Явление электромагнитной индукции формула: Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея) – формула, физический смысл — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

феномен возникающий в индуцированном поле

Явление электромагнитной индукции – это то, что заставляет работать электрические двигатели, позволяет генераторам вырабатывать электричество. Именно его открытие в начале XIX века привело к активному развитию таких отраслей, как энергетика, станкостроение, транспорт. Также данное явление широко применяется в медицине, радиовещании, при производстве расходомеров – счетчиков учета электроэнергии.

Практическое значение электромагнитной индукции

О том, в чем суть этого явления, когда и кто его открыл, что такое индуктивность и самоиндукция, какой энергией характеризуется совокупность магнитных силовых линий, будет рассказано в этой статье.

Явление электромагнитной индукции

Классическое определение этого явления гласит, что оно представляет собой появление упорядоченного движения заряженных частиц в замкнутом проводящем ток контуре (проводнике) при изменении проходящей через него, создаваемой постоянным магнитом совокупности силовых магнитных линий.

На заметку. Впервые обнаружить описываемое в статье явление экспериментальным путем получилось в 1831 году у известного ученого-физика Майкла Фарадея. Для своих опытов он использовал железное кольцо с намотанными с двух противоположных сторон витками медного провода, которые были соединены с гальваническим элементом и магнитной стрелкой. При подключении к первой обмотке гальванического элемента стрелка некоторое время двигалась, после чего останавливалась, после его отключения – плавно возвращалась в первоначальное положение. Подобные движения стрелки позволили предположить, что упорядоченное движение носителей электрических зарядов может возникать под воздействием совокупности силовых магнитных линий, источником которых служит первая обмотка.

Майкл Фарадей
Магнитный поток
Данное явление магнитный поток представляет собой совокупность силовых линий, проходящих через определённое сечение проводника или замкнутого токопроводящего контура.
Рассчитывается модуль этой величины Ф по следующей формуле:
Ф= B×S×Cos α, где:
В – модуль вектора создаваемой силовыми линиями индукции;
S – площадь поверхности, через которую проходит поток силовых линий;
α – угол между векторами силовых линий индукции и нормали (т.е. перпендикуляром к пронизываемой силовыми магнитными линиями плоскости).
Измеряется данная величина в Веберах (Вб).

Закон электромагнитной индукции Фарадея
Данный фундаментальный закон имеет следующую формулировку: при любых изменениях магнитного потока, проходящего через проводящий контур, происходит возникновение электродвижущей силы (сокращенно ЭДС), значение которой прямо пропорционально скорости, с которой изменяется магнитный поток.
Отображением данной закономерности является следующая формула:
Ɛi = – ΔФ/Δt, где:
Ɛi – появляющаяся в токопроводящем контуре электродвижущая сила индукции;
ΔФ/Δt – скорость, с которой изменяется проходящий через замкнутый контур магнитный поток.
Таким образом, сила индукционного тока, образующегося в токопроводящем замкнутом контуре при воздействии на него электродвижущей силы, будет зависеть от того, с какой скоростью изменяется проходящий через него поток силовых линий магнита.

Векторная форма
В векторной форме этот закон выражается следующей формулой:
rot E= ΔB/Δt.
Согласно этой записи, напряжённость (E) электрического поля индукционного тока возрастает при увеличении скорости изменения потока B с силовыми линиями, пересекающими замкнутый контур.
Потенциальная форма
При помощи векторного потенциала закон электромагнитной индукции имеет следующую запись:
E =ΔA/Δt, где:
Е – напряженность электрического поля, порождаемого индукционным током;

ΔA/Δt – изменение векторного потенциала магнитного поля, проходящего через замкнутый контур, являющийся частью замкнутой цепи проводника.
Правило Ленца
Как гласит данное правило, на направление индукционного тока влияют вызвавшие его причины (факторы). Если значение Ф возрастает, то порождаемый им ток препятствует его увеличению. Если значение Ф убывает, происходит обратное: индукционный ток меняет направление, начиная препятствовать уменьшению плотности проходящих через контур силовых линий магнитного поля. Поэтому в формуле закона Фарадея содержится знак « минус».
Взаимодействие магнита с контуром
В качестве наглядного примера взаимодействия магнита и контура в сделанную из медного провода катушку помещают магнит. Если магнит медленно вставлять внутрь катушки, происходит постепенное увеличение пересекающего ее витки создаваемого магнитом потока. Появляющееся вследствие такой манипуляции упорядоченное движение частиц в катушке будет направлено по часовой стрелке, создавая собственное магнитное поле, ослабляющее поле магнита, отталкивая его тем самым от катушки.

Если магнит отдаляют от контура, его поток уменьшается, а заряженные частицы начинают двигаться против часовой стрелки, вследствие чего возникающая совокупность силовых магнитных линий будет притягивать магнит.
На заметку. В случае с незамкнутым (открытым) контуром: металлическим или алюминиевым кольцом, имеющим прорезь; катушкой, витки которой не замкнуты через амперметр, источник питания, данная закономерность, как и правило Ленца, не работает.

Вихревое электрическое поле
Изменяющееся во времени и пространстве магнитное поле является источником появления вихревого имеющего замкнутые силовые линии электрического поля. Его воздействие объясняет упорядоченное перемещение единичных зарядов в проводнике, находящемся в (статичном) неподвижном состоянии.
Направление силовых линий электрического поля подчиняется правилу Ленца и правилу «буравчика».
Вихревые силовые линии
Индуктивность
Проходя по контуру, электрический ток способствует образование вокруг него совокупности магнитных силовых линий. Согласно формуле Ф =
L×I, создаваемый магнитом поток Ф пропорционально зависит от силы тока I.
Таким образом, под индуктивностью L понимают коэффициент соотношения магнитного потока Ф и силы тока I, протекающего по контуру. Рассчитывают данную величину по следующей формуле:
L=Ф/I.
Единицей измерения этой физической величины является Генри (Гн). 1 Гн – это индуктивность, образующаяся в замкнутом контуре, в котором сила тока изменяется на 1 Ампер, а величина напряжения в нем составляет 1 Вольт.
Самоиндукция
При изменениях значения силы тока в проводнике либо токопроводящей катушке происходит изменение магнитного потока, пронизывающего его.
В результате в проводнике появляется электродвижущая сила самоиндукции, значение которой определяется по следующей формуле:
ƐiS = – ΔФ/Δt= –L(ΔI/Δt).
Энергия магнитного поля
Совокупность магнитных силовых линий имеет определенный запас энергии. Так как данное явление в контуре обусловлено протеканием по нему электрического тока, то и количество такой энергии зависит от величины затрат источников (генераторов, гальванических элементов) на создание тока. Рассчитывается эта величина (Wмаг.п) по следующей математической формуле:
Wмаг.п= (L×I2)/2.
На заметку.
С практической точки зрения, значение данной величины оказывает влияние на мощность электрических агрегатов: электродвигателей, генераторов. Чем больше мощность силовых линий, образуемых обмотками или постоянными магнитами статора и ротора, тем выше крутящий момент и мощность двигателя, больше его КПД.
Основные формулы
Основные формулы для явления магнитной индукции указаны на рисунке ниже.
Основные формулы, описывающие явление электромагнитной индукции
Поняв, в чем заключается суть явления электромагнитной индукции, можно разобраться в том, как работают электродвигатели, генераторы. Эти знания, помимо большой теоретической ценности, имеет достаточно полезное практическое применение, позволяя самостоятельно находить, в ряде случаев и устранять, неисправности агрегатов, не прибегая к дорогостоящим услугам специалистов.

Видео
Более подробно и наглядно об описанном в данной статье явлении можно узнать в следующем видео.

Электромагнитная индукция. | Объединение учителей Санкт-Петербурга
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
Появление тока в замкнутом контуре при изменении магнитного поля, пронизывающего контур, свидетельствует о действии в контуре сторонних сил (или о возникновении ЭДС индукции).
Явление возникновения ЭДС в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля (потока), пронизывающего контур, называется электромагнитной индукцией.

Или: явление возникновения электрического поля при изменении магнитного поля (потока), называется электромагнитной индукцией.
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.

