Site Loader

Содержание

Электромагнитная индукция — это… Что такое Электромагнитная индукция?

Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него.

Электромагнитная индукция была открыта Майклом Фарадеем 29 августа[источник не указан 100 дней] 1831 года. Он обнаружил, что электродвижущая сила, возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Величина электродвижущей силы (ЭДС) не зависит от того, что является причиной изменения потока — изменение самого магнитного поля или движение контура (или его части) в магнитном поле. Электрический ток, вызванный этой ЭДС, называется индукционным током.

Закон Фарадея

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея (в СИ):

где

 — электродвижущая сила, действующая вдоль произвольно выбранного контура,
 — магнитный поток через поверхность, натянутую на этот контур.

Знак «минус» в формуле отражает правило Ленца, названное так по имени русского физика Э. Х. Ленца:

Индукционный ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре, имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток.

Для катушки, находящейся в переменном магнитном поле, закон Фарадея можно записать следующим образом:

где

 — электродвижущая сила,
 — число витков,
 — магнитный поток через один виток,
 — потокосцепление катушки.

Векторная форма

В дифференциальной форме закон Фарадея можно записать в следующем виде:

(в системе СИ)

или

(в системе СГС).

В интегральной форме (эквивалентной):

(СИ)

или

(СГС)

Здесь  — напряжённость электрического поля,  — магнитная индукция,  — произвольная поверхность,  — её граница. Контур интегрирования подразумевается фиксированным (неподвижным).

Следует отметить, что закон Фарадея в такой форме, очевидно, описывает лишь ту часть ЭДС, что возникает при изменении магнитного потока через контур за счёт изменения со временем самого поля без изменения (движения) границ контура (об учете последнего см. ниже).

  • В этом виде закон Фарадея входит в систему уравнений Максвелла для электромагнитного поля (в дифференциальной или интегральной форме соответственно)
    [1]
    .

Если же, скажем, магнитное поле постоянно, а магнитный поток изменяется вследствие движения границ контура (например, при увеличении его площади), то возникающая ЭДС порождается силами, удерживающими заряды на контуре (в проводнике) и силой Лоренца, порождаемой прямым действием магнитного поля на движущиеся (с контуром) заряды. При этом равенство продолжает соблюдаться, но ЭДС в левой части теперь не сводится к (которое в данном частном примере вообще равно нулю). В общем случае (когда и магнитное поле меняется со временем, и контур движется или меняет форму) последняя формула верна так же, но ЭДС в левой части в таком случае есть сумма обоих слагаемых, упомянутых выше (то есть порождается частично вихревым электрическим полем, а частично силой Лоренца и силой реакции движущегося проводника).

  • Некоторые авторы, например, М. Лившиц в журнале «Квант» за 1998 год[2] отрицают корректность применения термина закон Фарадея или закон электромагнитной индукции и т. п. к формуле в случае подвижного контура (оставляя для обозначения этого случая или его объединения со случаем изменения магнитного поля, например, термин правило потока)[3]. В таком понимании закон Фарадея — это закон, касающийся лишь циркуляции электрического поля (но не ЭДС, создаваемой с участием силы Лоренца), и в этом понимании понятие
    закон Фарадея
    в точности совпадает с содержанием соответствующего уравнения Максвелла.
  • Однако возможность (пусть с некоторыми оговорками, уточняющими область применимости) совпадающей формулировки «правила потока» с законом электромагнитной индукции нельзя назвать чисто случайной. Дело в том, что, по крайней мере для определенных ситуаций, это совпадение оказывается очевидным проявлением принципа относительности. А именно, например, для случая относительного движения катушки с присоединенным к ней вольтметром, измеряющим ЭДС, и источника магнитного поля (постоянного магнита или другой катушки с током), в системе отсчета, связанной с первой катушкой, ЭДС оказывается равной именно циркуляции электрического поля, тогда как в системе отсчета, связанной с источником магнитного поля (магнитом), происхождение ЭДС связано с действием силы Лоренца на движущиеся с первой катушкой носители заряда. Однако та и другая ЭДС обязаны совпадать, поскольку вольтметр показывает одну и ту же величину, независимо от того, для какой системы отсчета мы ее рассчитали.

Потенциальная форма

При выражении магнитного поля через векторный потенциал закон Фарадея принимает вид:

(в случае отсутствия безвихревого поля, то есть тогда, когда электрическое поле порождается полностью только изменением магнитного, то есть электромагнитной индукцией).

