отличии от обычных инструментов зажим не имеет электрический контакт с проводником или требовать его отключить во время крепления зажима.
Магнитный расходомер
Закон Фарадея используется для измерения расхода электропроводящих жидкостей и суспензий. Такие приборы называются электромагнитными расходомерами. Индуцированное ℇ напряжение , генерируемое в магнитном поле В , из — за проводящей жидкости , движущейся со скоростью V , таким образом , определяется по формуле:
- Е знак равно — В ℓ v , {\ Displaystyle {\ mathcal {E}} = — B \ ell_p v}
где ℓ расстояние между электродами в магнитном расходомере.
вихревые токи
Проводники (конечных размеров) перемещение через однородное магнитное поле, или стационарным в переменном магнитном поле, будут иметь токи, индуцированные в них. Эти индуцированные вихревые токи, может быть нежелательным, так как они рассеивать энергию в сопротивлении проводника. Есть целый ряд методов, используемых для контроля этих нежелательных индуктивных эффектов.
- Электромагниты в электрических двигателях, генераторах и трансформаторах не используют твердый металл, но вместо того, чтобы использовать тонкие листы металлической пластины, называемые ламинации . Эти тонкие пластины уменьшают паразитные вихревые токи, как описано ниже.
- Индукционные катушки в электронике обычно используют магнитные сердечники , чтобы минимизировать паразитный ток. Они представляют собой смесь металлического порошка смолы плюс связующих , который может содержать любую форму. Связующий предотвращает паразитную ток через порошкообразный металл.
Электромагнит слоистые
Вихревые тока возникают, когда сплошная металлическая масса вращается в магнитном поле, так как внешняя часть металлических сокращений больше силовых линий, чем внутренняя часть, следовательно, индуцированная электродвижущая силы не является равномерным, как правило, установить тока между точками наибольшее и наименьшее потенциал. Вихревые токи потребляют значительное количество энергии и часто вызывают вредное повышение температуры.
Только пять слоистые или пластины показаны в этом примере, таким образом, чтобы показать подразделение вихревых токов. При практическом использовании, количество пластин или штамповок колеблется от 40 до 66 на дюйм, и приносит потери на вихревые токи вплоть до около одного процента. В то время как пластины могут быть разделены с помощью изоляции, напряжение настолько низка, что естественные ржавчин / оксидное покрытие из пластин достаточно, чтобы предотвратить протекание тока через шихтованные.
Это ротор приблизительно 20 мм в диаметре от двигателя постоянного тока , используемого в проигрыватель компакт — дисков. Обратите внимание на прослои электромагнита полюсных, используемой для ограничения паразитных индуктивных потерь.
Паразитические индукции в проводниках
На этой иллюстрации твердого проводник меди бара на вращающуюся арматуре просто проходит под кончиком полюсного наконечника N поля магнита. Обратите внимание на неравномерное распределение силовых линий через медный стержень. Магнитное поле более концентрированными и, следовательно, сильнее на левом краю медного стержня (а, б) в то время как поле слабее на правом краю (C, D). Поскольку два края бар двигается с той же скоростью, это различие в напряженности поля через бар создает мутовку или текущие завихрения внутри медного стержня.
Сильноточные устройства питания частоты, такие как электродвигатели, генераторы и трансформаторы, использовать несколько небольших проводники параллельно , чтобы разбить вихревые потоки , которые могут образовывать в пределах больших твердых проводников. Же принцип применяется к трансформаторам , используемым при частоте выше , чем мощностей, например, те , которые используются в импульсных источниках питания и промежуточных частота соединительных трансформаторов радиоприемников.
Смотрите также
Рекомендации
Заметки
Рекомендации
дальнейшее чтение
внешняя ссылка
Итак, это схема простйшего электрогенератора:
При вращении рамки в постоянном магнитном поле в ней возникает электрический ток, называемый индукционным, а сам процесс называется электромагнитной индукцией:
«Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него. Электромагнитная индукция была открыта Майклом Фарадеем 29 августа 1831 года. Он обнаружил, что электродвижущая сила, возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Величина электродвижущей силы (ЭДС) не зависит от того, что является причиной изменения потока — изменение самого магнитного поля или движение контура (или его части) в магнитном поле. Электрический ток, вызванный этой ЭДС, называется индукционным током».
У этого тока есть одно важное свойство, которое для одних стало возможностью скрыть правду, а для других – простым объяснением, почему для получения большего количества энергии от генератора нужно приложить большую силу для его вращения. В Вики это звучит так:
«Индукционный ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре, имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток».
В реальном генераторе это происходит так: при приближении части рамки к северному полюсу магнита в этой части рамки возникает ЭДС и северный магнитный полюс. Два одноимённых магнитных полюса начинают отталкиваться и возникает сопротивление вращению рамки. Во второй части рамки происходит тоже самое, только с южным полюсом. Чем быстрее вращается генератор, тем быстрее меняется магнитное поле в рамке, а значит возникает бОльший ток, соответственно бОльшее магнитное поле и бОльшее сопротивление вращению. Этого оказалось достаточно, чтобы заявить о соблюдении закона сохранения энергии: хотите больше энергии – приложите большее усилие. Очень многим этого хватило и теперь эти убеждения сложно переломить. Однако давайте рассмотрим процесс индукции чуть внимательнее. Я уже писал об этом в посте «Зарождение».
Итак, при приближении рамки к магнитному полюсу, в ней возникает ток и такой же магнитный полюс, который начинает оказывать сопротивление движению. А что происходит с магнитным полем магнита?
Оно ослабевает, переходя в электрическую энергию? Нет. Иначе при увеличении скорости вращения генератора и увеличении тока всё больше магнитного поля переходило бы в электричество и сопротивление вращению наоборот уменьшалось бы.
Оно переходит на проводник, разделяется, но в сумме остаётся таким же? Нет. Тогда бы усилие для вращения генератора не менялось от скорости и нагрузки.
На самом деле оно остаётся без изменений, а суммарное магнитное поле ещё и увеличивается на поле, возникшее вокруг проводника. Магнит при этом не теряет своей энергии и это доказывается десятилетиями работы генераторов на постоянных магнитах. Тогда откуда появляется энергия в проводнике? Кинетическая энергия вращения превращается в электрическую? Правда? А если ничего не вращать? Вы знаете как работает электрический трансформатор? Например такой:
«Работа трансформатора основана на двух базовых принципах:
Изменяющийся во времени электрический ток создаёт изменяющееся во времени магнитное поле (электромагнетизм).
Изменение магнитного потока, проходящего через обмотку, создаёт ЭДС в этой обмотке (электромагнитная индукция).
На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой, подаётся напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке переменный ток намагничивания создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе. В результате электромагнитной индукции, переменный магнитный поток в магнитопроводе создаёт во всех обмотках, в том числе и в первичной, ЭДС индукции, пропорциональную первой производной магнитного потока, при синусоидальном токе сдвинутой на 90° в обратную сторону по отношению к магнитному потоку».