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: , где  — 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 (),еслипротивоположно (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: .
Данная формула справедлива для СИ (коэффициент пропорциональности равен 1). В других системах единиц коэффициент другой.
Если контур (например, катушка) состоит из нескольких витков, то ,
где n – количество витков. Все предыдущие формулы справедливы в случае линейного (равномерного) изменения магнитного потока. В произвольном случае закон записывается через производную: , где e – мгновенное значение ЭДС индукции.
Явление электромагнитной индукции
2014-05-23
Для демонстрации явления электромагнитной индукции, исходя из формулы Ф = ВScos?, все опыты можно условно разделить на три группы:
а) опыты, в которых изменяется магнитная индукция В;
б) опыты, в которых изменяется площадь контура S;
в) опыты, в которых изменяется угол между направлением вектора магнитной индукции и нормалью к контуру.
? Возникновение электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока через ограниченную контуром площадь называют явлением электромагнитной индукции.
По любому изменению магнитного потока через площадь, ограниченную контуром, в замкнутом контуре возникает индукционный ток. Существуют две причины возникновения индукционного тока:
1) при движении контура в магнитном поле;
2) в случае нахождения недвижимого контура в переменном магнитном поле.
Возникновение в неподвижных проводниках электрического тока указывает на появление электрического поля, так как магнитное поле на неподвижные заряды действовать не может.
Значит, индукционное электрическое поле появляется в результате изменения магнитного поля. Итак, индукционное электрическое поле не связано с зарядами (как это было в случае электростатического поля).
Дж. Максвелл первым пришел к выводу, что,
? изменяясь во времени, магнитное поле порождает электрическое поле.
Электрическое поле, возникающее при изменении магнитного поля, имеет совсем другую структуру, чем электростатическое. Оно не связано непосредственно с электрическими зарядами, и его линии напряженности не могут на них начинаться и заканчиваться. Они вообще нигде не начинаются и не заканчиваются, а представляют собой замкнутые линии, подобные линиям индукции магнитного поля. Кроме того, работа по перемещению зарядов вдоль замкнутого контура, выполнена силами этого электрического поля, не равна нулю. Это так называемое вихревое электрическое поле.
Электрическое поле, созданное переменным магнитным полем, называют вихревым.
Вихревое электрическое поле не является потенциальным полем.
Явление электромагнитной индукции
Исходя из формулы Ф = BScos, все опыты можно условно разделить на три группы:
а) опыты, в которых изменяется индукция магнитного поля B;
б) опыты, в которых изменяется площадь контура S;
в) опыты, в которых изменяется угол между направлением вектора магнитной индукции и нормалью к площадке.
На основании выполненных исследований можно подвести учащихся к выводу: для возбуждения электрического тока в замкнутом контуре необходимо менять магнитный поток через этот контур.
Явление электромагнитной индукции заключается в следующем:
? индукционный ток в замкнутом контуре возникает при изменении магнитного потока через площадь, ограниченную контуром.
Существуют две причины возникновения индукционного тока:
1) при движении контура в магнитном поле;
2) во время пребывания недвижимого контура в переменном магнитном поле.
категория: Физика
Открытие явления электромагнитной индукции. Магнитный поток. Направление индукционного тока. Правило Ленца.
Тема: Открытие явления электромагнитной индукции. Магнитный поток. Направление индукционного тока. Правило Ленца.
Цель: Формирование понятия электромагнитной индукции, магнитного потока, ввести формулы для магнитного потока, научить определять направление индукционного тока по правилу Ленца; развивающая: формирование умений у учащихся сравнивать, самостоятельно делать выводы; воспитательная: формирование осознания детьми важности науки.
Оборудование: учебник, задачник, магнит, гальванометр, катушка.
Тип урока: урок изучения новых ЗУНов.
Должны знать/уметь: понятие – явление электромагнитной индукции, историю открытия, основные формулы данной темы.
Ход урока.
Организационный момент.
l. Актуализация опорных знаний. Повторение ранее изученного материала.
Что является силовой характеристикой действия магнитного поля?
Как обозначается? Формула? .
Единицы измерения? [В]=[ Тл].
Какая сила возникает между двумя взаимодействующими проводниками с током? .
Формула .
Как можно определить направление ? С помощью правила левой руки: в ладонь, четыре пальца – направление , большой палец – направление .
Какая сила действует на одну заряженную частицу в магнитном поле? . Формула. .
Чему равна , если частица влетела параллельно линиям ?
Что происходит с частицей, когда она влетает в магнитное поле под углом ? Начинает двигаться по спирали, потому что изменяет траекторию ее движения.
Чему равна , если частица влетела перпендикулярно линиям ? .
Какая траектория движения частицы? Окружность.
Какая траектория движения частицы, когда она влетает параллельно линиям ? Прямая.
Как определить направление ? С помощью правила правой руки: в ладонь, четыре пальца – направление , большой палец – направление .
II. Изучение новых ЗУНов.
До сих пор мы рассматривали электрические и магнитные поля, не изменяющиеся во времени. Выяснили, что электростатическое поле образовывается неподвижными заряженными частицами, а магнитное поле – перемещающимися, т.е. электрическим током. Теперь необходимо выяснить что происходит с электрическим и магнитным полями , изменяющимися во времени.
После открытия Эрстедом связи электрического тока с магнетизмом, Майкл Фарадей заинтересовался, а возможна ли связь наоборот.
В 1821 г. Фарадей в своем дневнике записал: «Преобразовать магнетизм в электричество».
Он проводил множество опытов на протяжении многих лет, но все не давало результатов. Он хотел бросить свою идею и эксперименты много раз, но что-то останавливало его и 29 августа 1831г. После многочисленных опытов, которые он проводил на протяжении 10 лет, Фарадей достиг своей цели: он заметил, что в замкнутом проводнике, который расположен в замкнутом магнитном поле, появляется электрический ток, его ученый назвал индукционным током.
Фарадей придумал серию экспериментов, которые сейчас очень просты. Он на катушку наматывал параллельно один другому проводники (два провода), которые были изолированы друг от друга и подключал один конец к батарее, а другой к прибору для определения силы тока (гальванометру).
Он заметил, что все время стрелка гальванометра была в покое и не реагировала при прохождении тока через электрическую цепь. А когда он включал и выключал ток, стрелка отклонялась.
Оказалось, что в тот момент, когда через первый провод проходил ток, и когда он прекращал идти, во втором проводе появляется ток всего на мгновенье.
Продолжая свои опыты Фарадей установил, что достаточно простого приближения проводника , закрученного в замкнутую кривую, к другому проводнику, по которому идет ток, чтобы в первом образовался индукционный ток, направленный обратно от проходящего тока. А если отдалять закрученный проводник от того, по которому проходит ток, то в первом вновь появится индукционный ток обратного направления.
Фарадей размышлял, электрический ток способен намагнитить железо. А может ли магнит в свою очередь вызвать появление электрического тока.
Долгое время эту взаимосвязь не удавалось обнаружить. Исследование проводилось таким образом, что катушка, на которую намотали проволоку была подключена к гальванометру и использовался магнит, который опускался в катушку или втягивался.
Вместе с Фарадеем подобный опыт выполнял Колладон (швейцарский ученый).
При работе он пользовался гальванометром, легкая магнитная стрелка которого помещалась внутри катушки прибора. Чтобы магнит не влиял на стрелку, концы катушки были выведены в другую комнату.
Когда Колладон помещал магнит в катушку, он шел в другую комнату и наблюдал за стрелкой гальванометра, шел обратно – вынимал магнит из катушки и опять возвращался в комнату с гальванометром. И каждый раз он с огорчением убеждался, в том что стрелка гальванометра не отклонялась, а оставалась на нулевой отметке.
Стоило бы ему все время наблюдать за гальванометром и попросить кого-нибудь заняться магнитом, замечательное открытие было бы сделано. Но этого не случилось. Покоящийся относительно катушки магнит мог лежать преспокойно внутри нее сотни лет, не вызывая в катушке тока.
Ученому не повезло, это были тяжелые времена для науки и ни кто не нанимал тогда себе помощников, некоторые из-за финансовых проблем, а не которые чтоб не пришлось делиться открытием
С подобного рода случайностями сталкивался и Фарадей, потому что он неоднократно пытался получить электрический ток при помощи магнита и при помощи тока в другом проводнике, но безуспешно.
Но Фарадею все таки удалось сделать открытие и как он писал в своих дневниках, он выявил ток в катушке, который назвал индукционным током.
Можно показать опыт с магнитом и катушкой. И сказать: на л.р. вы сами будете учиться наблюдать подобное явление.
Зн. Явление порождения в пространстве переменным магнитным полем переменного эл. поля называется явлением электромагнитной индукции.
Индукционный ток в замкнутом проводящем контуре (или в катушке) возникает тогда, когда меняется количество линий магнитной индукции В (во время ввода или вывода магнита количество линий меняется), которые пронизывают поверхность, ограниченную контуром.
Физическую величину, которая прямо пропорциональна количеству линий магнитной индукции, которые пронизывают данную поверхность, называют потоком магнитной индукции.
[Ф]=[Вб] Вебер
Поток магнитной индукции характеризует распределение магнитного поля по поверхности, ограниченной замкнутым контуром.
Магнитный поток Ф (поток вектора магнитной индукции) через поверхность площадью – это величина, равная произведению модуля вектора магнитной индукции на площадь и косинус угла между векторами и :
Направление В к площади, которую он пронизывает может быть разной:
В ll
Чему равен угол между В и ? 0^о А чему равен?
Зн. Чему будет равен магнитный поток?
В ⊥
Чему равен угол между В и ? 90^о А чему равен?
Зн. Чему будет равен магнитный поток?
Значит формула сохраняется в том виде, что и была.
А при расчете магнитного потока подставляется угол, который дан.
Направление индукционного тока определяется правилом Ленца. Индукционный ток, который возникает в замкнутом контуре, своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван.
Т.е. индукционный ток направлен так, чтобы препятствовать причине, его вызывающей.
Если вносить магнит в сплошное (целое) кольцо, то оно убегает от магнита, т.е. поворачивается перед ним. Если выдвигать магнит из кольца, то оно наоборот стремится догнать магнит. Если же кольцо разрезанное, т.е. не сплошное, то ничего не наблюдается.
Использование правила Ленца.
Определяем направление линий В внешнего магнитного поля.
Если ΔФ>0 (Ф усиливается), то линии В’ и В направлены в разные стороны, т.е. В’↑↓В. Если ΔФ<0 (Ф уменьшается), то В’↑↑В.
За линиями В’ по правилу правой руки определяем направление индукционного тока.
III. Закрепление изученных ЗУНов.
Кто открыл явление электромагнитной индукции? – Фарадей.
Что называется явлением электромагнитной индукции? – Явление порождения в пространстве переменным магнитным полем переменного эл. поля называется явлением электромагнитной индукции.
Когда возникает индукционный ток? – Индукционный ток возникает, когда меняется магнитный поток, пронизывающий замкнутую поверхность.
Что такое поток электромагнитной индукции? — Физическую величину, которая прямо пропорциональна количеству линий магнитной индукции, которые пронизывают данную поверхность, называют потоком магнитной индукции.
Формула для Ф? —
Ед. измер.? — [Ф]=[Вб] Вебер
Как определить направление индукционного тока? – По правилу Ленца.
Задача 10.25 из задачника Божинова.
Задача 10.26.
Задача 10.24
Задача 10.23
Задача стр.76
Стр.133 учебника задача 5.
Д/з:§7,8(стр.35,36), задача А3, А6 стр.34 учебник Мякишев 11кл
Итог урока: выставление оценок.
Основные формулы и методические рекомендации по решению задач на электромагнитную индукцию
«Превратить магнетизм в электричество…»
Майкл Фарадей
Данная тема будет посвящена рассмотрению основных формул и методических рекомендаций по решению задач на электромагнитную индукцию
Рассмотрим основные понятия электромагнитной индукции. Магнитный поток – это скалярная физическая величина, численно равная произведению модуля вектора магнитной индукции на площадь поверхности, ограниченной контуром, и на косинус угла между нормалью к поверхности и направлением линий магнитной индукцией.
Изменение магнитного потока влечет за собой такое явление, как электромагнитная индукция. Чем быстрее изменяется магнитный поток, тем большая сила тока возникает в замкнутом контуре.
В результате явления электромагнитной индукции, в контуре возникает электродвижущая сила – она так и называется ЭДС индукции.
Поскольку сила тока связана с индукцией порождаемого им магнитного поля, а магнитная индукция, в свою очередь, связана с магнитным потоком, возникает явление самоиндукции. Самоиндукция – это явление возникновения ЭДС индукции в проводящем контуре при изменении протекающего через контур тока. То есть, при изменении силы тока, в цепи возникает индукционный ток, который стремится препятствовать этому изменению. В связи с этим, вводится такая величина, как индуктивность – коэффициент пропорциональности между электрическим током, текущим в каком-либо замкнутом контуре, и магнитным потоком, создаваемым этим током через поверхность, краем которой является этот контур. Иными словами, индуктивность характеризует способность проводника влиять на быстроту установления тока в цепи. Она, конечно, обнаруживает себя только при изменении силы тока в цепи.
Сведём в таблицу основные формулы по рассматриваемой теме.

Формула

Описание формулы

Магнитный поток через контур площадью S, где B – модуль вектора магнитной индукции, a – угол между направлением вектора магнитной индукции и нормалью к плоскости контура.

ЭДС индукции, возникающая в контуре при изменении магнитного потока на величину DF за промежуток времени Dt.