В общем случае, при учёте и безвихревого (например, электростатического) поля имеем:

История

В 1820 г. Ганс Христиан Эрстед показал, что протекающий по цепи электрический ток вызывает отклонение магнитной стрелки. Если электрический ток порождает магнетизм, то с магнетизмом должно быть связано появление электрического тока. Эта мысль захватила английского ученого М. Фарадея. «Превратить магнетизм в электричество», — записал он в 1822 г. в своём дневнике. Многие годы настойчиво ставил он различные опыты, но безуспешно, и только 29 августа 1831 г. наступил триумф: он открыл явление электромагнитной индукции. Установка, на которой Фарадей сделал своё открытие, заключалась в том, что Фарадей изготовил кольцо из мягкого железа примерно 2 см шириной и 15 см диаметром и намотал много витков медной проволоки на каждой половине кольца. Цепь одной обмотки замыкала проволока, в её витках находилась магнитная стрелка, удаленная настолько, чтобы не сказывалось действие магнетизма, созданного в кольце. Через вторую обмотку пропускался ток от батареи гальванических элементов. При включении тока магнитная стрелка совершала несколько колебаний и успокаивалась; когда ток прерывали, стрелка снова колебалась. Выяснилось, что стрелка отклонялась в одну сторону при включении тока и в другую, когда ток прерывался. М. Фарадей установил, что «превращать магнетизм в электричество» можно и с помощью обыкновенного магнита.

В это же время американский физик Джозеф Генри также успешно проводил опыты по индукции токов, но пока он собирался опубликовать результаты своих опытов, в печати появилось сообщение М. Фарадея об открытии им электромагнитной индукции.

М. Фарадей стремился использовать открытое им явление, чтобы получить новый источник электричества.

См. также

Примечания

  1. Это уравнение Максвелла может быть переписано в эквивалентном виде
    (здесь просто производная по t внесена под знак интеграла). В таком виде уравнение также может быть включено в систему уравнений Максвелла, причем оговорка о неподвижности контура интегрирования теряет актуальность, так как производная теперь очевидно не действует на границу области (на пределы интегрирования), а само интегрирование в любом случае полагается «мгновенным». В принципе, в таком виде это уравнение также могут называть законом Фарадея (чтобы отличить его от других уравнений Максвелла), пусть в таком виде оно и не совпадает прямо с его обычной формулировкой (но эквивалентно ей в своей области применимости).
  2. М. Лившиц Закон электромагнитной индукции или «правило потока»? // Квант. — 1998. — № 3. — С. 37—38.
  3. Такой отказ объясняется тем, что, в отличие от закона для циркуляции электрического поля, выполняющегося всегда, «правило» корректно работает лишь для случаев, когда контур, в котором вычисляется ЭДС, совпадает физически с проводником (то есть совпадает их движение; в противном же случае правило может не работать (самый известный пример — униполярная машина Фарадея; контур, который в этом случае трудно определить, но кажется довольно очевидным, что он не меняется; во всяком случае, довольно затруднительно указать разумное определение для контура, который бы в этом случае менялся), то есть проявляется парадокс, что для «закона природы» недопустимо.

Ссылки

Современная теория электромагнитной индукции

Взаимная связь электрических и магнитных полей была установлена английским физиком М. Фарадеем. Электрические токи создают вокруг себя магнитное поле. А не может ли магнитное поле вызвать появление электрического поля? Фарадеем экспериментально было обнаружено, что при изменении магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, в нем возникает электрический ток. Это явление было названо электромагнитной индукцией. Ток возникающий при явлении электромагнитной индукции называют индукционным. Строго говоря, придвижении контура в магнитном поле генерируется не определенный ток, а определенная ЭДС. Более подробное изучение электромагнитной индукции показало, что ЭДС индукции, возникающая в каком-либо замкнутом контуре, равна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром, взятую с обратным знаком.

Электродвижущая сила в цепи — это результат действия сторонних сил, т.е. сил неэлектрического происхождения. При движении проводника в магнитном поле роль сторонних сил выполняет сила Лоренца, под действием которой происходит разделение зарядов, в результате чего на концах проводника появляется разность потенциалов. ЭДС индукции в проводнике характеризует работу по перемещению единичного положительного заряда вдоль проводника.

Явление электромагнитной индукции лежит в основе действия электрических генераторов. Если равномерно вращать проволочную рамку в однородном магнитном поле, то возникает индуцированный ток, периодически изменяющий свое направление. Даже одиночная рамка, вращающаяся в однородном магнитном поле, представляет собой генератор.

Известно, что электрические токи создают вокруг себя магнитное поле. Связь магнитного поля с током привела к многочисленным попыткам возбудить ток в контуре с помощью магнитного поля. Эта задача была решена в 1831 г. английским физиком М. Фарадеем, открывшим явление электромагнитной индукции, заключающееся в том, что в замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции, охватываемого этим контуром, возникает электрический ток, получивший название индукционного.  Рассмотрим классический опыт Фарадея, с помощью которых было обнаружено явление электромагнитной индукции:  Концы одной из катушек, вставленных одна другую, присоединяются к гальванометру, а через другую катушку пропускается ток. Отклонение стрелки гальванометра наблюдается в моменты включения или выключения тока, в моменты его увеличения или уменьшения или при перемещении катушек друг относительно друга. Направления отклонений стрелки гальванометра также противоположны при включении и выключении тока, его увеличении и уменьшении, сближении и удалении катушек. Обобщая результаты своих многочисленных опытов, Фарадей пришел к выводу, что индукционный ток возникает всегда, когда происходит изменение сцепленного с контуром потока магнитной индукции. Например, при повороте в однородном магнитном поле замкнутого проводящего контура в нем также возникает индукционный ток. В данном случае ин­дукция магнитного поля вблизи проводни­ка остается постоянной, а меняется только поток магнитной индукции через площадь контура. Опытным путем было также установлено, что значение индукционного тока совершенно не зависит от способа измене­ния потока магнитной индукции, а определяется лишь скоростью его изменения (в опытах Фарадея также доказывается, что отклонение стрелки гальванометра (сила тока) тем больше, чем больше ско­рость движения магнита, или скорость изменения силы тока, или скорость движения катушек). Открытие явления электромагнитной индукции имело большое значение, так как была доказана возможность получе­ния электрического тока с помощью магнитного поля. Этим была установлена взаимосвязь между электрическими и магнитными явлениями, что послужило в дальнейшем толчком для разработки теории электромагнитного поля.