Хочу обратить ваше внимание на выделенный текст: ток индукции появляется во всех обмотках трансформатора, ЭДС во всех обмотках равны и зависят только от скорости изменения магнитного потока. Получается, что если намотать две или три вторичных обмотки, то можно получить в два-три раза больше энергии, чем было затрачено (за минусом разных потерь)? В принципе, даже ещё больше. Ведь на самом деле, закон сохранения энергии работает только с телами, обладающими массой покоя. Но тут вовремя появилась и проблема, называемая самоиндукцией, которая помогла скрыть дармовую энергию.
«Самоиндукция — это явление возникновения ЭДС индукции в проводящем контуре при изменении протекающего через контур тока.
При изменении тока в контуре пропорционально меняется и магнитный поток через поверхность, ограниченную этим контуром. Изменение этого магнитного потока, в силу закона электромагнитной индукции, приводит к возбуждению в этом контуре индуктивной ЭДС. Это явление и называется самоиндукцией. (Понятие родственно понятию взаимоиндукции, являясь как бы его частным случаем).
Направление ЭДС самоиндукции всегда оказывается таким, что при возрастании тока в цепи ЭДС самоиндукции препятствует этому возрастанию (направлена против тока), а при убывании тока — убыванию (сонаправлена с током). Этим свойством ЭДС самоиндукции сходна с силой инерции».
Оказалось, что ток, проходя по проводнику, создаёт вокруг него магнитное поле, изменение которого создаёт ток в этом же проводнике и он не всегда совпадает с направлением первичного тока (потому что если бы он всегда совпадал, то получился бы вечный источник энергии, а если бы всегда не совпадал, то никакого тока вообще не было бы). Другими словами, ЭДС самоиндукции оказывает сопротивление току в катушке почти так же, как обычный генератор сопротивляется вращению. Чем больше ток и его частота в катушке, тем больше это сопротивление, а значит и потери. При подключении катушки к источнику переменного напряжения получается вот такая картина:
А при добавлении дополнительных катушек в общее магнитное поле их взаимное влияние увеличивается, индуктивность и поля складываются и накладываются друг а друга, а сопротивление (а значит и потери) всей системы только возрастают. В результате получилась красивая зависимость, которая, якобы, подтверждает закон сохранения энергии и не даёт получить больше энергии, чем затрачено. Это сопротивление назвали реактивным, без ваттным, из-за него не выделяется тепло в катушке и списали на него все потери энергии.
Однако Никола Тесла в своё время нашёл выход из этого положения и главным вопросом его жизни стал вопрос беспроводной передачи энергии, а не её получение. Это сейчас катушки Тесла называют трансформаторами, а сам он называл их генераторами энергии и так оно и было. Получать энергию он мог в неограниченных количествах и не считал это чем-то сложным и тем более невозможным, т.к. он понял саму суть происходящего процесса. Я попробую объяснить его как можно доступнее, но опять придётся начинать из далека.
Исходя из теории Всемирного Эфира, которая существовала до Теории Относительности, Тесла полагал, что электромагнитная волна это волна эфира, окружающего нас везде. Эфир не имеет массы и инерции, а значит на то, чтобы его сдвинуть не тратится энергия. Получается, что для создания электромагнитной волны нужно раскачать эфир переменным магнитным полем, но так, чтобы почти не тратить на это энергию. И такой способ был найден. Был придуман последовательный колебательный контур:
«Колебательный контур – это замкнутая электрическая цепь, содержащая катушку индуктивности и конденсатор, в которой могут возбуждаться электрические колебания.
Колебания тока и напряжения в колебательном контуре связаны с переходом энергии электрического поля конденсатора в энергию магнитного поля катушки индуктивности и обратно».
Получается, что если зарядить конденсатор от источника тока, а потом соединить его с катушкой, то в цепи возникнут автоколебания. Ток из конденсатора будет переходить в магнитное поле катушки и обратно многократно, пока не рассеется от различных небольших потерь на нагрев и т.д. При этом на раскачивание самого эфира энергия не тратится. В добротных контурах колебания могут продолжаться несколько минут, при этом совершенно не потребляя энергии из вне. Всё это время вокруг катушки будет переменное магнитное поле, раскачивающее эфир вокруг неё. Казалось бы, осталось только поставить рядом ещё пару катушек и проблема энергии решена, но тут надо вспомнить, что индукционный ток в соседней катушке создаёт своё магнитное поле, направленное против поля, его создавшего и очень быстро его подавит (вспомним и про безваттное сопротивление). Получается, что первую катушку всегда надо подпитывать током и он будет как бы переходить на вторую катушку. При этом, если вторую катушку не замыкать, то тока в разомкнутом контуре не будет и первая катушка практически не будет потреблять энергии. Так работают современные трансформаторы. Только я бы сказал, что он не переливает энергию с одной катушки на другую, а продавливает с огромным усилием и потерями, нагреваясь и гудя при этом.
Решением проблемы могло бы стать создание катушки, которая бы не оказывала сопротивления магнитному потоку, т.е. не имеющей самоиндукции. Однако тут появляется противоречие: в катушке, обладающей индукцией всегда будет и ток самоиндукции, а в катушке, не имеющей индуктивности, не может появиться индукционный ток и она бесполезна. Любой замкнутый проводник имеет свою индуктивность, хоть самую малую.
Никола Тесла очень хорошо представлял себе магнитные поля и их взаимодействия и поэтому смог найти очень простое и, я бы сказал, элегантное решение проблемы. Он придумал катушку, у которой пропадает реактивное сопротивление на определённой частоте. Эта катушка была названа бифилярной:
До сих пор мы рассматривали постоянное (не зависящее от времени) магнитное поле. Если же магнитное поле начнет меняться со временем, то появится электрическое поле, которое будет оказывать влияние на заряженные части-
цы, например, на электроны в проводниках. |
| ||
| B | По аналогии с потоком вектора напряженности электрическо- | |
S | го поля можно ввести понятие потока вектора B магнитной индук- | ||
| α | ции (магнитный поток1) через маленькую площадку | S, рис. 16.1: |
| nr | ФВ = В S cos α, где α − угол между вектором Br | и нормалью к |
площадке.
Рис. 16.1
16.1. Электромагнитная индукция
Если меняется магнитный поток, пронизывающий контур замкнутого провода, в проводе возникает электрический ток. Это явление называется электромагнитной индукцией. Электродвижущая сила, вызывающая индукционный ток, называется ЭДС индукции и определяется формулой
E = − | dΦB | . | (16.1) |
| |||
и | dt |
| |
|
| ||
Это закон Фарадея: ЭДС индукции в контуре равна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего контур (производной потока по времени).
Размерность магнитного потока – вебер (Вб): [Ф] = Вб = В·с = кг·м2/(А·с2). Формула (16.1) определяет не только величину, но и направление индук-
ционного тока. Если магнитный поток возрастает ddtΦ > 0, то Eи < 0, значит,
возникающий ток стремится ослабить внешнее поле. Если поток убывает ddtΦ < 0 , то Eи > 0, значит, индукционный ток стремится усилить внешнее поле.