ЭДС индукции, возникающая в движущемся со скоростью проводнике длиной , где a – угол между направлением вектора магнитной индукции и направлением вектора скорости.

Коэффициент самоиндукции (индуктивность) контура.

ЭДС самоиндукции, возникающая в контуре при изменении силы тока на величину DI за промежуток времени Dt.

Индуктивность соленоида объёмом V, где m – магнитная проницаемость среды, m₀ – магнитная постоянная Гн/м, n – число витков на единицу длины.

Энергия магнитного поля катушки с индуктивностью L, где I – сила тока, F – магнитный поток.

Энергия магнитного поля соленоида объёмом V, где B — модуль вектора магнитной индукции.

Методические рекомендации по решению задач на электромагнитную индукцию
1. Установить причину изменения магнитного потока через контур. Исходя из формулы, причиной может стать либо изменение магнитной индукции поля, либо изменение площади контура, а также угла между направлением линий магнитной индукции и нормалью к плоскости контура (чаще всего, это поворот рамки с током).
2. Записать закон электромагнитной индукции (закон Фарадея).
3. Если речь идет о поступательном движении проводника, применить формулу, по которой вычисляется ЭДС индукции в движущемся проводнике.
4. Определить изменение магнитного потока, рассматривая его в выбранные моменты времени t₁ и t₂ (как правило, это должны быть те моменты времени, которые описываются в задаче).
5. Подставить найденное выражение для изменения магнитного потока в закон Фарадея. При необходимости, используя дополнительные уравнения, составить систему и решить её относительно искомых величин.
Явление электромагнитной индукции
Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего контур.
Взаимная связь электрических и магнитных полей была установлена выдающимся английским физиком М. Фарадеем в 1831 г. Он открыл явление электромагнитной индукции.
Явление электромагнитной индукции Фарадей исследовал с помощью двух изолированных друг от друга проволочных спиралей, намотанных на деревянную катушку (Опыты Фарадея). Одна спираль была присоединена к гальванической батарее, а другая — к гальванометру, регистрирующему слабые токи. В моменты замыкания и размыкания цепи первой спирали стрелка гальванометра в цепи второй спирали отклонялась.
Проводя многочисленные опыты Фарадей установил, что в замкнутых проводящих контурах электрический ток возникает лишь в тех случаях, когда они находятся в переменном магнитном поле, независимо от того, каким способом достигается изменение потока индукции магнитного поля во времени.
Ток, возникающий при явлении электромагнитной индукции, называют индукционным.
Строго говоря, при движении контура в магнитном поле генерируется не определенный ток (который зависит от сопротивления), а определенная ЭДС.
Фарадей экспериментально установил, что при изменении магнитного потока в проводящем контуре возникает ЭДС индукции E_инд, равная скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взятой со знаком минус:
Эта формула выражает закон Фарадея: ЭДС индукции равна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.
Знак минус в формуле отражает правило Ленца.
Подробности
Просмотров: 576
Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея
Явление электромагнитной индукции представляет собой возникновение электрического тока в условиях замкнутого проводящего контура, в то время как магнитный поток, пронизывающий этот контур, изменяется во времени. На этом явлении основан закон электромагнитной индукции, формула которого была выведена английским физиком Фарадеем.
Понятия электромагнитной индукции
Одной из основных величин, связанных с электромагнитной индукцией является магнитный поток. Чтобы понять его физический смысл, следует рассмотреть формулу, определяющую эту величину: Φ = B . S . cos α. Здесь В выступает в роли модуля вектора магнитной индукции, S — площадь проводящего контура, α — угол между нормалью к плоскости контура и вектором магнитной индукции.
При неоднородном магнитном поле и неплоском контуре, значение магнитного потока можно обобщить. Для этого, в системе СИ существует обозначение единицы магнитного потока, называемое вебером. Для создания 1 Вб требуется магнитное поле в 1 Тл, которое пронизывает плоский контур, площадь которого составляет 1 м2. (1 Вб = 1 Тл. 1 м2)
Фарадей открыл закон электромагнитной индукции, формула которого выражается в следующих показателях:
Эта формула наглядно демонстрирует, что изменение магнитного потока в контуре, приводит к возникновению ЭДС индукции. ЭДС, в свою очередь, равна скорости, с какой изменяется магнитный поток при прохождении через площадь, ограниченную контуром. Все значение ЭДС берется со знаком минус. Это и есть .
Причины изменения магнитного потока
Магнитный поток, пронизывающий замкнутый контур, может изменяться в силу ряда причин.
Прежде всего, эти изменения происходят, когда контур перемещается в магнитном поле, постоянном по времени. В этом случае, проводники вместе со свободными носителями зарядов передвигаются в магнитном поле. ЭДС индукции возникает под воздействием сторонних сил, которые влияют на свободные заряды, находящиеся в движущихся проводниках.
Другая причина, изменяющая магнитный поток, заключается в изменении во времени магнитного поля, когда контур неподвижен. В неподвижном проводнике, электроны могут двигаться только под действием электрического поля. Это поле, в свою очередь, возникает воздействия магнитного поля, изменяющегося во времени.
Работа , затрачиваемая на перемещение одного положительного заряда в замкнутом контуре, равна ЭДС индукции для неподвижного проводника. Такое поле, полученное с помощью изменяющегося магнитного поля, получило название вихревого электрического поля.
В результате многочисленных опытов Фарадей установил основной количественный закон электромагнитной индукции. Он показал, что всякий раз, когда происходит изменение сцепленного с контуром потока магнитной индукции, в контуре возникает индукционный ток. Возникновение индукционного тока указывает на наличие в цепи электродвижущей силы, называемой электродвижущей силой электромагнитной индукции. Фарадей установил, что значение ЭДС электромагнитной индукции E i пропорционально скорости изменения магнитного потока:
E i = -К , (27.1)
где К – коэффициент пропорциональности, зависящий только от выбора единиц измерения.
В системе единиц СИ коэффициент К = 1, т.е.
E i = — . (27.2)
Эта формула и представляет собой закон электромагнитной индукции Фарадея. Знак минус в этой формуле соответствует правилу (закону) Ленца.
Закон Фарадея можно сформулировать еще таким образом: ЭДС электромагнитной индукции E i в контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока сквозь поверхность, ограниченную этим контуром. Этот закон является универсальным: ЭДС E i не зависит от способа изменения магнитного потока.
Знак минус в (27.2) показывает, что увеличение потока ( > 0) вызывает ЭДС E i 0 т. е. направления магнитного потока индукционного тока и потока, вызвавшего его, совпадают. Знак минус в формуле (27.2) является математическим выражением правила Ленца — общего правила для нахождения направления индукционного тока (а значит и знака и ЭДС индукции), выведенного в 1833 г. Правило Ленца: индукционный ток всегда направлен так, чтобы противодействовать причине, его вызывающей. Иначе говоря, индукционный ток создает магнитный поток, препятствующий изменению магнитного потока, вызывающего ЭДС индукции.
ЭДС индукции выражается в вольтах (В). Действительно, учитывая, что единицей магнитного потока является вебер (Вб), получим:
Если замкнутый контур, в котором индуцируется ЭДС индукции, состоит из N витков, то E i будет равна сумме ЭДС, индуцируемых в каждом из витков. И если магнитный поток, охватываемый каждым витком, одинаков и равен Ф, то суммарный поток сквозь поверхность N витков, равен (NФ) – полный магнитный поток (потокосцепление). В этом случае ЭДС индукции равна:
E i = -N× , (27.3)
Формула (27.2) выражает закон электромагнитной индукции в общей форме. Она применима как к неподвижным контурам, так и к движущимся проводникам в магнитном поле. Входящая в нее производная от магнитного потока по времени в общем случае состоит из двух частей, одна из которых обусловлена изменением магнитной индукции во времени, а другая – движением контура относительно магнитного поля (или его деформацией). Рассмотрим некоторые примеры применения этого закона.
Пример 1. Прямолинейный проводник длиной l движется параллельно самому себе в однородном магнитном поле (рисунок 38). Этот проводник может входить в состав замкнутой цепи, остальные части которой неподвижны. Найдем ЭДС, возникающую в проводнике.
Если мгновенное значение скорости проводника есть v , то за время dt он опишет площадь dS = l×v ×dt и за это время пересечет все линии магнитной индукции, проходящие через dS. Поэтому изменение магнитного потока через контур, в состав которого входит движущийся проводник, будет dФ = B n ×l×v ×dt. Здесь B n — составляющая магнитной индукции, перпендикулярная к dS. Подставляя это в формулу (27.2) получаем величину ЭДС:
E i = B n ×l×v . (27.4)
Направление индукционного тока и знак ЭДС определяются правилом Ленца: индукционный ток в контуре всегда имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот индукционный ток. В некоторых случаях возможно определение направления индукционного тока (полярности ЭДС индукции) согласно другой формулировке правила Ленца: индукционный ток в движущемся проводнике направлен таким образом, что возникающая при этом сила Ампера противоположна вектору скорости (тормозит движение).
Разберем численный пример. Вертикальный проводник (автомобильная антенна) длиной l = 2 м движется с востока на запад в магнитном поле Земли со скоростью v = 72 км/час = 20 м/с. Вычислим напряжение между концами проводника. Так как проводник разомкнут, то тока в нем не будет и напряжение на концах будет равно ЭДС индукции. Учитывая, что горизонтальная составляющая магнитной индукции поля Земли (т.е. составляющая, перпендикулярная к направлению движения) для средних широт равна 2×10 -5 Тл, по формуле (27.4) находим
U = B n ×l×v = 2×10 -5 ×2×20 = 0,8×10 -3 В,
т.е. около 1 мВ. Магнитное поле Земли направлено с юга на север. Поэтому мы находим, что ЭДС направлена сверху вниз. Это значит, что нижний конец провода будет иметь более высокий потенциал (зарядится положительно), а верхний – более низкий (зарядится отрицательно).
Пример 2. В магнитном поле находится замкнутый проволочный контур, пронизываемый магнитным потоком Ф. Предположим, что этот поток уменьшается до нуля, и вычислим полную величину заряда, прошедшего по цепи. Мгновенное значение ЭДС в процессе исчезновения магнитного потока выражается формулой (27.2). Следовательно, согласно закону Ома мгновенное значение силы тока есть
где R – полное сопротивление цепи.
Величина прошедшего заряда равна
q = = — = . (27.6)
Полученное соотношение выражает закон электромагнитной индукции в форме, найденной Фарадеем, который из своих опытов заключил, что величина заряда, прошедшего по цепи, пропорциональна полному числу линий магнитной индукции, пересеченных проводником (т.е. изменению магнитного потока Ф 1 -Ф 2), и обратно пропорциональна сопротивлению цепи R. Соотношение (27.6) позволяет дать определение единицы магнитного потока в системе СИ: вебер – магнитный поток, при убывании которого до нуля в сцепленном с ним контуре сопротивлением 1 Ом проходит заряд 1 Кл.
Согласно закону Фарадея, возникновение ЭДС электромагнитной индукции возможно и в случае неподвижного контура, находящегося в переменном магнитном поле. Однако сила Лоренца на неподвижные заряды не действует, поэтому в данном случае она не может быть причиной возникновения ЭДС индукции. Максвелл для объяснения ЭДС индукции в неподвижных проводниках предположил, что всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, которое и является причиной возникновения индукционного тока в проводнике. Циркуляция вектора напряженности этого поля по любому неподвижному контуру L проводника представляет собой ЭДС электромагнитной индукции:
E i = = — . (27.7)
Линии напряженности вихревого электрического поля представляют собой замкнутые кривые, поэтому при перемещении заряда в вихревом электрическом поле по замкнутому контуру совершается отличная от нуля работа. В этом заключается отличие вихревого электрического поля от электростатического, линии напряженности которого начинаются и заканчиваются на зарядах.
Мы достаточно подробно рассмотрели три различных, на первый взгляд, варианта явления электромагнитной индукции, возникновения электрического тока в проводящем контуре под действием магнитного поля: при движении проводника в постоянном магнитном поле; при движении источника магнитного поля; при изменении во времени магнитного поля. Во всех этих случаях закон электромагнитной индукции одинаков:
ЭДС электромагнитной индукции в контуре равна скорости изменения магнитного потока через контур, взятой с противоположным знаком
независимо от причин, приводящих к изменению этого потока.
Уточним некоторые детали приведенной формулировки.
Первое . Магнитный поток через контур может изменяться произвольным образом, то есть функция Ф(t) не обязана всегда быть линейной, а может быть любой. Если магнитный поток изменяется по линейному закону, то ЭДС индукции в контуре постоянна, в этом случае величина интервала времени Δt может быть произвольной, значение отношения (1) в этом случае не зависит от величины этого интервала. Если же поток изменяется более сложным образом, то величина ЭДС не является постоянной, а зависит от времени. В этом случае рассматриваемый интервал времени следует считать бесконечно малым, тогда отношение (1) с математической точки зрения превращается в производную от функции магнитного потока по времени. Математически этот переход полностью аналогичен переходу от средней к мгновенной скорости в кинематике.
Второе . Понятие потока векторного поля применимо только к поверхности, поэтому необходимо уточнять о какой поверхности идет речь в формулировке закона. Однако, поток магнитного поля через любую замкнутую поверхность равен нулю. Поэтому для двух различных поверхностей, опирающихся на контур магнитные потоки одинаковы. Представьте себе поток жидкости, вытекающий из отверстия. Какую бы вы не выбрали поверхность, границей которого являются границы отверстия, потоки через них будут одинаковы. Здесь уместна еще одна аналогия: если работа силы по замкнутому контуру равна нулю, то работа этой силы не зависит от формы траектории, а определяется только ее начальной и конечной точками.
Третье . Знак минус в формулировке закона имеет глубокий физический смысл, фактически он обеспечивает выполнение закона сохранения энергии в этих явлениях. Этот знак является выражением правила Ленца. Пожалуй, это единственный случай в физике, когда один знак удостоился собственного имени.
Как мы показали, во всех случаях физическая сущность явления электромагнитной индукции одинакова и кратко формулируется следующим образом: переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле . С этой, полевой, точки зрения закон электромагнитной индукции выражается через характеристики электромагнитного поля:циркуляция вектора напряженности электрического поля по любому контуру равна скорости изменения магнитного потока через этот контур
В этой трактовке явления существенно, что вихревое электрическое поле возникает при изменении магнитного поля, независимо от того, имеется ли реальный замкнутый проводник (контур), в котором возникает ток или нет. Это реальный контур может играть роль прибора, для обнаружения индуцированного поля.
Наконец, еще раз подчеркнем − электрические и магнитные поля относительны, то есть их характеристики зависят выбора системы отсчета, в которой дается их описание. Однако, этот произвол в выборе системы отсчета, в выборе способа описания не приводит к каким-либо противоречиям. Измеряемые физические величины инвариантны, не зависят от выбора системы отсчета. Например, сила, действующая на заряженное тело со стороны электромагнитного поля, не зависит от выбора системы отсчета. Но при ее описании в одних системах она может трактоваться как сила Лоренца, в других к ней может «добавляться» электрическая сила. Аналогично (даже как следствие) ЭДС индукции в контуре (сила индуцированного тока, количество выделившейся теплоты, возможная деформация контура и т.д.) не зависят от выбора системы отсчета.
Как всегда предоставляемой свободой выбора можно и необходимо пользоваться − всегда есть возможность выбрать тот метод описания, который вам больше нравится − как наиболее простой, наиболее наглядный, наиболее привычный и т.д.
Явление электромагнитной индукции было открыто выдающимся английским физиком М. Фарадеем в 1831 г. Оно заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении во времени магнитного потока , пронизывающего контур.
Магнитным потоком Φ через площадь S контура называют величину
где B – модуль вектора магнитной индукции , α – угол между вектором и нормалью к плоскости контура (рис. 1.20.1).
Определение магнитного потока нетрудно обобщить на случай неоднородного магнитного поля и неплоского контура. Единица магнитного потока в системе СИ называетсявебером (Вб). Магнитный поток, равный 1 Вб, создается магнитным полем с индукцией 1 Тл, пронизывающим по направлению нормали плоский контур площадью 1 м 2:
Фарадей экспериментально установил, что при изменении магнитного потока в проводящем контуре возникает ЭДС индукции инд, равная скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взятой со знаком минус:
Эта формула носит название закона Фарадея .
Опыт показывает, что индукционный ток, возбуждаемый в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток. Это утверждение, сформулированное в 1833 г., называется правилом Ленца .
Рис. 1.20.2 иллюстрирует правило Ленца на примере неподвижного проводящего контура, который находится в однородном магнитном поле, модуль индукции которого увеличивается во времени.
Правило Ленца отражает тот экспериментальный факт, что инд и всегда имеют противоположные знаки (знак «минус» в формуле Фарадея). Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии.
Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум причинам.
1. Магнитный поток изменяется вследствие перемещения контура или его частей в постоянном во времени магнитном поле. Это случай, когда проводники, а вместе с ними и свободные носители заряда, движутся в магнитном поле. Возникновение ЭДС индукции объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы.
Рассмотрим в качестве примера возникновение ЭДС индукции в прямоугольном контуре, помещенном в однородное магнитное поле перпендикулярное плоскости контура. Пусть одна из сторон контура длиной l скользит со скоростью по двум другим сторонам (рис. 1.20.3).
На свободные заряды на этом участке контура действует сила Лоренца. Одна из составляющих этой силы, связанная с переносной скоростью зарядов, направлена вдоль проводника. Эта составляющая указана на рис. 1.20.3. Она играет роль сторонней силы. Ее модуль равен
По определению ЭДС
Для того, чтобы установить знак в формуле, связывающей инд и нужно выбрать согласованные между собой по правилу правого буравчика направление нормали и положительное направление обхода контура как это сделано на рис. 1.20.1 и 1.20.2. Если это сделать, то легко прийти к формуле Фарадея.
Если сопротивление всей цепи равно R , то по ней будет протекать индукционный ток, равный I инд = инд /R . За время Δt на сопротивлении R выделится джоулево тепло
Возникает вопрос: откуда берется эта энергия, ведь сила Лоренца работы не совершает! Этот парадокс возник потому, что мы учли работу только одной составляющей силы Лоренца. При протекании индукционного тока по проводнику, находящемуся в магнитном поле, на свободные заряды действует еще одна составляющая силы Лоренца, связанная с относительной скоростью движения зарядов вдоль проводника. Эта составляющая ответственна за появление силы Ампера . Для случая, изображенного на рис. 1.20.3, модуль силы Ампера равен F A = I B l . Сила Ампера направлена навстречу движению проводника; поэтому она совершает отрицательную механическую работу. За время Δt эта работа A мех равна
Движущийся в магнитном поле проводник, по которому протекает индукционный ток, испытывает магнитное торможение . Полная работа силы Лоренца равна нулю . Джоулево тепло в контуре выделяется либо за счет работы внешней силы, которая поддерживает скорость проводника неизменной, либо за счет уменьшения кинетической энергии проводника.
2. Вторая причина изменения магнитного потока, пронизывающего контур, – изменение во времени магнитного поля при неподвижном контуре. В этом случае возникновение ЭДС индукции уже нельзя объяснить действием силы Лоренца. Электроны в неподвижном проводнике могут приводиться в движение только электрическим полем. Это электрическое поле порождается изменяющимся во времени магнитным полем. Работа этого поля при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна ЭДС индукции в неподвижном проводнике. Следовательно, электрическое поле, порожденное изменяющимся магнитным полем, не являетсяпотенциальным . Его называют вихревым электрическим полем . Представление о вихревом электрическом поле было введено в физику великим английским физикомДж. Максвеллом в 1861 г.
Явление электромагнитной индукции в неподвижных проводниках, возникающее при изменении окружающего магнитного поля, также описывается формулой Фарадея. Таким образом, явления индукции в движущихся и неподвижных проводниках протекают одинаково , но физическая причина возникновения индукционного тока оказывается в этих двух случаях различной: в случае движущихся проводников ЭДС индукции обусловлена силой Лоренца; в случае неподвижных проводников ЭДС индукции является следствием действия на свободные заряды вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля.
Закон электромагнитной индукции (з.Фарадея-Максвелла). Правила Ленца
Обобщая результат опытов, Фарадей сформулировал закон электромагнитной индукции. Он показал, что при всяком изменении магнитного потока в замкнутом проводящем контуре возбуждается индукционный ток. Следовательно, в контуре возникает ЭДС индукции.
ЭДС индукции прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока во времени . Математическую запись этого закона оформил Максвелл и поэтому он называется законом Фарадея-Максвелла (законом электромагнитной индукции).
4.2.2. Правило Ленца
В законе электромагнитной индукции не говорится о направлении индукционного тока. Этот вопрос решил Ленц в 1833г. Он установил правило, позволяющее определить направление индукционного тока.
Индукционный ток имеет такое направление, что созданное им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, пронизывающего данный контур, т.е. индукционный ток. Он направлен так, чтобы противодействовать причине, его вызывающей. Например, пусть в замкнутый контур вдвигается постоянный магнит NS (рис.250).