Физика

Физика — Поурочные разработки 11 класс — 2017 год

Решение задач. Самостоятельная работа — ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ — ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ

Задачи урока: продолжить формирование умения описывать явление электромагнитной индукции законом Фарадея и правилом Ленца.

Ход урока

I. Мотивация в начале урока обеспечивается как социальной, так и познавательной установкой: закон электромагнитной индукции — основной закон в данной теме, он полностью описывает явление электромагнитной индукции. В нём фактически заключено всё содержание темы. Организуют работу с таблицей 5. Основной вопрос: какова причина возникновения вихревого электрического поля?

II. При решении задач сочетают индивидуальную и коллективную работу, используют учебник и задачник.

Один ученик готовит решение домашней задачи или задач и, приведённой ниже.

1. Магнитный поток через контур проводника сопротивлением 3 ∙ 10-2 Ом за 2 с изменился на 1,2 ∙ 10-2 Вб. Чему равна сила тока, проходящего по проводнику, если изменение потока происходило равномерно?

Вопросы для обсуждения: какое физическое явление рассматривается в задаче? Каков закон этого явления? Достаточно ли применения лишь закона Фарадея для решения задачи? Какой ещё закон следует использовать для решения задачи? Какое ещё явление наблюдалось? (Ответ. Явление прохождения электрического тока.) В любой ли электрической цепи при её включении происходит явление электромагнитной индукции?

У доски решают экспериментальную задачу.

2. Что произойдёт с кольцом при включении электрического тока (рис. 28)? Оборудование: универсальный трансформатор с катушкой на 220 В, алюминиевое кольцо на нити, выпрямитель ВС 4-12, штатив, провода. Дайте теоретическое решение и проверьте его экспериментально.

Ещё один ученик вместе с классом решает другую задачу.

3. Изобразите магнитное поле, линии индукции которого направлены от наблюдателя. Как направлены линии напряжённости вихревого электрического поля, если индукция магнитного поля увеличивается? уменьшается?

Вопросы для обсуждения: какова роль переменного магнитного поля в явлении электромагнитной индукции? Всегда ли в случае переменного магнитного поля возникает вихревое электрическое поле? Как объяснить опыт с разрезанным кольцом? Каковы основные свойства вихревого электрического поля? Можно ли утверждать, что переменное магнитное поле и вихревое электрическое поле существуют в единстве?

Учитель при решении задачи управляет действиями ученика, может подсказать рациональный вариант выполнения рисунков и др.

Далее устно проверяют решения двух задач. Школьники сами должны задавать вопросы отвечающим.

Затем дополнительно решают задачу.

Таблица 5

Теория явления электромагнитной индукции

4. При изменении на 0,2 Вб магнитного потока, пронизывающего контур проводника, ЭДС индукции в контуре была равна 4 В. Определите время изменения магнитного потока.

В конце решения задачи обсуждается проблема: какие физические величины можно определить с помощью закона электромагнитной индукции?

III. Самостоятельная работа выполняется школьниками в рабочих тетрадях. Учитель выборочно берёт три-четыре тетради на проверку в конце урока. Учащимся об этом сообщается заранее (они должны быть к этому готовы). Взаимопроверка может быть организована по-разному: сильные ученики помогают слабым; проверяют работы друг друга по вариантам и т. д. При решении задач может быть использован учебник.

Самостоятельная работа      

Вариант I

1. За время 5 мс в соленоиде, содержащем 500 витков провода, магнитный поток равномерно возрастает от 7 до 9 мВб. Определите ЭДС индукции в соленоиде.

2. Нарисуйте условные схемы опытов по наблюдению явления электромагнитной индукции.

Вариант II

1. В каком случае ЭДС индукции в замкнутом проводнике будет больше: при изменении пронизывающего его магнитного потока от 12 до 2 Вб в течение 4 с или при его изменении от 2 Вб до нуля в течение 0,1 с? Во сколько раз?

2. Составьте задачи по рисунку 29, а, б, запишите их условия, приведите решение.