В этом суть правила Ленца: индукционный ток всегда имеет такое направление, что он ослабляет действие причины, вызывающей этот ток. Другими словами, в замкнутом проводнике начинает течь ток, который создает свое магнитное поле, стремящееся изменить воздействие внешнего поля на противоположное. По этой причине – знак «минус» в формуле (16.1).
Приведем примеры.
1) Магнит движется вблизи замкнутого контура, например, кольца, как показано на рис. 16.2: а) к кольцу, б) от кольца.
1 Точное определение магнитного потока через поверхность S: ФB = ∫∫(Bnr)dS , где интеграл
S
берется по поверхности S.
104
Ю | Br |
|
| С | I | Br |
С |
| Ю |
| |||
I |
|
| ||||
|
|
|
|
|
| |
| а) |
| Рис. 16.2 | б) |
|
|
|
|
|
|
|
|
2) Рамка площади S вращается в однородном магнитном поле В вокруг оси Х с угловой скоростью ω, как показано на рис. 16.3. Найдем ЭДС индукции в рамке. По определению магнитного потока
| ФВ = BScosϕ = BScosωt. | Z |
| вид со стороны | |
Из закона электромагнитной ин- |
| ||||
| оси Х | ||||
дукции Фарадея | B |
|
| ||
Eи = − | dΦB | = BSωsin ωt =E0 sin ωt , (16.2) |
| B | |
|
| ||||
|
|
| |||
| dt |
|
| ϕ | |
где E0 = BSω – амплитуда ЭДС индукции | ω | Y | n | ||
(по сути, амплитуда напряжения). Если | X |
| ω | ||
сопротивление замкнутой рамки R, то в | Рис. 16.3 | |
ней будет течь ток I = Eи /R. Так как на- | ||
| ||
пряжение переменное, то и ток будет переменным. |
| |
Таким образом, вращающаяся в магнитном поле рамка – пример простейше- | ||
го генераторапеременного тока, речьо которомвследующемпараграфе. | ||
Индуктивность проводов.
Если электрической характеристикой проводников является емкость, то их магнитная характеристика – индуктивность. Индуктивность проводника
L – это коэффициент пропорциональности между током I, текущим в проводнике, и магнитным потоком ФВ, который создает этот ток:
ФВ = LI. (16.3)
Размерность индуктивности – генри (Гн): [L] = Вб/А = В·с = кг·м2/(А2·с2). Подсчет индуктивности проводников произвольной формы дело сложное,
и мы ограничимся только выражением для индуктивности длинной катушки (соленоида), которое можно достаточно просто вывести. Возьмем катушку длины l с площадью поперечного сечения S и с числом витков N, в которую вставлен сердечник с магнитной проницаемостью μ, рис. 15.8. Тогда поток через один виток равен BS, где величина магнитного поля В определяется формулой (15.8), а через N витков
ФB = BSN = 4πk1μ Nl2 S I = LI ,
L = 4πk1μ | N 2 S | . | (16.4) |
l
Как и в случае емкости, индуктивность зависит только от геометрических характеристик проводника и материала среды, с которой он контактирует.
105
Самоиндукция.
Если в проводнике начинает меняться ток, то (по закону Фарадея) в нем самом возникает ЭДС самоиндукции Eси, которая (по правилу Ленца) стремится ослабить изменение тока: если ток падает, она стремится его увеличить, а если растет, то, наоборот, уменьшить. Этим и объясняется знак «минус» в формуле
си dt
Эту формулу легко получить из (16.1) и (16.3).
Итак, явление самоиндукции заключается в том, что контур, в котором меняется ток, возбуждает дополнительный (индукционный) ток в самом себе.
Например, лампочка, подключенная к источнику тока через катушку с большой индуктивностью, в полный накал загорится не сразу после замыкания ключа, так как индукционные токи будут препятствовать нарастанию основного. А при размыкании ключа часто возникает искра в ключе, что говорит о большой ЭДС самоиндукции при падении тока. Индукционные токи могут быть очень большими, и лампочка может перегореть.
Взаимная индукция.
Если у нас теперь не один, а два близко расположенных замкнутых проводника (контура), и в первом начнет изменяться ток I1, то (по закону Фарадея) во втором проводнике появится ток I2, который, в свою очередь, начнет влиять на ток в первом проводнике: создавать магнитное поле, ослабляющее изменение тока в первом проводнике (по правилу Ленца). Это явление взаимной индукции.
Взаимной индукцией называют возбуждение тока в контуре при изменении тока в соседнем контуре.
На явлении взаимной индукции основан принцип работы трансформатора. Трансформатор представляет собой две катушки (первичная и вторичная об-
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| мотки) на одном железном сердечнике и пред- | ||||||
|
|
|
| μ |
|
|
|
|
|
|
| назначен для повышения или понижения пере- | ||||||
|
|
| N2 |
|
|
|
|
|
|
| ||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| менного напряжения. Один из видов трансфор- | |||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| ||||||||
V1 ~ |
|
|
| ~ V2 | ||||||||||||||
|
|
| ||||||||||||||||
|
| N1 |
| маторов показан на рис. 16.4, также здесь при- | ||||||||||||||
|
|
| ||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| ||||||||
|
|
|
|
|
| Рис. 16.4 | ведено обозначение трансформатора на элек- | |||||||||||
|
|
|
|
|
| |||||||||||||
|
|
|
|
|
| трических схемах. |
| |||||||||||
| Формула для трансформатора может быть получена из закона Фарадея1 | |||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| V2 | = | N2 | , | (16.6) | |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| V |
| |||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| N | 1 |
|
| |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| 1 |
|
|
|
| ||
где V1 и V2 – напряжения (переменные) на первичной и вторичной обмотках трансформатора, а N1 и N2 – число витков в этих обмотках. Отношение N2/N1 называют коэффициентом трансформации. Если он больше единицы, то V2 > V1, трансформатор повышающий; если меньше единицы, то V2 < V1, трансформатор понижающий.
1 Вывод рекомендуется проделать самостоятельно.
106
КПД трансформатора может достигать величины, близкой к единице (~ 0,98), то есть средняя мощность, потребляемая в первичной цепи, будет при-
ближенно равна мощности во вторичной цепи: |
| |||
V1I1 ≈ V2I2. | (16.7) | |||
В заключение параграфа отметим, что магнитная энергия проводника с | ||||
индуктивностью L, по которому течет ток I, | 2 |
|
| |
WM = | LI | . | (16.8) | |
2 |
| |||
|
|
|
| |
16.2. Переменный ток
Как уже было сказано, источником переменного тока может быть рамка, вращающаяся в магнитном поле, пример 2 из предыдущего параграфа. В технике для получения переменного тока используют генераторы. Примером источника переменного тока может служить трехфазный генератор (генератор трехфазного тока), упрощенная схема которого показана на рис. 16.5.