Рис.250 Рис.251
Число силовых линий, пересекающих замкнутый контур увеличивается, следовательно, увеличивается магнитный поток. В контуре возникает индукционный ток I i , который создает магнитное поле, силовые линии которого (пунктирные линии, перпендикулярные плоскости контура) направлены против силовых линий магнита. При выдвижении магнита магнитный поток, пронизывающий контур, уменьшается (рис.251), а индукционный ток I i создает поле, силовые линии которого направлены в сторону линии индукции магнита (на рис.251 пунктирные линии).
С учетом правила Ленца, закон Фарадея-Максвелла запишется в виде
Для решения физической задачи используют формулу (568).
Среднее по времени значение ЭДС индукции определяется формулой
Выясним способы изменения магнитного потока.
Первый способ . В=const и α=const . Изменяется площадь S .
Пример. Пусть в однородном магнитном поле В=const перпендикулярно силовым линиям движется проводник длиной l со скоростью (рис.252) Тогда на концах проводника возникает разность потенциалов , равная ЭДС индукции. Найдем её.
Изменение магнитного потока равно
В формуле (570) α — это угол между нормалью плоскости, омываемой при движении проводника, и вектором индукции .

Возникновение электродвижущей силы индукции было важнейшим открытием в области физики. Оно явилось основополагающим для развития технического применения этого явления.
Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/1-24.jpg 765w»>
Майкл Фарадей
История
В 20-е годы 19-го века датчанин Эрстед наблюдал за отклонением магнитной стрелки при расположении ее рядом с проводником, по которому протекал электроток.
Это явление захотел исследовать ближе Майкл Фарадей. С большим упорством он преследовал свою цель – преобразовать магнетизм в электричество.
Первые опыты Фарадея принесли ему ряд неудач, так как он изначально считал, что значительный постоянный ток в одном контуре может сгенерировать ток в рядом находящемся контуре при условии отсутствия электрической связи между ними.
Исследователь видоизменил эксперименты, и в 1831 году они увенчались успехом. Опыты Фарадея начинались с наматывания медной проволоки вокруг бумажной трубки и соединения ее концов с гальванометром. Затем ученый погружал магнит внутрь катушки и замечал, что стрелка гальванометра давала мгновенное отклонение, показывая, что в катушке был индуцирован ток. После вынимания магнита наблюдалось отклонение стрелки в противоположном направлении. Вскоре в ходе других экспериментов он заметил, что в момент подачи и снятия напряжения с одной катушки появляется ток в рядом находящейся катушке. Обе катушки имели общий магнитопровод.
Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/2-21-120×74..jpg 706w»>
Опыты Фарадея
Многочисленные опыты Фарадея с другими катушками и магнитами были продолжены, и исследователь установил, что сила индуцированного тока зависит от:
количества витков в катушке;
силы магнита;
скорости, с которой магнит погружался в катушку.
Термин «электромагнитная индукция» (эми) относится к явлению, что ЭДС генерируется в проводнике переменным внешним магнитным полем.
Формулирование закона электромагнитной индукции
Словесная формулировка закона электромагнитной индукции: индуцированная электродвижущая сила в любом замкнутом контуре равна отрицательной временной скорости изменения магнитного потока, заключенного в цепь.
Это определение математически выражает формула:
Е = — ΔΦ/ Δt,
где Ф = В х S, с плотностью магнитного потока В и площадью S, которую пересекает перпендикулярно магнитный поток.
Дополнительная информация. Существуют два разных подхода к индукции. Первый – объясняет индукцию с помощью силы Лоренца и ее действия на движущийся электрозаряд. Однако в определенных ситуациях, таких как магнитное экранирование или униполярная индукция, могут возникнуть проблемы в понимании физического процесса. Вторая теория использует методы теории поля и объясняет процесс индукции с помощью переменных магнитных потоков и связанных с ними плотностей этих потоков.
Физический смысл закона электромагнитной индукции формулируется в трех положениях:
Изменение внешнего МП в катушке провода индуцирует в ней напряжение. При замкнутой проводящей электроцепи индуцированный ток начинает циркулировать по проводнику;
Величина индуцированного напряжения соответствует скорости изменения магнитного потока, связанного с катушкой;
Направление индукционной ЭДС всегда противоположно причине, ее вызвавшей.
Data-lazy-type=»image» data-src=»http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/3-18-600×367.jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/3-18-768×470..jpg 120w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/3-18.jpg 900w»>
Закон электромагнитной индукции
Важно! Формула для закона электромагнитной индукции применяется в общем случае. Не существует известной формы индукции, которая не может быть объяснена изменением магнитного потока.
ЭДС индукции в проводнике
Для расчета индукционного напряжения в проводнике, который движется в МП, применяют другую формулу:
E = — B x l x v х sin α, где:
В – индукция;
l – протяженность проводника;
v – скорость его движения;
α – угол, образованный направлением перемещения и векторным направлением магнитной индукции.
Важно! Способ определения, куда направлен индукционный ток, создающийся в проводнике: располагая правую руку ладонью перпендикулярно вхождению силовых линий МП и, отведенным большим пальцем указывая направление перемещения проводника, узнаем направление тока в нем по распрямленным четырем пальцам.
Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/4-17-210×140.jpg 210w»>
Правило правой руки
Законы электролиза
Исторические опыты Фарадея в 1833 году были связаны и с электролизом. Он брал пробирку с двумя платиновыми электродами, погруженными в растворенный хлорид олова, нагретый спиртовой лампой. Хлор выделялся на положительном электроде, а олово – на отрицательном. Затем он взвешивал выделившееся олово.
В других опытах исследователь соединял емкости с разными электролитами последовательно и замерял количество осаждающегося вещества.
На основании этих экспериментов формулируются два закона электролиза:
Первый из них: масса вещества, выделяемого на электроде, прямо пропорциональна количеству электричества, пропускаемого через электролит. Математически это записывают так:
m = K x q, где К – константа пропорциональности, называемая электрохимическим эквивалентом.
Сформулируйте его определение, как масса вещества в г, высвобождаемая на электроде при прохождении тока в 1 А за 1 с либо при прохождении 1 Кл электричества;
Data-lazy-type=»image» data-src=»http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/5-13-600×342.jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/5-13-768×438..jpg 960w»>
Первый закон электролиза
Второй закон Фарадея гласит: если одинаковое количество электричества пропускается через разные электролиты, то количество веществ, высвобождаемых на соответствующих электродах, прямо пропорционально их химическому эквиваленту (химический эквивалент металла получается путем деления его молярной массы на валентность – M/z).
Для второго закона электролиза используется запись:
Здесь F – постоянная Фарадея, которая определяется зарядом 1 моля электронов:
F = Na (число Авогадро) х e (элементарный электрозаряд) = 96485 Кл/моль.
Запишите другое выражение для второго закона Фарадея:
m1/m2 = К1/К2.
Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/6-7-768×528..jpg 800w»>
Второй закон электролиза
Например, если взять две соединенных последовательно электролитических емкости, содержащие раствор AgNO 3 и CuSO 4, и пропустить через них одинаковое количество электричества, то соотношение массы осажденной меди на катоде одной емкости к массе осажденного серебра на катоде другой емкости будет равно отношению их химических эквивалентов. Для меди это Оцените статью:
Электромагнитная индукция — Energy Education
Рис. 1. Одно из первых устройств Майкла Фарадея для демонстрации индукции. ^[1]
Электромагнитная индукция — это производство электродвижущей силы (ЭДС), возникающей в результате относительного движения между магнитным полем и проводником. Он был открыт в 1831 году Майклом Фарадеем, ^[2] и закладывает основу для выработки электроэнергии на электростанциях, электродвигателях и схемах переменного тока, которые питают электросети, трансформаторы и многие другие явления.
Уравнение, математически описывающее электромагнитную индукцию, — это Закон Фарадея , который гласит, что любое изменение магнитной среды витого провода вызывает индуцирование напряжения (ЭДС). ^[3] Фарадей нашел много способов для этого, например, изменение напряженности магнитного поля, перемещение магнита через катушку с проволокой и перемещение катушки через магнитное поле, и это лишь некоторые из них. Напряжение (ЭДС), генерируемое в катушке с проволокой, можно описать следующим уравнением: ^[3]
[math] EMF = -N \ frac {\ Delta (BA)} {\ Delta t} [/ math]
где
[math] N [/ math] — количество витков в проводе.
[math] \ Delta (BA) [/ math] — изменение магнитного потока.
[math] \ Delta t [/ math] — это изменение во времени.
Способы, которые Фарадей нашел для изменения этого потока, как указано выше, могут быть представлены в этом уравнении.Причина, по которой это уравнение является отрицательным, заключается в законе Ленца, который требует, чтобы любое изменение магнитного потока воспроизводилось проводом с одинаковой силой, но в противоположном направлении.
Закон Фарадея важен для многих электромагнитных приложений в мире, включая автомобили. Система зажигания в двигателе внутреннего сгорания автомобиля потребляет от аккумулятора всего 12 вольт и увеличивает его до 40000 вольт! Посетите Hyperphysics, чтобы узнать, как это сделать.
PhET Моделирование индукции
PhET любезно позволил нам использовать их модели, а приведенное ниже демонстрирует закон электромагнитной индукции Фарадея.Видно, что напряжение изменяется по мере изменения магнитного потока через него.
Для дальнейшего чтения
Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:
Список литературы
Явление электромагнитной индукции — A Класс 12 по физике CBSE
Подсказка: Процесс электромагнитной индукции регулируется законом электромагнитной индукции Фарадея. Майкл Фарадей обнаружил, что когда катушка помещается в изменяющийся магнитный поток, в катушке создается электродвижущая сила, которая может вызвать ток при подходящих условиях.
Используемая формула:
ЭДС $ E $, генерируемая в катушке, помещенной в изменяющийся магнитный поток, определяется как
$ E = — \ dfrac {d {{\ phi} _ {B}}} {dt} $
, где $ \ dfrac {d {{\ phi} _ {B}}} {dt} $ — скорость изменения магнитного потока $ \ left ({{\ phi} _ {B}} \ right) $ со временем $ \ left (т \ право) $.
Отрицательный знак означает, что ЭДС создает ток в направлении, противодействующем изменяющемуся магнитному потоку.
Полный шаг за шагом ответ:
Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции.Его закон гласит, что ЭДС возникает в проводящей катушке всякий раз, когда она находится в изменяющемся магнитном потоке. Когда к катушке подключена нагрузка, в катушке течет ток из-за ЭДС.
Математическое выражение закона электромагнитной индукции Фарадея выглядит следующим образом.
ЭДС $ E $, генерируемая в катушке, помещенной в изменяющийся магнитный поток, равна
$ E = — \ dfrac {d {{\ phi} _ {B}}} {dt} $
, где $ \ dfrac {d {{\ phi} _ {B}}} {dt} $ — скорость изменения магнитного потока $ \ left ({{\ phi} _ {B}} \ right) $ со временем $ \ left (t \ right ) $.
Отрицательный знак означает, что ЭДС создает ток в направлении, противодействующем изменяющемуся магнитному потоку.
Магнит создает собственное магнитное поле и, следовательно, магнитный поток. Когда катушка приближается к магниту, и между ними создается относительное движение за счет перемещения магнита или катушки, тогда величина магнитного потока, проходящего через катушку, изменяется. Это изменение магнитного потока вызывает ЭДС и, следовательно, последующий электрический ток в катушке. Поэтому говорят, что ток в катушке индуцируется электромагнитно.
Следовательно, правильный вариант: C) Процесс создания индуцированного тока в катушке всякий раз, когда между катушкой и магнитом происходит относительное движение.
Примечание: учащиеся должны помнить, что только относительное движение вызывает изменение магнитного потока, проходящего через катушку. Таким образом, если магнит и катушка просто держать рядом друг с другом, в катушке не будет индуцированного тока, поскольку нет относительного движения. Эта концепция часто используется в качестве уловки, чтобы соблазнить учащихся пойти по неверному пути мышления.