IV. Домашнее задание: § 8, 10*; упр. на с. 45 (1, 2).


 

«ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЯВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ В ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВАХ»

РЕФЕРАТ на тему: «Использование явления электромагнитной индукции в электромеханических устройствах» Выполнил: студент группы ТИС-3 Трушакин М. Проверил: Букаткин К.И. Саранск 2018 г. СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………… ….4 1.ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ЯВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ……………….………………………………………………………5 2. СОВРЕМЕННАЯ ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ……………….………………………………………………………6 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЯВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ…………………………..……………7 4. ПРАВИЛО ЛЕНЦА………………….………..…………….. ………………10 5. ЗАКОН ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ……………………. ………12 6. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ………………………………….…16 7. ТРАНСФОРМАТОРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ………………….. ………17 ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………… ………………………………22 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………..23 1. ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ЯВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ Высказывания синьоров Нобили и Антинори из журнала «Antologia» «Господин Фарадей недавно открыл новый класс электродинамических явлений. Он представил об этом мемуар Лондонскому королевскому Обществу, но этот мемуар до сих пор еще не опубликован. Мы знаем о нем только заметку, сообщенную г. Ашеттом Академии наук в Париже 26 декабря 1831 года, на основании письма, которое он получил от самого г. Фарадея. Это сообщение побудило кавалера Антинори и меня самого тотчас же повторить основной опыт и изучить его с разнообразных точек зрения. Мы льстим себя надеждой, что результаты, к которым мы пришли, имеют известное значение, а потому мы спешим опубликовать их, не имея никаких предшествовавших материалов, кроме той заметки, которая послужила исходной точкой в наших исследованиях.» «Мемуар г. Фарадея, — как говорит заметка, — делится на четыре части. В первой, озаглавленной «Возбуждение гальванического электричества», мы находим следующий главный факт: гальванический ток, проходящий через металлический провод, производит другой ток в приближаемом проводе; второй ток по направлению противоположен первому и продолжается только одно мгновение. Если возбуждающий ток удалить, в проводе, находящемся под его влиянием, возникает ток, противоположный тому, который возникал в нем в первом случае, т.е. в том же направлении, как возбуждающий ток. Вторая часть мемуара повествует об электрических токах, вызываемых магнитом. Приближая к магнитам катушки, г. Фарадей производил электрические токи; при удалении катушек возникали токи противоположного направления. Эти токи сильно действуют на гальванометр, проходят, хотя и слабо, через рассол и другие растворы. Отсюда следует, что этот ученый, пользуясь магнитом, возбуждал электрические токи, открытые г. Ампером. Третья часть мемуара относится к основному электрическому состоянию, которое г. Фарадей называет электромоническое состояние. В четвертой части говорится о столь же любопытном, как и необычном опыте, принадлежащем г. Араго; как известно, этот опыт состоит в том, что магнитная стрелка вращается под влиянием вращающегося металлического диска. Он установил, что при вращении металлического диска под влиянием магнита могут появляться электрические токи в количестве, достаточном для того, чтобы сделать из диска новую электрическую машину. 2. СОВРЕМЕННАЯ ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ Электрические токи создают вокруг себя магнитное поле. А не может ли магнитное поле вызвать появление электрического поля? Фарадеем экспериментально было обнаружено, что при изменении магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, в нем возникает электрический ток. Это явление было названо электромагнитной индукцией. Ток, возникающий при явлении электромагнитной индукции называют индукционным. Строго говоря, при движении контура в магнитном поле генерируется не определенный ток, а определенная ЭДС. Более подробное изучение электромагнитной индукции показало, что ЭДС индукции, возникающая в каком-либо замкнутом контуре, равна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром, взятую с обратным знаком. Электродвижущая сила в цепи — это результат действия сторонних сил, т.е. сил неэлектрического происхождения. При движении проводника в В замкнутом проводящем контуре возникает ток при изменении числа линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность, ограниченную этим контуром. Это явление называется электромагнитной индукцией. И чем быстрее меняется число линий магнитной индукции, тем больше возникающий ток. При этом причина изменения числа линий магнитной индукции совершенно безразлична. Это может быть и изменение числа линий магнитной индукции, пронизывающих неподвижный проводник вследствие изменения силы тока в соседней катушке, и изменение числа линий вследствие движения контура в неоднородном магнитном поле, густота линий которого меняется в пространстве. 4. ПРАВИЛО ЛЕНЦА Индукционный ток, возникший в проводнике, немедленно начинает взаимодействовать с породившим его током или магнитом. Если магнит (или катушку с током) приближать к замкнутому проводнику, то появляющийся индукционный ток своим магнитным полем обязательно отталкивает магнит (катушку). Для сближения магнита и катушки нужно совершить работу. При удалении магнита возникает притяжение. Это правило выполняется неукоснительно. Представьте себе, что дело обстояло бы иначе: вы подтолкнули магнит к катушке, и он сам собой устремился бы внутрь нее. При этом нарушился бы закон сохранения энергии. Ведь механическая энергия магнита увеличилась бы и одновременно возникал бы ток, что само по себе требует затраты энергии, ибо ток тоже может совершать работу. Индуцированный в якоре генератора электрический ток, взаимодействуя с магнитным полем статора, тормозит вращение якоря. Только поэтому для вращения якоря нужно совершать работу, тем большую, чем больше сила тока. За счет этой работы и возникает индукционный ток. Интересно отметить, что если бы магнитное поле нашей планеты было очень большим и сильно неоднородным, то быстрые движения проводящих тел на ее поверхности и в атмосфере были бы невозможны из-за интенсивного взаимодействия, индуцированного в теле тока с этим полем. Тела двигались бы как в плотной вязкой среде и при этом сильно разогревались бы. Ни самолеты, ни ракеты не могли бы летать. Человек не мог бы быстро двигать ни руками, ни