Трехфазный генератор состоит из неподвижной части – статора, на кото-
ром расположены три катушки (обмотки), и |
|
| ~ E2 | |
движущейся части – ротора, представляющего |
|
| ||
собой магнит. В основе работы генератора пере- |
|
|
|
|
менного тока лежит явление электромагнитной |
|
|
|
|
|
|
|
| |
индукции: вращающийся вблизи катушек магнит |
|
|
|
|
|
| ю | ||
создает в них переменное магнитное поле, а, |
|
| с | |
значит, и переменный магнитный поток, поэтому | E1 ~ |
|
| ~ E3 |
по закону Фарадея в катушках возникает пере- |
|
| ||
менная ЭДС индукции (переменное напряже- |
| Рис. 16.5 | ||
ние), определяемая формулой аналогичной |
| |||
(16.2). Напряжения на полюсах обмоток сдвинуты по фазе на 2π/3 (120°), отсюда и название «трехфазный»:
E1 = E0 sinωt, |
|
|
|
|
E2 = E0 sin(ωt – 2π/3), |
|
|
| |
E3 = E0 sin(ωt – 4π/3). |
|
|
| |
Здесь ω – циклическая частота колебаний напряжения (частота вращения | ||||
ротора), E0 – амплитуда напряжения. На практике обычно имеют дело с эффек- | ||||
тивным (действующим) напряжением Eэ = E0 / | 2 . Так, стандартное напряжение | |||
в бытовой электросети 220 В – это эффективное напряжение. |
|
| ||
При подключении трехфазного генератора по схеме «звезда» объединяют | ||||
по одному из двух окончаний фазных обмоток |
|
|
|
|
генератора, как показано на рис. 16.6. Это ней- | E2 | 2 |
|
|
тральный или нулевой провод (0). На осталь- | 0 |
|
| |
|
|
| ||
ных трех проводах фазных обмоток (1, 2 и 3) | E1 | E3 | 3 |
|
напряжение относительно нулевого провода |
| |||
|
| 1 | ||
меняется в соответствии с последними тремя |
|
|
| |
|
|
|
| |
уравнениями. Это линейные провода. При этом |
| Рис. 16.6 |
|
|
|
|
|
| 107 |
напряжение между линейными и нулевым проводом называют фазным напряжением, а напряжение между линейными проводами называют линейным. Если фазное напряжение Eф = 220 В, то линейное будет Eл = 380 В (проверьте самостоятельно). Это стандартные напряжения, от которых работает промышленное оборудование: станки, электронагреватели, холодильные установки, компьютеры, автоматические измерительные приборы и т.д.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| Рассмотрим цепь переменного тока, содержа- | ||||
|
|
|
|
|
|
|
| Eси |
|
|
|
| щую последовательно соединенные резистор с со- | ||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| ||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| противлением R, катушку индуктивности L и конден- | ||||
VC |
|
|
|
|
|
| L |
| R |
| VR | сатор емкости С, рис. 16.7. Элементы подключены к | |||||||
|
|
|
|
| |||||||||||||||
|
|
|
| С |
| источнику переменного тока, напряжение на котором | |||||||||||||
|
|
|
|
| |||||||||||||||
|
|
|
|
| |||||||||||||||
|
|
|
|
|
| ~ |
|
|
|
|
|
| меняется по закону E(t) = E0 sin ωt. Катушка будет | ||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| ||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| ||||||||
|
|
|
|
|
|
|
| E(t) |
|
|
|
| создавать ЭДС самоиндукции и может условно счи- | ||||||
|
|
|
|
|
| Рис. 16.7 |
|
|
|
| таться дополнительным источником. Тогда | ||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| E + Eси = VR + VC, |
|
|
|
| |||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| E = –Eси + VR + VC. |
|
|
|
|
|
|
|
| Учитывая, что Eси определяется формулой (16.5), падение напряжения на | |||||||||||||||
резисторе VR = IR, а падение напряжения на конденсаторе V = | q | = | 1 | I (t)dt , по- | |||||||||||||||
|
| ||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| C | C |
| C ∫ | |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |||
лучим
E (t) = L dIdt + IR + C1 ∫I (t)dt .
Ищем ток в виде I(t) = I0 sin(ωt – δ), где I0 – амплитуда тока, δ – сдвиг фаз между током и напряжением. Тогда последнее уравнение примет вид
E0 sin ωt = I0 (ωL)cos(ωt − δ) + I0 Rsin(ωt − δ) − I0 ω1C cos(ωt − δ) .
Величину R называют активным сопротивлением, величину ωL = RL – индуктивным сопротивлением, величину 1/(ωC) = RC – емкостным сопротивлением. С учетом обозначений получим
I0R sin(ωt – δ) – E0 sinωt + I0(RL – RC) cos(ωt – δ) = 0.
Раскроем синус и косинус разности и перегруппируем:
(I0R cosδ + I0(RL – RC) sinδ – E0)sinωt + (I0(RL – RC)cosδ – I0R sinδ)cosωt = 0.
Так как это равенство должно выполняться для любого момента времени, коэффициенты при sin ωt и cos ωt должны быть равны нулю. Решая систему двух уравнений с двумя неизвестными I0 и δ, получим
I0 = E0/R0,
tgδ = RL − RC .
R
Таким образом, мы получили закон Ома для цепи переменного тока, содержащей последовательно соединенные резистор, катушку и конденсатор:
I (t) = | E0 | sin(ωt − δ) , | (16.9) | |
R | ||||
|
|
| ||
| 0 |
|
|
108
где R = | R2 + (R | L | − R )2 | – полное сопротивление цепи, δ = arctg | RL − RC | – |
| ||||||
0 |
| C |
| R |
| |
|
|
|
|
|
|
сдвиг фаз между током и напряжением. Этот закон определяет зависимость силы тока от времени I(t) в цепи, показанной на рис. 16.7.
Если циклическая частота ω = | 1 | , то R0 = R, и амплитуда тока макси- | |
LC | |||
|
|
мальна, то есть в цепи резонанс, см. п. 4.3. Рассмотрим три простых примера на закон Ома.
1) В цепи только резистор (RC → 0, RL → 0). Тогда R0 = R, δ = arctg 0 = 0,
|
|
| I (t) = | E0 | sin ωt . |
|
|
| R | ||
|
|
|
|
| |
Таким образом, ток и напряжение в фазе, рис. 16.8, а). | |||||
2) В цепи только конденсатор (R → 0, RL → 0). Тогда R0 = RС = 1/(ωC), | |||||
δ = lim arctg | − RC = − | π | , |
|
|
R→0 | R | 2 |
|
|
|
I (t) = E0 sin(ωt + π/ 2) .
RC
Таким образом, ток опережает напряжение на π/2, рис. 16.8, б).