Отрицательный знак в математическом выражении закона электромагнитной индукции Фарадея очень важен. Это означает, что создаваемая ЭДС имеет тенденцию противодействовать изменению потока, то есть следствие противодействует причине. Это основное свойство многих природных явлений, когда эффект явления пытается противодействовать его причине. Другой такой пример: трение (следствие) возникает только тогда, когда между двумя поверхностями существует относительное движение (причина), и трение пытается противодействовать относительному движению (следствие противостоит причине).
Электромагнитная индукция — тригонометрия и генерация однофазного переменного тока для электриков
Электромагнитная индукция — это когда напряжение создается путем пропускания проводника через магнитное поле.
Рисунок 45. Магнитные полюса и индукция
Величину напряжения можно изменять тремя факторами:
Размер магнитного поля. Чем больше линий магнитного потока, тем больше линий магнитного потока необходимо для разрезания проводника.Сила потока прямо пропорциональна наведенному напряжению.
Активная длина проводника. Активная длина означает часть проводника, которая фактически проходит через поле. Активная длина прямо пропорциональна индуцированному напряжению.
Скорость, с которой проводник проходит через поле. Чем быстрее проводник проходит через поле, тем больше индуцируемое напряжение. Скорость прямо пропорциональна наведенному напряжению.
Эти отношения к напряжению можно разбить на следующую формулу: e = βlv.
Где:
e = пиковое напряжение, индуцированное в катушке индуктивности (вольт)
B = напряженность поля между полюсами (тесла)
l = активная длина жилы (метры)
v = скорость проводника через поле (м / сек)
Вот пример.
Проводник с активной длиной 4 метра проходит через поле 5 тесла со скоростью 15 метров в секунду. Определите пиковое напряжение, индуцированное на этом проводе.
(4 м) (5 Тл) (15 м / сек) = 300 В пиковое значение
Это безумие! Кто это открыл?
Открытие электромагнитной индукции приписывается Майклу Фарадею, который обнаружил, что когда он пропускает магнитное поле через проводник, течет ток.
Пока существует движение между полем и проводником, может индуцироваться напряжение. Это может означать, что проводник проходит через поле или поле проходит через проводник.
Далее: Генератор
Электромагнитная индукция | Магнетизм и электромагнетизм
В то время как удивительное открытие электромагнетизма Эрстедом проложило путь для более практических приложений электричества, именно Майкл Фарадей дал нам ключ к практическому генерации электричества: электромагнитной индукции .Фарадей обнаружил, что напряжение будет генерироваться на отрезке провода, если на этот провод воздействовать перпендикулярным потоком магнитного поля изменяющейся интенсивности.
Простой способ создать магнитное поле изменяющейся интенсивности — переместить постоянный магнит рядом с проволокой или катушкой с проволокой.
Помните: Магнитное поле должно увеличиваться или уменьшаться по напряженности перпендикулярно к проводу (так, чтобы силовые линии «пересекали» провод ), иначе не будет индуцироваться напряжение.
Фарадей смог математически связать скорость изменения потока магнитного поля с индуцированным напряжением (обратите внимание на использование строчной буквы «е» для обозначения напряжения. Это относится к мгновенному напряжению или напряжению в определенной точке в время, а не постоянное стабильное напряжение.):
Термин «d» представляет собой стандартную нотацию расчетов, представляющую скорость изменения потока во времени. «N» обозначает количество витков или витков в катушке с проволокой (предполагается, что проволока имеет форму катушки для максимальной электромагнитной эффективности).
Это явление используется в конструкции электрических генераторов, которые используют механическую энергию для перемещения магнитного поля мимо катушек с проволокой для генерации напряжения. Однако это далеко не единственное практическое применение этого принципа.
Если мы вспомним, что магнитное поле, создаваемое токоведущим проводом, всегда перпендикулярно этому проводу, и что сила потока этого магнитного поля изменяется в зависимости от величины тока, проходящего через него, мы можем видеть, что провод способен индуцировать напряжение вдоль его собственной длины просто из-за изменения тока через него.Этот эффект называется самоиндукцией : изменяющееся магнитное поле, создаваемое изменениями тока через провод, индуцирующее напряжение по длине того же провода. Если поток магнитного поля усиливается путем сгибания провода в форме катушки и / или наматывания этой катушки на материал с высокой проницаемостью, этот эффект самоиндуцированного напряжения будет более интенсивным. Устройство, сконструированное для использования этого эффекта, называется индуктором и будет обсуждаться более подробно в следующей главе.
ОБЗОР:
Магнитное поле изменяющейся интенсивности перпендикулярно проводу будет индуцировать напряжение по всей длине этого провода. Величина индуцированного напряжения зависит от скорости изменения потока магнитного поля и количества витков провода (если он намотан), подверженных изменению магнитного потока.
Уравнение Фарадея для индуцированного напряжения: e = N (dΦ / dt)
Токоведущий провод будет испытывать наведенное напряжение по всей его длине, если ток изменится (таким образом, изменится поток магнитного поля, перпендикулярный проводу, и возникнет напряжение в соответствии с формулой Фарадея).Устройство, созданное специально для использования этого эффекта, называется дросселем .
СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:
Электромагнитное явление — обзор
Электрический и магнитный поток
Как отмечалось ранее, сила электрического или магнитного поля пропорциональна плотности соответствующих силовых линий в определенной области пространства. Эти силовые линии соответствуют электрическому и магнитному потокам, физической величине, которая является центральной для электромагнитных явлений, описываемых уравнениями Максвелла.
Определение потока вводится сразу же, поскольку это скорость изменения электрического и магнитного потоков во времени, которая приводит к генерации магнитного и электрического полей, соответственно. Такой экономичный подход имеет некоторое оправдание, поскольку это эффективный способ выполнения простых вычислений, связанных с информационной безопасностью.
Электрический поток ψ через поверхность площадью A , перпендикулярную направлению электрического поля E , определяется следующим образом:
(4.1) ψ = EA
, где ɛ — относительная электрическая проницаемость или диэлектрическая проницаемость. Другими словами, электрический поток — это общее количество силовых линий электрического поля, пересекающих поверхность площадью A .
В точной аналогии магнитный поток ø через поверхность площадью A , которая перпендикулярна магнитному полю B , определяется следующим образом:
(4.2) ø = μBA
, где μ — диэлектрическая проницаемость свободного пространства. Магнитный поток — это общее количество силовых линий магнитного поля, пересекающих поверхность площадью A .
Концепция потока имеет решающее значение для понимания электромагнитных явлений и, следовательно, важно для понимания основ информационной безопасности. Может оказаться полезной аналогия с более интуитивной физической величиной. ⁴
Рассмотрим воображаемую прямоугольную петлю или поверхность площадью A . Вода течет через плоскость этого контура со скоростью v . Для простоты предположим, что вода течет перпендикулярно плоскости A , хотя следует учитывать, что это особый случай, поскольку вода может течь под углом к петле.Для этой конкретной геометрии поток воды через воображаемую поверхность — это объем воды в единицу времени v , который проходит через площадь поперечного сечения A . Таким образом, поток воды Φ _Вт = ВА .
Важно отметить, что поток характеризует количество «вещей», например, вода, частицы, бананы, электрические и магнитные поля автомобилей, которые пересекают произвольную границу в единицу времени.
Теперь предположим, что плоскость петли или поверхности ориентирована под углом, параллельным направлению потока воды.В этом случае вода не течет через плоскость петли. Следовательно, поток, как определено ранее, равен нулю. Перпендикулярная и параллельная ориентации петли относительно направления потока — это две простейшие геометрии, относящиеся к потоку.
В целом сценарий не такой удобный. Фактически, цель обсуждения векторов и поверхностных интегралов — обратиться к более сложной геометрии, которая возникает в сценариях информационной безопасности.
Более общая проблема заключается в вычислении потока, когда плоскость контура ориентирована под некоторым произвольным углом по отношению к направлению «материала», текущего по поверхности.В сценариях, относящихся к информационной безопасности, поток обычно представляет собой силовые линии магнитного или электрического поля. Более того, величина силы, создаваемой этими полями, пропорциональна плотности силовых линий электрического или магнитного поля, которые «текут» по поверхности.
Рис. 4.2 помогает визуализировать два крайних случая потока. Изображены две поверхности, перпендикулярные и параллельные направлению падающего потока. ⁵ В первом поток максимальный, а во втором поток равен нулю.
Рисунок 4.2. Максимальный и минимальный поток векторного поля через поверхность.
Вероятно, становится очевидным, что поток электрического и магнитного полей каким-то образом имеет отношение к обнаружению электромагнитного сигнала. Однако некоторые концепции все еще отсутствуют. В частности, вводится понятие вектора, после чего следует обсуждение поверхностных интегралов. Они позволяют проводить общие расчеты скорости изменения электрического и магнитного потоков во времени, что помогает объяснить пределы обнаружения сигнала.
Когда любая среда, состоящая из электрических зарядов, помещается в электрическое поле, заряды в ней выравниваются в соответствии с ориентацией и силой приложенного поля. В общем, заряды становятся поляризованными или слегка разделенными в соответствии с ориентацией приложенного поля.
Обратите внимание, что приложенное электрическое поле обычно колеблется с некоторой заданной частотой, и поэтому поляризация или разделение зарядов будут изменяться в ответ. Но не все материалы и заряды в них одинаково реагируют на силу приложенного электрического поля.Диэлектрическая проницаемость среды указывает на величину поляризации, которая существует в материале в результате приложенного электрического поля. ⁶
На рис. 4.3 электрическое поле привело к поляризации положительных и отрицательных зарядов. ⁷ Электрическое поле одинаковой величины заставляет заряды в одном материале поляризоваться сильнее, чем в другом, о чем свидетельствует разница в разделении положительных и отрицательных зарядов. Считается, что более поляризованный материал имеет более высокую диэлектрическую проницаемость.
Рисунок 4.3. Слабая и сильная поляризация и диэлектрическая проницаемость.
Не менее достоверная интерпретация того же эффекта проиллюстрирована на рис. 4.4. Низкая плотность электрического потока в материале слева вызывает ту же поляризацию, что и материал справа, который имеет высокую плотность электрического потока. Следовательно, материал слева имеет высокую диэлектрическую проницаемость, поскольку такая же поляризация была достигнута при более низкой плотности потока.
Рисунок 4.4. Низкая и высокая плотность электрического потока на единицу заряда в зависимости от диэлектрической проницаемости.
Относительная диэлектрическая проницаемость материала известна как диэлектрическая проницаемость, и этот термин может быть более знаком читателям. Относительная диэлектрическая проницаемость — это диэлектрическая проницаемость относительно вакуума. Диэлектрическая проницаемость вакуума определена равной единице, а для воздуха — 1.00058986 ± 0.00000050. Таким образом, относительная диэлектрическая проницаемость воздуха примерно равна диэлектрической проницаемости вакуума.
Электромагнитная индукция, закон Фарадея и закон Ленца
Категория: Физика