ногами, так как человеческое тело — неплохой проводник. Если катушка, в которой наводится ток, неподвижна относительно соседней катушки с переменным током, как, например, у трансформатора, то и в этом случае направление индукционного тока диктуется законом сохранения энергии. Этот ток всегда направлен так, что созданное им магнитное поле стремится уменьшить изменения тока в первичной обмотке. Отталкивание или притяжение магнита катушкой зависит от направления индукционного тока в ней. Поэтому закон сохранения энергии позволяет сформулировать правило, определяющее направление индукционного тока. В чем состоит различие двух опытов: приближение магнита к катушке и его удаление? В первом случае магнитный поток (или число линий магнитной индукции, пронизывающих витки катушки) увеличивается (рис а), а во втором случае — уменьшается (рис. б). Причем в первом случае линии индукции В’ магнитного поля, созданного возникшим в катушке индукционным током, выходят из верхнего конца катушки, так как катушка отталкивает магнит, а во втором случае, наоборот, входят в этот конец. Эти линии магнитной индукции на рисунке изображены штрихом. а б Теперь мы подошли к главному: при увеличении магнитного потока через витки катушки индукционный ток имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует нарастанию магнитного потока через витки катушки. Ведь вектор индукции этого поля направлен против вектора индукции поля, изменение которого порождает электрический ток. Если же магнитный поток через катушку ослабевает, то индукционный ток создает магнитное поле с индукцией , увеличивающее магнитный поток через витки катушки. В этом состоит сущность общего правила определения направления индукционного тока, которое применимо во всех случаях. Это правило было установлено русским физиком Э.X. Ленцем (1804-1865). Согласно правилу Ленца, возникающий в замкнутом контуре индукционный ток имеет такое направление, что созданный им магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром, стремится препятствовать тому изменению потока, которое порождает данный ток. Или, индукционный ток имеет такое направление, что препятствует причине его вызывающей. В случае сверхпроводников компенсация изменения внешнего магнитного потока будет полной. Поток магнитной индукции через поверхность, ограниченную сверхпроводящим контуром, вообще не меняется со временем ни при каких условиях. Пусть магнитная индукция внешнего магнитного поля направлена вдоль нормали к контуру и возрастает со временем. Тогда Ф > 0 и > 0. Согласно правилу Ленца индукционный ток создает магнитный поток Ф’ < 0. Линии индукции B’ магнитного поля индукционного тока изображены на рисунке штрихом. Следовательно, индукционный ток Ii направлен по часовой стрелке (против положительного направления обхода) и ЭДС индукции отрицательна. Поэтому в законе электромагнитной индукции должен стоять знак минус: . В Международной системе единиц закон электромагнитной индукции используют для установления единицы магнитного потока. Эту единицу называют вебером (Вб). Так как ЭДС индукции Ei выражают в вольтах, а время в секундах, то из закона ЭМИ вебер можно определить следующим образом: магнитный поток через поверхность, ограниченную замкнутым контуром, равен 1 Вб, если при равномерном убывании этого потока до нуля за 1 с в контуре возникает ЭДС индукции равная 1 В: 1 Вб = 1 В · 1 с. 6. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ Радиовещание Переменное магнитное поле, возбуждаемое изменяющимся током, создаёт в окружающем пространстве электрическое поле, которое в свою очередь возбуждает магнитное поле, и т.д. Взаимно порождая друг друга, эти поля образуют единое переменное электромагнитное поле — электромагнитную волну. Возникнув в том месте, где есть провод с током, электромагнитное поле распространяется в пространстве со скоростью света -300000 км/с. Магнитотерапия В спектре частот разные места занимают радиоволны, свет, рентгеновское излучение и другие электромагнитные излучения. Их обычно характеризуют непрерывно связанными между собой электрическими и магнитными полями. Синхрофазотроны В настоящее время под магнитным полем понимают особую форму материи состоящую из заряженных частиц. В современной физике пучки заряженных частиц используют для проникновения в глубь атомов с целью их изучения. Сила, с которой действует магнитное поле на движущуюся заряженную частицу, называется силой Лоренца. Расходомеры — счётчики Метод основан на применении закона Фарадея для проводника в магнитном поле: в потоке электропроводящей жидкости, движущейся в магнитном поле наводится ЭДС, пропорциональная скорости потока, преобразуемая электронной частью в электрический аналоговый/цифровой сигнал. полному числу её витков. Такой трансформатор всю поступающую энергию из первичной цепи трансформирует в магнитное поле и, затем, в энергию вторичной цепи. В этом случае поступающая энергия, равна преобразованной энергии: Где P1 — мгновенное значение поступающей на трансформатор мощности, поступающей из первичной цепи, P2 — мгновенное значение преобразованной трансформатором мощности, поступающей во вторичную цепь. Соединив это уравнение с отношение напряжений на концах обмоток, получим уравнение идеального трансформатора: Таким образом получаем, что при увеличении напряжения на концах вторичной обмотки U2, уменьшается ток вторичной цепи I2. Для преобразования сопротивления одной цепи к сопротивлению другой, нужно умножить величину на квадрат отношения. Например, сопротивление Z2 подключено к концам вторичной обмотки, его приведённое значение к первичной цепи будет . Данное правило справедливо также и для вторичной цепи: . Обозначение на схемах На схемах трансформатор обозначается следующим образом: Центральная толстая линия соответствует сердечнику, 1 — первичная обмотка (обычно слева), 2,3 — вторичные обмотки. Число полуокружностей в каком-то грубом приближении символизирует число витков обмотки (больше витков — больше полуокружностей, но без строгой пропорциональности). Трансформаторы широко используются в промышленности и быту для различных целей: 1. Для передачи и распределения электрической энергии. Обычно на электростанциях генераторы переменного тока вырабатывают электрическую энергию при напряжении 6-24 кВ, а передавать электроэнергию на дальние расстояния выгодно при значительно больших напряжениях (110, 220, 330, 400, 500, и 750 кВ). Поэтому на каждой электростанции устанавливают трансформаторы, осуществляющие повышение напряжения. Распределение электрической энергии между промышленными предприятиями, населёнными пунктами, в городах и сельских местностях, а также внутри промышленных предприятий производится по воздушным и кабельным линиям, при напряжении 220, 110, 35, 20, 10 и 6 кВ.