3) В цепи только катушка (R → 0, RC → 0). Тогда R0 = RL = ωL,
δ = lim arctg | RL | = | π | , |
| 2 | |||
R→0 | R |
| ||
I (t) = E0 sin(ωt − π/ 2) .
RC
Таким образом, ток отстает от напряжения на π/2, рис. 16.8, в).
E(t) |
| E(t) |
|
| E(t) |
|
I(t) |
|
|
|
|
|
|
0 | t | 0 | t | 0 | I(t) | t |
| I(t) |
| ||||
|
|
|
|
| ||
| а) |
| б) |
|
| в) |
| R |
| С |
|
| L |
|
|
|
|
| ||
| ~ |
| ~ |
|
| ~ |
| E(t) |
| E(t) |
|
| E(t) |
Рис. 16.8
При расчете работы и мощности переменного тока пользуются форму-
лами, похожими на формулы для постоянного тока, только берутся эффективные (действующие) значения тока и напряжения и учитывается фазовый сдвиг:
A = IэVэtcosδ, | (16.10) |
| 109 |
|
|
|
|
|
| W = IэVэcosδ. |
|
|
|
|
| (16.11) | |||||
Выведем формулу (16.11), а формула (16.10) очевидно следует из нее. | |||||||||||||||||
Мгновенная мощность |
|
|
| I0V0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
| ||||
| W (t) = IV = I V | sin(ωt − δ)sin ωt = | (cosδ − cos(2ωt − δ)) . | ||||||||||||||
| |||||||||||||||||
|
|
| 0 | 0 | 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
| |||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| ||||
Усредним это выражение по времени (периоду колебаний T = 2π/ω): | |||||||||||||||||
| 1 T | I V |
| T | I V |
| I | 0 |
| V | |||||||
Wср = |
| ∫W (t)dt = | 0 | 0 |
| ∫(cosδ − cos(2ωt − δ))dt = | 0 | 0 | cosδ = |
| 0 | cosδ, | |||||
T | 2T |
| 2 |
|
| 2 |
| 2 | |||||||||
0 |
|
| 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| ||||
откуда и следует (16.11).
Заканчивая речь об электрическом токе (постоянном и переменном) обра-
тим внимание, что безопасный ток через тело человека не превышает 1 мА, а ток в 100 мА приводит к серьезным поражениям организма. Для лошадей и коров этот порог выше, до 300 мА. Поражающее действие имеет ток, а не напряжение, что необходимо учитывать при работе с электрооборудованием.
Характер воздействия электрического тока на организм человека представлен в приложении 1 к главе III.
Вопросы к лекции 16
1.Дайте определение магнитного потока. В каких единицах он измеряется?
2.Сформулируйте закон электромагнитной индукции Фарадея и правило Ленца. Приведите примеры. В каких единицах измеряется ЭДС индукции?
3.Что такое индуктивность проводника, и какова ее размерность?
4.Дайте краткую характеристику явления самоиндукции. Приведите примеры.
5.Дайте краткую характеристику явления взаимной индукции. Приведите примеры.
6.Какое напряжение будет на вторичной обмотке понижающего трансформатора с коэффициентом трансформации 0,1, если на первичную обмотку подать переменное напряжение
220В? А если подать постоянное напряжение 50 В? Ответ обоснуйте.
7.Опишите принцип действия трехфазного генератора переменного тока.
8.С какой частотой вращается турбина на тепловой электростанции?
9.Как объяснить ситуации, когда в одних квартирах дома есть электричество, а в других нет?
10.Пользуясь схемой «звезда», докажите, что если фазное напряжение 220 В, то линейное будет 380 В.
11.Напишите закон Ома для цепи переменного тока, содержащей последовательно соединенные резистор, конденсатор и катушку, и назовите входящие в него физические величины.
12.Выведите формулу для средней мощности и работы переменного тока.
13.Почему мощность электронагревательных приборов, работающих от сети переменного тока, рассчитывают по тем же формулам, что и для постоянного?
14.Если сразу не отключить электродрель в случае заклинивания сверла в материале, может сгореть обмотка ее электродвигателя. Почему так происходит?
15.Как вы думаете, какие ткани организма человека и высших животных наиболее чувствительны к электрическому току?
16.Пользуясь таблицей приложения 1 к этой главе, скажите, как реагирует организм человека на увеличение силы тока. Сравните при этом действие переменного и постоянного тока.
17.Пользуясь таблицей приложения, скажите, что такое неотпускающий ток, и почему он «не отпускает»?
110
Электромагнитная индукция
Магнитное поле через петлю может быть изменено либо путем изменения величины поля, либо путем изменения площади петли. Чтобы количественно описать эти изменения, магнитный поток определяется как Φ = ВА cosθ, где θ — угол между B и направлением, перпендикулярным плоскости петли (вдоль оси петли) ,
закон Фарадея
Изменение магнитного потока через петлю провода вызывает ток. Закон Фарадея гласит, что ЭДС, индуцированная в проводе, пропорциональна скорости потока через петлю. Математически,
, где N — число петель, ΔΦ — изменение потока во времени, Δ t . Знак минус указывает на полярность индуцированной ЭДС.
Предыдущее уравнение легко использовать, когда поток задается электромагнитом. Если электромагнит включен или выключен, индуцированная ЭДС равна числу витков в контуре, умноженному на скорость изменения потока.Поток также может быть изменен через цикл, изменяя размер цикла. Представьте скользящую проволоку, как показано на рисунке 1, где l — длина проволоки, которая перемещается в контакте с U-образной проволокой. В этом случае ε = Blv , где v — скорость скользящей длины.
Обратите внимание, что эта индуцированная ЭДС неотличима от таковой батареи и что ток по-прежнему представляет собой только скорость движения зарядов; следовательно, закон Ома и другие соотношения для токов в проводах остаются в силе.
закон Ленца
Направление индуцированного тока можно найти из закона Ленца, который гласит, что магнитное поле, генерируемое индуцированной ЭДС, создает ток, магнитное поле которого противодействует первоначальному изменению потока через проволочную петлю. Снова рассмотрим рисунок и предположим, что слайд движется вправо. Формы x указывают, что B находится на странице; таким образом, когда слайд перемещается вправо, поле на слайде становится больше на странице.(Изменение потока является критической величиной.) Магнитное поле от индуцированного тока будет направлено за пределы страницы, поскольку оно будет противодействовать изменению потока. Используйте правило второй руки и поместите скручивание пальцев вне страницы в центре петли. Направление большого пальца указывает, что ток будет течь против часовой стрелки. (Неправильно утверждать, что ток находится справа, потому что он находится слева вверху цикла.) И наоборот, если ползунок перемещается влево, B будет уменьшаться через цикл.Изменение потока будет вне страницы, и индуцированный ток будет по часовой стрелке. Тот же анализ используется, если электромагнит включен или выключен.
| ||
Закон Ленца также является законом сохранения.Если магнитное поле, создаваемое индуцированным током, может быть в том же направлении, что и первоначальное изменение потока, изменение будет больше, а индуцированный ток — большим. Это невозможное условие было бы лучшим обменом энергии, чем вечный двигатель.