Среди самых сложных концепций программы HSC Physics — электромагнитная индукция и связанный с ней закон Фарадея и закон Ленца.Эти концепции представлены в модуле «Двигатели к генераторам» старой программы HSC Physics и в модуле «Electromagnetism» новой программы HSC Physics. Трудность для учащихся понять и уметь убедительно объяснить эти концепции заключается в том, что, во-первых, это не интуитивное явление, наблюдаемое в повседневной жизни (например, движение снаряда). Кроме того, хотя математика, лежащая в основе электромагнитной индукции, проста в программе HSC Physics, методология ответов на вопросы экзамена все еще сравнительно сложнее, чем другие темы.Это руководство охватывает все, что вам нужно знать об индукции, с множеством примеров, пошаговых объяснений и советов о том, как отвечать на такие вопросы, так что читайте дальше!
Электромагнитная индукция
В 1831 году Майкл Фарадей сделал одно из важнейших открытий в физике: явление электромагнитной индукции. Электромагнитная индукция — это явление, при котором изменяющееся магнитное поле вызывает появление электрического тока. Фарадей заметил, что ток течет через петли катушки только тогда, когда он перемещал магнит по отношению к катушке.Он также заметил, что характеристики тока зависят от:
1. Как быстро он перемещал магнит (это влияло на величину)
2. Какой магнитный полюс был обращен к катушке и двигался ли он к катушке или от нее (это влияло на направление)
Закон Фарадея
В ходе своих экспериментов Фарадей разработал знаменитый закон Фарадея, который является одним из самых важных понятий в программе HSC Physics. Закон Фарадея гласит:
Электродвижущая сила, индуцированная изменяющимся магнитным полем, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через площадь, а также количеству витков катушки.
Формула, которая не приведена в справочном листе HSC Physics, описывающем закон Фарадея: $$ EMF = -n \ frac {ΔФ} {Δt} $$ Вы должны уметь расшифровывать и использовать закон Фарадея очень часто, поэтому давайте объясним каждый из его компонентов:
• Электродвижущая сила ($ EMF $) — это индуцированное напряжение, вызванное изменяющимся магнитным полем. Его название вводит в заблуждение, поскольку это определенно не сила!
• Магнитный поток ($ Ф $) представляет собой количество силовых линий магнитного поля, проходящих через область.Он измеряется в Веберсах (Вт) и зависит от площади $ A $, плотности магнитного потока ($ B $ — также известной как напряженность магнитного поля) и угла между силовыми линиями и плоскостью области ($ θ $). $$ Ф = BA \ cos {θ} $$
• Скорость изменения магнитного потока ($ \ frac {ΔФ} {Δt} $) относится к скорости изменения магнитного поля. С точки зрения расчетов, это равно первой производной магнитного потока по времени.
• Число витков катушки ($ n $) не требует пояснений.Во многих случаях, когда есть только один цикл, $ n = 1 $.
• Отрицательный знак относится к закону Ленца , который будет объяснен позже.
Следует отметить, что закон Фарадея предсказывает индукцию напряжения (ЭДС), а не тока. Ток (если он появляется) является результатом этого напряжения ЭДС, но должны выполняться два условия:
1. Должен быть проводящий материал (металл), и
2. Для протекания тока должен быть замкнутый путь.
Вы можете визуализировать закон Фарадея и эксперименты с электромагнитной индукцией на анимации ниже. Попробуйте перемещать магнит по направлению к катушке, от нее и вокруг нее с разной скоростью, и вы увидите, как ток течет через лампу и гальванометр.
Изменения магнитного потока
В экзаменационных вопросах HSC Physics электромагнитная индукция и скорость изменения потока через область ($ \ frac {ΔФ} {Δt} $) могут быть результатом различных ситуаций. Вы должны уметь их идентифицировать и интерпретировать, поэтому вот исчерпывающий список, который следует запомнить:
1.Когда магнит движется к катушке или проводящей поверхности или от них.
2. Когда катушка или проводящая поверхность движется к магниту или от него.
3. Когда область, через которую проходят силовые линии, меняет форму (например, сжатие или растяжение, позволяющее проходить более низкому или более высокому потоку соответственно).
4. При изменении напряженности магнитного поля.
5. Когда токопроводящая поверхность / катушка вращается в магнитном поле (например, что происходит с двигателями).
6.Когда существует относительное движение между магнитом и проводящей поверхностью / катушкой (не обязательно по направлению или в сторону друг от друга) — это может быть, например, когда металлический диск вращается параллельно магниту (индукция разрывается).
7. Когда есть магнитное поле, вызванное переменным током (AC) или вращающимся магнитным полем (как в асинхронных двигателях).
Закон Ленца
Как мы видели ранее, закон Ленца объясняет отрицательный знак в формуле закона Фарадея.Закон Ленца гласит:
Индуцированная ЭДС будет в направлении, противоположном причине (изменение магнитного потока), которая ее создала.
Закон Ленца на самом деле является результатом сохранения энергии: энергия, используемая (работа) для изменения магнитного потока через область (например, при перемещении магнита), преобразуется в тепловую энергию, когда ток течет через проводящую петлю (или область ). В вопросах физики HSC очень важен закон Ленца, поскольку он помогает нам предсказать и объяснить, что происходит в любой ситуации, когда изменяется магнитный поток (см. Список из 7 случаев выше).Вы всегда должны пытаться ответить на эти вопросы шаг за шагом, обратившись к:
1. Изменение магнитного потока через рассматриваемую область и влияние на $ \ frac {ΔФ} {Δt} $.
2. Закон Фарадея, предсказывающий возникновение ЭМП.
3. Возникновение тока в результате ЭДС (при соблюдении условий замкнутости пути и наличия токопроводящего материала).
4. Появление магнитного поля в результате индуцированного тока (используйте правило правого захвата, чтобы понять его направление).
5. Примените закон Ленца, чтобы определить направление поля, которое противодействовало изменению, вызвавшему ЭДС (шаг 1). Это наиболее важный шаг — вы должны сначала четко указать изменение, а затем спрогнозировать «противоположную» реакцию на это изменение (которое обычно относится к генерации электрического тока). Вы должны попытаться интерпретировать изменения магнитного потока и закон Ленца как с точки зрения направления линий магнитного поля , так и с точки зрения величины потока , протекающего во время изменения (больше или меньше линий), .
Применение электромагнитной индукции
Генераторы
Явление электромагнитной индукции имеет решающее значение для развития нашего современного общества, поскольку на нем основано производство электроэнергии. Генератор переменного тока состоит из вращающейся катушки в магнитном поле. Работа для вращения змеевика обеспечивается внешним источником — например, аккумулятором, сжиганием топлива (нефть, уголь, природный газ и т. Д.) Или механической энергией ветра или воды, протекающей через турбину.В любом случае, поскольку внутри магнитного поля находится вращающаяся катушка, магнитный поток через катушку будет постоянно изменяться, и это, в свою очередь, вызывает индукцию ЭДС и тока.
На рисунке выше вы можете увидеть, как изменяется магнитный поток при изменении положения катушки (красная кривая). Как мы видели выше, скорость изменения потока $ \ frac {ΔФ} {Δt} $ является производной кривой магнитного потока, а $ EMF $ (синяя кривая) является отрицательной производной кривой магнитного потока (из-за Закон Ленца).Предполагая, что катушка начинается параллельно линиям магнитного поля, вы можете использовать некоторые вычисления (необязательные в физике HSC, но они помогают, если вы выполняете математику с двумя единицами или расширениями!), Чтобы запомнить и объяснить индукцию $ EMF $:
• Кривая магнитного потока $ Ф (t) $ может быть представлена кривой $ \ sin $.
• Скорость изменения кривой магнитного потока $ \ frac {ΔФ} {Δt} $ может быть представлена кривой $ \ cos $, поскольку это производная от $ \ sin $.
• Кривая $ EMF $ может быть представлена кривой $ — \ cos $ согласно закону Ленца.
Версия с генератором постоянного тока имеет разрезное кольцо вместо контактного кольца (как в двигателе постоянного тока), чтобы гарантировать, что направление индуцированного тока не изменится.
Задний ЭДС
Во время работы двигателя катушка вращается внутри магнитного поля (в результате моторного эффекта). В результате электромагнитной индукции возникает наведенная ЭДС, пропорциональная скорости изменения магнитного потока (или, проще говоря, скорости вращения катушки двигателя).Это называется «обратная ЭДС», так как согласно закону Ленца индуцированный ток будет создавать поле, противодействующее изменению магнитного поля, которое вызвало его в первую очередь. Чтобы понять и объяснить обратную ЭДС в вопросах физики HSC, вы должны быть в состоянии убедительно обрисовать следующее:
1. ЭДС питания двигателя постоянного тока постоянна и равна напряжению, подаваемому батареей.
2. Обратная ЭДС является результатом закона Ленца и пропорциональна скорости вращения — чем быстрее вращается катушка двигателя, тем выше обратная ЭДС.Однако она никогда не может превышать ЭДС питания, так как это противоречило бы закону сохранения энергии.
3. Чистая ЭДС — это алгебраическая сумма ЭДС питания и обратной ЭДС, которые противоположны друг другу и, следовательно: $ net = $ обратной поставки.
Вы можете увидеть, как это развивается со временем после запуска двигателя, ниже:
Скорость вращения двигателя увеличивается со временем, и в конечном итоге обратная ЭДС будет равна ЭДС питания, в результате чего чистая ЭДС и чистый электрический ток будут равны нулю.После этого частота вращения двигателя остается постоянной. В реальных двигателях постоянного тока чистая ЭДС на самом деле не равна нулю, поскольку на сопротивлении цепи есть некоторое падение напряжения (однако тот факт, что вращение двигателя достигает предела, все еще остается в силе).
Это также объясняет причину, по которой переменные резисторы могут использоваться в больших двигателях — когда двигатели включены, обратная ЭДС равна нулю, и, следовательно, общая ЭДС будет очень высокой, что приведет к чрезмерным и опасным токам. Переменный резистор гарантирует, что общее сопротивление будет очень высоким (и, следовательно, общий ток будет очень низким — закон Ома) в эти первые моменты времени, пока не сработает обратная ЭДС.
Индукционное торможение
Явление индукционного торможения возникает, когда проводящая поверхность движется или вращается относительно магнитного поля. В обоих случаях магнитный поток, проходящий через участок проводящей поверхности, изменяется, что приводит к возникновению электромагнитной индукции ЭДС. Вместо одиночного тока, протекающего по петле, у нас есть концентрические токи, протекающие через этот участок проводящей поверхности, называемые вихревыми токами .Это явление можно наблюдать, если уронить магнит через металлическую трубку и увидеть, как он замедляется, или с помощью индукционных тормозов в поездах.
Согласно закону Ленца, эти вихревые токи будут течь в направлении, противоположном изменениям магнитного потока из-за относительного движения поверхности и магнитного поля. В результате поле, вызванное вихревыми токами, пытается «замедлить» движение — явление, известное как индукционное торможение. Давайте посмотрим на пример индукционного торможения.
1.Поскольку металлическая пластина входит в поле с левой стороны, $ \ frac {ΔФ} {Δt} $ через область увеличивается, поскольку все больше линий магнитного поля, указывающих на внутри страницы , проходят через эту область.
2. Согласно закону Ленца индуцированные вихревые токи должны противодействовать этому изменению и, следовательно, должны течь в направлении, которое создает магнитное поле с линиями, указывающими за пределами страницы.
3. Если мы воспользуемся правилом захвата правой рукой с большим пальцем (направление поля), направленным за пределы страницы, мы увидим, что текущее направление (пальцы) должно быть против часовой стрелки.Вот почему красный ток ($ I_1 $) течет в направлении, показанном на диаграмме.
4. Точно так же ток $ I_2 $ должен быть направлен по часовой стрелке, чтобы создать поле, которое противодействует изменению магнитного потока, когда металлическая пластина выходит из поля. Когда пластина выходит, на меньше линий поля , указывающих внутри страницы, протекает через поверхность, и, следовательно, вихревые токи должны генерировать поле, указывающее и внутри страницы, в попытке создать на больше линий поля , указывающих внутрь.
через GIPHY
Примеры стилей экзамена по физике HSC
Закон Ленца в соленоиде