Явление электромагнитной индукции ( 1831 г

История.

 

Всемирную славу Фарадею принесли его задачи по физике об электрических исследованиях. Открытие Эрстеда (магнитное действие тока) взволновало ученых Королевского института. Фарадей, заинтересовавшись новым открытием, тщательно изучил литературу по этому вопросу и выступил в 1821 —1822 гг. со статьей «Опыт истории электромагнетизма». Статья Эрстеда подсказывала мысль о наличии вращения вокруг тока. Фарадей, придя к ней самостоятельно, стал думать о том, как экспериментально обнаружить его. Ему удалось обеспечить действие тока лишь на один из полюсов магнита и с помощью ртутного контакта осуществить непрерывное вращение магнита вокруг проводника с током. Этот первый электродвигатель заработал у Фарадея в декабре 1821 г. Тогда же Фарадей записал в своем дневнике задачу: превратить магнетизм в электричество. Решение этой задачи потребовало около десяти лет. С, ноября 1831 г. Фарадей начал систематическую публикацию своих исследований по электричеству, составивших трехтомный труд под заглавием «Экспериментальные исследования по электричеству».Решение задач по физике было делом жизни Фарадея. В первой серии, датированной 24 ноября 1831 г. содержались следующие разделы: об индукции электрических токов, об образовании электричества и магнетизма, о новом электрическом состоянии материи, объяснение магнитных явлений Араго, описаны основные опыты Фарадея по электромагнитной индукции. В первом опыте, с помощью которого и было открыто новое явление, Фарадей использовал деревянный цилиндр, на который были намотаны две изолированные друг от друга обмотки. Одна из них была соединена с гальванической батареей, другая  с гальванометром. При замыкании и размыкании тока в первой обмотке стрелка гальванометра во второй обмотке отклонялась при замыкании тока в одну сторону, при размыкании  в противоположную. Действие одной цепи электрического тока на другую Фарадей назвал вольта-электрической индукцией. Вольта-электрическая индукция усиливалась, если внутрь обмотки помещали железо. Фарадей устроил индукционный прибор в виде железного кольца (тора), на которое были намотаны две изолированные обмотки первичная с источником тока и вторичная с гальванометром. Кольцо Фарадея было первой моделью трансформатора. Затем Фарадей получил индукционные действия с помощью обыкновенных магнитов. Явления эти Фарадей назвал магнитоэлектрической индукцией. Фарадей считал, что проводник, подвергающийся индукционному воздействию со стороны другого тока или магнита, находится в особом состоянии, которое он назвал электротоническим. Это название не удержалось в науке, но именно отсюда началось исследование Фарадеем роли среды в электромагнитных взаимодействиях. Существенно, что Фарадей, отмечая переменный характер процесса индукции, говорит об «индуцированной волне электричества». Несколькими месяцами позже, 12 марта 1832 г., он фиксировал результаты своих наблюдений над временным характером индукционных явлений в специальном письме, озаглавленном «Новые воззрения, подлежащие в настоящее время хранению в запечатанном конверте в архивах Королевского общества». В этом замечательном письме, обнаруженном в архивах лишь спустя 106 лет, т. е. в 1938 г., содержится совершенно определенный вывод, «что на распространение магнитного взаимодействия требуется время», что действие одного магнита на другой «распространяется от магнитных тел постепенно и для своего распространения требует определенного времени». Фарадей указывает, «что электрическая индукция распространяется точно таким же образом», и считает «возможным применить теорию колебаний к распространению элек¬трической индукции». Процесс распространения индукции похож «на колебания взволнованной водной поверхности или же на звуковые колебания частиц воздуха». Фарадей пишет, что он хотел бы проверить свои идеи экспериментально, но ввиду занятости решил передать свое письмо на хранение, чтобы закрепить за собой открытие фиксированной датой. Он указывает, что «в настоящее время, насколько мне известно, никто из ученых, кроме