Генераторы и моторы
Генераторы и двигатели являются приложениями электромагнитной индукции. Рисунок иллюстрирует простой электрический генератор.
| Рисунок 2 | Простой электрический генератор. |
Кривошип представляет собой механический метод превращения петли провода в магнитное поле. Изменение магнитного потока через петлю генерирует индуцированный ток; таким образом, генератор преобразует механическую энергию в электрическую энергию. Работа двигателя аналогична работе генератора, но в обратном порядке. Двигатель имеет схожие физические компоненты, за исключением того, что электрический ток, подаваемый в контур, создает крутящий момент, который вращает контур.Следовательно, двигатель преобразует электрическую энергию в механическую.
Взаимная индуктивность и самоиндукция
Взаимная индуктивность возникает, когда две цепи расположены так, что изменение тока в одной вызывает индукцию ЭДС в другой.
Представьте себе простую схему из переключателя, катушки и батареи. Когда переключатель замкнут, ток через катушку создает магнитное поле. По мере увеличения тока магнитный поток через катушку также изменяется.Этот изменяющийся магнитный поток генерирует ЭДС, противоположную ЭДС батареи. Этот эффект возникает только тогда, когда ток либо увеличивается до своего установившегося значения сразу после замыкания переключателя, либо уменьшается до нуля при размыкании переключателя. Этот эффект называется самоиндуктивности . Пропорциональная постоянная между самоиндуцированной ЭДС и скоростью изменения тока называется индуктивностью , (L), , и задается как
. 
Единицей СИ для индуктивности является Генри, а 1 Генри = 1 (Vs / A).
Используя закон Фарадея, индуктивность можно выразить через изменение потока и тока:
, где N — число витков катушки.
уравнения Максвелла и электромагнитные волны
Уравнения Максвелла суммируют электромагнитные эффекты в четырех уравнениях. Уравнения слишком сложны для этого текста, но концепции, воплощенные в них, важно учитывать. Максвелл объяснил, что электрические и магнитные волны могут генерироваться колеблющимися электрическими зарядами.Эти электромагнитные волны могут быть изображены как скрещенные электрические и магнитные поля, распространяющиеся в пространстве, перпендикулярном направлению движения и друг к другу, как показано на рисунке 3.
| ||
,
Электромагнетизм | физика | Britannica
Электромагнетизм , наука о заряде и о силах и полях, связанных с зарядом. Электричество и магнетизм являются двумя аспектами электромагнетизма.
Британика Викторина
Все о физике викторины
Физик Дж.Дж.Модель атома Томсона, которую иногда называют моделью сливового пудинга, описывает атом, который принимает какую конфигурацию?
Электричество и магнетизм долгое время считались отдельными силами. Только в 19 веке они наконец стали рассматриваться как взаимосвязанные явления. В 1905 году специальная теория относительности Альберта Эйнштейна установила вне сомнения, что оба являются аспектами одного общего явления. Однако на практическом уровне электрические и магнитные силы ведут себя совершенно по-разному и описываются различными уравнениями.Электрические силы создаются электрическими зарядами либо в покое, либо в движении. Магнитные силы, с другой стороны, создаются только движущимися зарядами и действуют исключительно на движущиеся заряды.
Электрические явления возникают даже в нейтральном веществе, потому что силы действуют на отдельные заряженные компоненты. В частности, электрическая сила отвечает за большинство физических и химических свойств атомов и молекул. Это чрезвычайно сильно по сравнению с гравитацией. Например, отсутствие только одного электрона из каждого миллиарда молекул в двух людях весом 70 килограммов (154 фунта), стоящих на расстоянии двух метров (двух ярдов), оттолкнет их силой в 30 000 тонн.В более привычном масштабе электрические явления ответственны за молнию и гром, сопровождающий определенные бури.
Электрические и магнитные силы могут быть обнаружены в областях, называемых электрическими и магнитными полями. Эти поля имеют фундаментальный характер и могут существовать в космосе вдали от заряда или тока, который их генерировал. Примечательно, что электрические поля могут создавать магнитные поля и наоборот, независимо от какого-либо внешнего заряда. Изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле, как обнаружил английский физик Майкл Фарадей в работе, которая составляет основу производства электроэнергии.И наоборот, изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле, как сделал вывод шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл. Математические уравнения, сформулированные Максвеллом, включили световые и волновые явления в электромагнетизм. Он показал, что электрические и магнитные поля путешествуют вместе в пространстве как волны электромагнитного излучения, причем изменяющиеся поля взаимно поддерживают друг друга. Примерами электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве независимо от материи, являются радио и телевизионные волны, микроволны, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовый свет, рентгеновские лучи и гамма-лучи.Все эти волны движутся с одинаковой скоростью, а именно со скоростью света (примерно 300 000 километров, или 186 000 миль в секунду). Они отличаются друг от друга только частотой, с которой их электрические и магнитные поля колеблются.
Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего первого издания 1768 года с вашей подпиской. Подпишитесь сегодняУравнения Максвелла по-прежнему дают полное и элегантное описание электромагнетизма вплоть до, но не включая, субатомного масштаба. Интерпретация его работы, однако, была расширена в 20 веке.Специальная теория относительности Эйнштейна объединила электрические и магнитные поля в одно общее поле и ограничила скорость всей материи скоростью электромагнитного излучения. В конце 1960-х годов физики обнаружили, что другие силы в природе имеют поля с математической структурой, аналогичной структуре электромагнитного поля. Эти другие силы — сильная сила, ответственная за энергию, выпущенную в ядерном синтезе, и слабая сила, наблюдаемая в радиоактивном распаде нестабильных атомных ядер.В частности, слабые и электромагнитные силы были объединены в общую силу, называемую электрослабой силой. Цель многих физиков объединить все фундаментальные силы, включая гравитацию, в одну великую объединенную теорию до сих пор не достигнута.
Важным аспектом электромагнетизма является наука об электричестве, которая занимается поведением агрегатов заряда, включая распределение заряда в веществе и движение заряда с места на место.Различные типы материалов классифицируются как проводники или изоляторы в зависимости от того, могут ли заряды свободно перемещаться через составляющие их вещества. Электрический ток является мерой потока зарядов; законы, регулирующие течение в материи, важны в технологии, особенно в производстве, распределении и контроле энергии.
Понятие напряжения, как и заряда и тока, является фундаментальным для науки об электричестве. Напряжение — это мера склонности заряда течь из одного места в другое; положительные заряды обычно имеют тенденцию перемещаться из области высокого напряжения в область более низкого напряжения.Распространенной проблемой в электричестве является определение взаимосвязи между напряжением и током или зарядом в данной физической ситуации.
Эта статья призвана дать качественное понимание электромагнетизма, а также количественную оценку величин, связанных с электромагнитными явлениями.