В этом вопросе нам дается текущее направление, входящее сзади соленоида и выходящее спереди.Следовательно, мы должны работать в обратном направлении, чтобы понять, какое изменение магнитного потока вызвало индукцию такого тока.
1. Используя правую ручку для захвата, пальцы входят за соленоид и выходят спереди, мы можем видеть, что направление индуцированного магнитного поля (большой палец) указывает вправо.
2. Это означает, что северный полюс индуцированного поля находится с правой стороны соленоида, а южный полюс — с левой стороны от соленоида.
3.Вспоминая магнитное поле, вызванное стержневым магнитом, это означает, что индуцированный ток вызывает еще линий поля, линий, входящих с левой стороны (южный полюс).
4. Это означает, что согласно закону Ленца, изменение потока, которое индуцировало ток, должно было быть противоположным направлением — то есть на меньше силовых линий, входящих с левой стороны и .
5. Поскольку северный полюс магнита обращен к соленоиду, изменение магнитного потока, определенное на шаге 4, должно происходить, когда магнит перемещается от соленоида, то есть когда магнит перемещается влево, а катушка движется к правильно (ответ А).
Закон Ленца и наведенный ток в кольце
Что касается первого вопроса, мы сначала должны заявить, что при изменении магнитного потока через это кольцо будет возникать наведенная ЭДС. Поскольку это металлическое кольцо и есть замкнутый путь, ток будет течь по кольцу в результате индуцированного напряжения (ЭДС).
Что касается направления тока, и, как мы обсуждали ранее, нам необходимо идентифицировать изменение магнитного потока через область (кольцо):
1.Мы можем видеть, что в результате изменения еще линий магнитного поля текут к верхней части страницы .
2. Согласно закону Ленца индуцированный ток будет в направлении, противоположном изменению « больше силовых линий — к вершине ». Противоположное направление будет тогда: «, больше, строк поля — к нижней части страницы, » (эквивалентно «меньшему количеству строк поля — к верхней части страницы»).
3.{-3}} $$ $$ EMF = -0,006 Вольт $$ Вспоминая закон Ома: $$ I = \ frac {V} {R} $$ $$ I = \ frac {0.006} {0.003} $$ $$ I = 2 ампера $$
Контрольный список для проверки электромагнитной индукции
Студент HSC Physics, проходящий пробный, HSC или даже небольшой тест, который включает электромагнитную индукцию, должен уметь делать следующее, чтобы быть хорошо подготовленным к любому вопросу:
⚡ Объясните, почему электродвижущая сила индуцируется в результате изменения магнитного потока, проходящего через область.
⚡ Используйте закон Фарадея для качественного и количественного прогнозирования величины ЭДС как функции скорости ($ \ frac {ΔФ} {Δt} $) изменения.
⚡ Используйте закон Ленца и правило правой руки, чтобы обосновать направление тока при изменении магнитного потока.
⚡ Используйте закон Ленца и правило правой руки, чтобы определить изменение магнитного потока через область при наличии тока.
⚡ Объясните, как в двигателях постоянного тока возникает обратная ЭДС, а также ее влияние на работу двигателя.
⚡ Объясните, как работает генератор переменного или постоянного тока, включая графики изменения магнитного потока и ЭДС во времени при вращении катушки.
⚡ Используйте закон Фарадея и закон Ленца, чтобы объяснить возникновение и направление вихревых токов в ситуациях, когда магнитный поток через проводящую поверхность изменяется.
Электромагнитная индукция: определение и переменные, влияющие на индукцию — Видео и стенограмма урока
Электромагнитная индукция
Буквально на днях я был в магазине, покупая продукты.Я попытался заплатить своей кредитной картой, но когда я провел картой через платежный терминал, появилось сообщение о том, что карта не может прочитать мою карту. Попробовав еще пару раз, кассир наконец предложил мне помочь. Она взяла мою карточку и очень быстро пропустила ее через кардридер и… вуаля! Это сработало! Может показаться, что ей просто повезло, но оказалось, что это сработало по очень научной причине. Однако нам нужно узнать об электромагнитной индукции, прежде чем все это обретет смысл.
В начале 19 века ученый по имени Майкл Фарадей опубликовал несколько работ по электромагнитной индукции , которая представляет собой способность изменяющегося магнитного поля индуцировать напряжение в проводнике. Чтобы лучше понять это явление, Фарадей провел ряд экспериментов. В одном из этих экспериментов использовались катушка с проволокой, постоянный магнит и устройство для определения напряжения в проводе. Когда магнит пропускали через катушку с проволокой, в проволоке индуцировалось напряжение, но оно исчезало, когда магнит переставал двигаться.Фарадей обнаружил, что на величину индуцированного в катушке напряжения влияют два фактора.
Фарадей провел множество экспериментов с магнитными полями и проводниками.
Первым фактором было количество витков провода в катушке, которое увеличивало количество провода, подвергающегося воздействию магнитного поля. Результаты экспериментов Фарадея показали, что индуцированное напряжение увеличивается прямо пропорционально количеству витков в электрической катушке.Другими словами, удвоение количества витков привело к удвоению индуцированного напряжения.
Вторым фактором была скорость изменения магнитного поля. Есть несколько способов изменить магнитное поле. Один из способов — изменить силу поля, создаваемого магнитом. Если мы используем электромагнит для создания магнитного поля, мы можем включать и выключать магнит или просто изменять ток, чтобы изменить силу поля. Второй способ — переместить поле относительно проводника.Мы могли бы сделать это, перемещая катушку в поле или перемещая магнит вокруг катушки — неважно, что, пока существует относительное движение.