меня, не имеет подобных взглядов». Поразительна интуиция Фарадея, позволившая ему вскоре после открытия электромагнитной индукции прийти к идее электромагнитных волн. Он совершенно прав, считая эту идею чрезвычайно важной и утверждая свой приоритет в специальном письме, датированном точной датой. Вполне понятны Работы Фарадея о приоритете. В конце раздела «Об электротоническом состоянии» он упоминает о претензиях на приоритет в открытии индукции со стороны Френеля и Ампера. К открытию независимо от Фарадея пришел и Генри. После публикации Фарадея многие физики осознали, что они наблюдали в своих экспериментах по магнитному действию токов аналогичные явления. Открытие «носилось в воздухе». В истории науки действует закон созревания открытий: наступает время, когда открытие должно быть сделано, оно созрело. Так было с законом тяготения, с открытием математического анализа, так было и с законом индукции. Фарадей объясняет явление, открытое Араго. Магнитная стрелка, помещенная под плоскостью медного диска, приходит во вращение, когда диск вращается. Точно так же при вращении магнита приходит во вращение подвешенный над ним медный диск. Фарадей объяснил это открытое Араго загадочное явление действием электромагнитной индукции и указал, что эффект Араго дает возможность получить «новый источник электричества». Между полюсами магнита вращался медный диск. Скользящие контакты у периферии и центра диска отводили генерируемый при вращении диска ток к цепи, содержащей гальванометр. «Этим было показано, пишет Фарадей, что можно создать постоянный ток электричества при помощи обыкновенных магнитов». Фарадей в этом опыте сконструировал униполярную динамо-машину. Варьируя опыты с получением индукционного тока вращением проводников или магнитов, Фарадей приходит к важному выводу: «Все эти результаты, пишет он, доказывают, что способность индуцировать токи проявляется по окружности вокруг магнитной равнодействующей или силовой оси точно так, как расположенный по окружности магнетизм возникает вокруг электрического тока и им обнаруживается». Эту установленную Фарадеем связь между электричеством и магнетизмом Максвелл позднее выразил математически. Установленный Фарадеем факт, что электродвижущая сила индукции возникает при изменении магнитного потока (замыкании, размыкании, изменении тока в индуцирующих проводниках, приближении и удалении магнита и т. д.), Максвелл выразил равенством.

 

Основные понятия

Поток магнитной индукции (магнитный поток).

 Элемент произвольной поверхности можно представить как вектор DS , численно равный площади элемента поверхности DS и направленный по нормали к поверхности.

По определению потоком магнитной индукции через элемент поверхности DS называется скалярное произведение вектора магнитной индукции B на вектор DS :

Пользуясь наглядной картиной силовых линий поля, можно сказать, что магнитный поток равен числу силовых линий вектора магнитной индукции, проходящих под прямым углом через площадку DS .

Размерность магнитного потока: [Ф] = Тл/м 2  = Вб (вебер) .

Величина магнитного потока через какую-то поверхность может меняться со временем по двум причинам:

1. если меняется величина магнитной индукции, т.е. B = B(t) ;

2. если меняется площадь поверхности, через которую проходят силовые линии магнитного поля, т.е. S = S(t) .

 

Электромагнитная индукция

Явление электромагнитной индукции состоит в том, что любое изменение магнитного потока Ф, пронизывающего замкнутый контур, вызывает появление индукционного тока в контуре.

 

 

Закон Фарадея-Ленца утверждает, что
ЭДС индукции равна скорости изменения магнитного потока, взятой с обратным знаком.

Согласно правилу Ленца:

индукционный ток имеет такое направление, чтобы создаваемое им магнитное поле препятствовало изменению магнитного потока.

 

 

Электронный механизм ЭДС индукции

На рисунке изображена рамка с подвижной стороной. Магнитное поле направлено от нас.
Тянем подвижную сторону со скоростью . На заряд +q действует сила Лоренца

,

перемещающая заряд на расстояние l и совершающая работу:

.