Электромагнитное (ЭМ) излучение — это форма энергии, которая окружает нас и принимает различные формы, такие как радиоволны, микроволны, рентгеновские лучи и гамма-лучи. Солнечный свет также является формой электромагнитной энергии, но видимый свет является лишь небольшой частью электромагнитного спектра, который содержит широкий диапазон электромагнитных длин волн.
Электромагнитная теория
Электричество и магнетизм когда-то считались отдельными силами. Однако в 1873 году шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл разработал единую теорию электромагнетизма.Исследование электромагнетизма имеет дело с тем, как электрически заряженные частицы взаимодействуют друг с другом и с магнитными полями.
Существует четыре основных электромагнитных взаимодействия:
- Сила притяжения или отталкивания между электрическими зарядами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
- Магнитные полюса входят в пары, которые притягивают и отталкивают друг друга, как это делают электрические заряды.
- Электрический ток в проводе создает магнитное поле, направление которого зависит от направления тока.
- Движущееся электрическое поле создает магнитное поле, и наоборот.
Максвелл также разработал набор формул, называемых уравнениями Максвелла, для описания этих явлений.
Волны и поля
ЭМ излучение создается, когда атомная частица, такая как электрон, ускоряется электрическим полем, заставляя его двигаться. Движение создает колеблющиеся электрические и магнитные поля, которые распространяются под прямым углом друг к другу в пучке световой энергии, называемой фотоном.Фотоны движутся в гармонических волнах с максимально возможной скоростью во вселенной: 186 282 мили в секунду (299 792 458 метров в секунду) в вакууме, также известном как скорость света. Волны имеют определенные характеристики, такие как частота, длина волны или энергия.
Электромагнитные волны образуются, когда электрическое поле (показано красными стрелками) соединяется с магнитным полем (показано голубыми стрелками). Магнитные и электрические поля электромагнитной волны перпендикулярны друг другу и направлению волны.(Изображение предоставлено: NOAA.)Длина волны — это расстояние между двумя последовательными пиками волны. Это расстояние дается в метрах (м) или его долях. Частота — это количество волн, образующихся за данный промежуток времени. Обычно измеряется как число циклов волны в секунду или герц (Гц). По словам Висконсинского университета, короткая длина волны означает, что частота будет выше, потому что один цикл может пройти за более короткое время. Точно так же более длинная волна имеет более низкую частоту, потому что каждый цикл длится дольше.
EM-спектр
EM-излучение охватывает огромный диапазон длин волн и частот. Этот диапазон известен как электромагнитный спектр. Спектр ЭМ обычно делится на семь областей в порядке уменьшения длины волны и увеличения энергии и частоты. Общими обозначениями являются: радиоволны, микроволны, инфракрасный (ИК), видимый свет, ультрафиолетовое (УФ), рентгеновское и гамма-излучение. Как правило, излучение с более низкой энергией, такое как радиоволны, выражается в виде частоты; микроволны, инфракрасный, видимый и ультрафиолетовый свет обычно выражаются в виде длины волны; и излучение с более высокой энергией, такое как рентгеновское и гамма-излучение, выражается в единицах энергии на фотон.
Электромагнитный спектр обычно делится на семь областей в порядке уменьшения длины волны и увеличения энергии и частоты: радиоволны, микроволны, инфракрасный, видимый свет, ультрафиолет, рентгеновские лучи и гамма-лучи. (Фото предоставлено: Biro Emoke Shutterstock)Радиоволны
Радиоволны находятся в самом низком диапазоне электромагнитного спектра, с частотами примерно до 30 миллиардов герц или 30 гигагерц (ГГц) и длинами волн более примерно 10 миллиметров ( 0.4 дюйма). Радио используется в основном для связи, в том числе для передачи голоса, данных и развлечений.
Микроволны
Микроволны попадают в диапазон электромагнитного спектра между радио и ИК. Они имеют частоты от примерно 3 ГГц до примерно 30 триллионов герц или 30 терагерц (ТГц) и длины волн от примерно 10 мм (0,4 дюйма) до 100 микрометров (мкм) или 0,004 дюйма. Микроволновые печи используются для широкополосной связи, радиолокации и в качестве источника тепла для микроволновых печей и промышленного применения.
Инфракрасный
Инфракрасный находится в диапазоне электромагнитного спектра между микроволнами и видимым светом. ИК имеет частоты от около 30 ТГц до около 400 ТГц и длины волн от около 100 мкм (0,004 дюйма) до 740 нм (нм) или 0,00003 дюйма. Инфракрасный свет невидим для человеческих глаз, но мы можем чувствовать его как тепло, если интенсивность достаточна.
Видимый свет
Видимый свет находится в середине электромагнитного спектра, между ИК и УФ. Он имеет частоты от 400 ТГц до 800 ТГц и длины волн около 740 нм (0.От 00003 дюймов) до 380 нм (.000015 дюймов). В более общем смысле видимый свет определяется как длина волны, которая видна большинству человеческих глаз.
Ультрафиолетовое излучение
Ультрафиолетовое излучение находится в диапазоне электромагнитного спектра между видимым светом и рентгеновским излучением. Он имеет частоты от 8 × 10 14 до 3 × 10 16 Гц и длины волн от около 380 нм (0,000015 дюймов) до около 10 нм (0,0000004 дюймов). УФ-свет является компонентом солнечного света; однако, это невидимо для человеческого глаза.Он имеет множество медицинских и промышленных применений, но может повредить живые ткани.
Рентгеновские лучи
Рентгеновские лучи грубо подразделяются на два типа: мягкие рентгеновские лучи и жесткие рентгеновские лучи. Мягкие рентгеновские лучи составляют диапазон электромагнитного спектра между ультрафиолетовым и гамма-излучением. Мягкие рентгеновские лучи имеют частоты от 3 × 10 16 до 10 18 Гц и длины волн от 10 нм (4 × 10 -7 дюймов) до 100 пикометров (пм) или 4 × 10 −8 дюймов Жесткие рентгеновские лучи занимают ту же область электромагнитного спектра, что и гамма-лучи.Единственная разница между ними заключается в их источнике: рентгеновские лучи создаются ускоряющими электронами, а гамма-лучи — атомными ядрами.
Гамма-лучи
Гамма-лучи находятся в диапазоне спектра выше мягкого рентгеновского излучения. Гамма-лучи имеют частоты, превышающие 10 18 Гц, и длины волн менее 100 мкм (4 × 10 — дюймов). Гамма-излучение вызывает повреждение живой ткани, что делает его полезным для уничтожения раковых клеток при применении в тщательно отмеренных дозах в небольших регионах.Однако неконтролируемое воздействие крайне опасно для человека.
Дополнительные ресурсы
,Электромагнетизм — это изучение электромагнитной силы, одной из четырех фундаментальных сил природы. Электромагнитная сила толкает или тянет все, что имеет электрический заряд, например, электроны и протоны. Он включает в себя электрическую силу, которая толкает все заряженные частицы, и магнитную силу, которая только толкает движущиеся заряды.