Формула	Описание формулы
	Магнитный поток через контур площадью S, где B – модуль вектора магнитной индукции, a – угол между направлением вектора магнитной индукции и нормалью к плоскости контура.
	ЭДС индукции, возникающая в контуре при изменении магнитного потока на величину DF за промежуток времени Dt.
	ЭДС индукции, возникающая в движущемся со скоростью проводнике длиной , где a – угол между направлением вектора магнитной индукции и направлением вектора скорости.
	Коэффициент самоиндукции (индуктивность) контура.
	ЭДС самоиндукции, возникающая в контуре при изменении силы тока на величину DI за промежуток времени Dt.
	Индуктивность соленоида объёмом V, где m – магнитная проницаемость среды, m₀ – магнитная постоянная Гн/м, n – число витков на единицу длины.
	Энергия магнитного поля катушки с индуктивностью L, где I – сила тока, F – магнитный поток.
	Энергия магнитного поля соленоида объёмом V, где B — модуль вектора магнитной индукции.

феномен возникающий в индуцированном поле

Явление электромагнитной индукции

Магнитный поток

Закон электромагнитной индукции Фарадея

Векторная форма

Потенциальная форма

Правило Ленца

Взаимодействие магнита с контуром

Вихревое электрическое поле

Индуктивность

Самоиндукция

Энергия магнитного поля

Основные формулы

Видео

Электромагнитная индукция. | Объединение учителей Санкт-Петербурга

Явление электромагнитной индукции

Открытие явления электромагнитной индукции. Магнитный поток. Направление индукционного тока. Правило Ленца.

Основные формулы и методические рекомендации по решению задач на электромагнитную индукцию

Явление электромагнитной индукции

Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего контур.

Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея

Понятия электромагнитной индукции

Причины изменения магнитного потока

История

Формулирование закона электромагнитной индукции

ЭДС индукции в проводнике

Законы электролиза

Электромагнитная индукция — Energy Education

PhET Моделирование индукции

Для дальнейшего чтения

Список литературы

Явление электромагнитной индукции — A Класс 12 по физике CBSE

Электромагнитная индукция — тригонометрия и генерация однофазного переменного тока для электриков

Электромагнитная индукция | Магнетизм и электромагнетизм

Электромагнитное явление — обзор

Электрический и магнитный поток

Электромагнитная индукция, закон Фарадея и закон Ленца

Электромагнитная индукция

Закон Фарадея

Изменения магнитного потока

Закон Ленца

Применение электромагнитной индукции

Генераторы

Задний ЭДС

Индукционное торможение

Примеры стилей экзамена по физике HSC

Закон Ленца в соленоиде

Закон Ленца и наведенный ток в кольце

Контрольный список для проверки электромагнитной индукции

Электромагнитная индукция: определение и переменные, влияющие на индукцию — Видео и стенограмма урока

Электромагнитная индукция

alexxlab

Добавить комментарий Отменить ответ

Рубрики