Электромагнитная сила исходит от так называемого электромагнитного поля.В физике поле — это то, как мы отслеживаем вещи, которые могут измениться в пространстве и времени. Это как набор меток для каждой точки пространства. Например, температура воздуха в комнате может быть описана полем, где метки — это просто цифры, указывающие, насколько жарко в этой точке комнаты. У нас могут быть и более сложные ярлыки. На карте скорости ветра метка может быть числом, указывающим, насколько сильный ветер, а также стрелкой, указывающей, в какую сторону он дует. Мы называем это векторным полем, потому что каждая метка является вектором — у нее есть направление (стрелка) и величина (ее сила).
Электрические и магнитные поля также являются полями. Вместо того, чтобы отслеживать температуру или скорость ветра, они сообщают нам, сколько толчка или толчка заряженной частицы будет ощущаться в этой точке пространства, и в каком направлении она будет толкаться. Как и скорости ветра, электрические поля также являются векторными полями, поэтому они могут быть нарисованы в виде стрелок. Стрелки указывают, куда положительная частица, подобная протону, будет выталкиваться, если она находится в поле. Отрицательные частицы, такие как электроны, будут идти в направлении, противоположном стрелкам.В электрическом поле стрелки будут указывать от положительных частиц к отрицательным. Таким образом, протон в электрическом поле будет двигаться от другого протона или к электрону. Подобные заряды отталкиваются (отталкиваются друг от друга), а противоположные заряды притягиваются (сближаются).
Магнитные поля немного отличаются. Они только подталкивают движущиеся заряды, и они больше подталкивают к зарядам, которые движутся быстрее. Но они вовсе не настаивают на обвинениях, которые стоят на месте. Однако изменяющееся магнитное поле может создавать электрическое поле, а электрическое поле может толкать любые заряды.Эта идея, называемая электромагнитной индукцией, используется для работы электрических генераторов, асинхронных двигателей и трансформаторов. Вместе электрические и магнитные поля составляют электромагнитное поле.
До 1800 года люди думали, что электричество и магнетизм — это две разные вещи. Однако это изменилось в 19 веке, когда такие ученые, как Ганс Кристиан Эрстед и Майкл Фарадей доказали, что электричество и магнетизм действительно связаны. В 1820 году Эрстед обнаружил, что когда он включал и выключал электрический ток от батареи, он перемещал иглу на ближайший компас.Когда он изучил этот эффект более тщательно, он обнаружил, что электрический ток создает магнитное поле. То есть, когда электрические заряды движутся, они могут создавать силу, которая давит на магниты. Эрстед нашел одну из первых связей между электричеством и магнетизмом.
Фарадей продолжал изучать это соединение, проводя испытания с петлями из проволоки и магнитами. Он обнаружил, что если он установит две петли провода и проведет электричество только через одну из них, он может (на некоторое время) произвести электрический ток и в другой петле.Фарадей также обнаружил, что он может производить ток, перемещая магнит через петлю провода, или перемещая провод над магнитом. Фарадей показал, что магниты могут отталкивать движущиеся электрические заряды, а движущиеся магниты могут давить на неподвижные заряды. Это было похоже на то, что нашел Эрстед, но наоборот.
в 1873 году Джеймс Клерк Максвелл суммировал эти связи в своей теории «классического электромагнетизма», электричества и магнетизма вместе. Эта теория была основана на системе из четырех уравнений, называемых уравнениями Максвелла, и закона силы Лоренца.Уравнения Максвелла рассказали нам, как соотнести электричество и магнетизм. Они сказали, что неподвижные заряды могут толкать другие заряды, но движущиеся заряды могут создавать магнитные поля, которые толкают магниты. С другой стороны, неподвижные магниты могут толкать только движущиеся заряды, но движущиеся магниты могут давить на любые электрические заряды.
Более того, исследования Максвелла показали, что свет можно описать как пульсацию в электромагнитном поле. То есть свет движется как волна. Однако работа Максвелла не согласилась с классической механикой, описанием сил и движений, изначально разработанным Ньютоном.Уравнения Максвелла предсказывают, что свет всегда движется в пустом пространстве с одинаковой скоростью. Это было проблемой, потому что в классической механике скорости являются «аддитивными» — если человек A в поезде, движущемся со скоростью X, бросает мяч со скоростью Y, то человек B на земле видит шар, движущийся со скоростью X + Y , По словам Максвелла, если человек А включит фонарик, он увидит свет, удаляющийся от них со скоростью с . Но человек B на земле также должен видеть свет, движущийся со скоростью с , а не с + X.Это привело к развитию теории специальной теории относительности Эйнштейна, которая объясняла, как скорость света может быть одинаковой для всех, и почему классическая механика не работает для вещей, движущихся очень быстро.
Проблемы классического электромагнетизма [изменить | изменить источник]
Работа Альберта Эйнштейна с фотоэлектрическим эффектом и работа Макса Планка с излучением черного тела не работали с традиционным представлением о свете как о непрерывной волне. Эта проблема будет решена после развития квантовой механики в 1925 году.Это развитие привело к развитию квантовой электродинамики, которая была разработана Ричардом Фейнманом и Джулианом Швингером. Квантовая электродинамика смогла подробно описать взаимодействия частиц.
Электромагнитное излучение считается частицей и волной. Это потому, что иногда он действует как частица, а иногда как волна. Чтобы упростить задачу, мы можем думать об электромагнитной волне как о потоке фотонов (символ γ).
Фотоны [изменить | изменить источник]
Фотон — это элементарная частица, что означает, что его нельзя разбить на более мелкие частицы.Это частица, из которой состоит свет. Фотоны также составляют все другие виды электромагнитного излучения, такие как гамма-излучение, рентгеновское излучение и ультрафиолетовое излучение. Идея фотонов была придумана Эйнштейном. Используя свою теорию для фотоэффекта, Эйнштейн сказал, что свет существует в маленьких «пакетах» или пакетах, которые он назвал фотонами.
Фотоны имеют энергию и импульс. Когда два заряженных объекта толкают или притягивают друг друга, они посылают фотоны взад и вперед. Таким образом, фотоны несут электромагнитную силу между заряженными объектами.Фотоны также известны как физические частицы в физике, потому что эти частицы часто несут сообщения между объектами. Фотоны посылают сообщения, говорящие «подойди ближе» или «уйди» в зависимости от зарядов объектов, на которые смотрят. Если сила существует в течение времени, то фотоны обмениваются в течение этого времени.
Основные электромагнитные взаимодействия происходят между любыми двумя частицами, которые имеют электрический заряд. Эти взаимодействия включают обмен или производство фотонов.Таким образом, фотоны являются носителями частиц электромагнитных взаимодействий.
Процессы электромагнитного распада часто можно узнать по тому, что они производят один или несколько фотонов (также известных как гамма-лучи). Они протекают не так быстро, как процессы сильного распада, с сопоставимыми различиями в массе, но быстрее, чем сопоставимые слабые распады.
,