ЭДС   ε  :

.

Найдем e по закону Фарадея:

.

Подвижная сторона рамки «заметает» за время dt площадь dS = lvdt, тогда

.

Результат тот же, значит:

Электронный механизм возникновения ЭДС индукции — это работа компоненты силы Лоренца.

 

Вихревое электрическое поле

Перейдем в систему отсчета, связанную с подвижной стороной рамки.

В этой системе отсчета v = 0, , но магнитное поле движется со скоростью .
Так как заряд q неподвижен и на неподвижный заряд q действует сила величиной , значит, эта сила действует со стороны ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ напряженностью:

.

Источником этого электрического поля является не заряд, как в статическом случае, а движущееся магнитное поле. Такое электрическое поле называют вихревым, т. к. его линии напряженности замкнуты. Работа вихревого поля по перемещению заряда по замкнутому контуру не равна нулю (в отличии от электростатического поля).

 

 

 

Некоторые экспериментальные факты

Рассмотрим некоторые экспериментальные факты:

  1. постоянный магнит вставляют в катушку, замкнутую на гальванометр, или вынимают из нее. При движении магнита в контуре возникает электрический ток

Аналогичный результат будет иметь место в случае перемещения электромагнита, по которому пропускают постоянный ток, относительно первичной катушки или при изменении тока в неподвижной вторичной катушке.

  1. рамку, замкнутую на гальванометр, помещают в однородное магнитное поле и вращают. В рамке возникает электрический ток. Если же рамка движется поступательно, не пересекая силовых линий, то ток в ней не возникает.

 

  1. рамка движется  в неоднородном магнитном поле. Число линий индукции, пересекающих рамку, изменяется. В рамке возникает электрический ток.

 

 

Ток, возникающий в контуре при изменении магнитного потока, называют индукционным током.

Условием существования электрического тока в замкнутом контуре является наличие электродвижущей силы, поддерживающей разность потенциалов. Следовательно, при изменении магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, в нем возникает ЭДС, которую называют ЭДС индукции (ei).

Таким образом, явление электромагнитной индукцией состоит в возникновения ЭДС в контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего контур.

Если контур замкнут, то ЭДС индукции проявляется в возникновении электрического индукционного тока

I = ei/R , где R- сопротивление контура.

Если контур разомкнут, то на концах проводника возникает разность потенциалов, равная ei.

Направление индукционного тока в контуре определяется правилом Ленца:

Индукционный ток направлен так, чтобы своим магнитным полем противодействовать изменению магнитного потока, которым он вызван.

Направление индукционного тока определяется следующим образом:

  1. установить направление внешнего магнитного поля В.
  2. определить увеличивается или уменьшается поток вектора магнитной индукции внешнего поля.
  3. по правилу Ленца указать направление вектора магнитной индукции индукционного тока Вi.
  4. по правилу правого винта определить направление индукционного тока в контуре.

 

 

Самоиндукция

Самоиндукция является частным случаем разнообразных проявлений электромагнитной индукции.

Рассмотрим контур, подключенный к источнику тока (рис. 6). По контуру протекает электрический  ток I. Этот ток создает в окружающем пространстве магнитное поле. В результате контур пронизывается собственным магнитным потоком Ф. Очевидно, что собственный магнитный поток пропорционален току в контуре, создавшему магнитной поле:

Ф = L·I.

Коэффициент пропорциональности L называется индуктивностью контура. Индуктивность зависит от размеров, формы проводника, магнитных свойств среды. Единица измерения индуктивности в системе СИ — 1 Генри (Гн).

Если ток в контуре изменяется, то изменяется и собственный магнитный поток Фс. Изменение величины Фс приводит к возникновению в контуре ЭДС индукции. Данное явление называется самоиндукцией, а соответствующее значение — ЭДС самоиндукции eiс.

Пусть дан контур с током I. Магнитный поток Ф через контур пропорционален току I.

Можно записать связь между потоком и током:

,

здесь L — индуктивность контура, [L] = Гн (генри).
Если I ≠ const, I = I(t), то Ф = Ф(t), и возникает ЭДС индукции, по

,

если L = const, то

.

 

 

Потокосцепление

 

 

В одном витке катушки наводится ЭДС ε1,
ЭДС самоиндукции, наводимая в катушке, будет в N раз больше:

Величину ψ назвали потокосцеплением:

.


Выразим εсам через скорость изменения тока: 

.

Сопоставляя с выражением εсамчерез ψ, получим:

.

 

 

Индуктивность соленоида

 

Число витков на единицу длины     .

.

С другой стороны :

, следовательно:

.

 

 

Энергия магнитного поля

 

 

     По катушке L течет ток I, поддерживаемый источником ε. При размыкании цепи (ключ переводим в положение 2) ток I поддерживается за счет ЭДС самоиндукции εсам, возникающей за счет уменьшения тока I. Работа, совершаемая εсам по перемещению заряда dq,

 


Вся работа:

.

Работа эта совершена за счет исчезновения магнитного поля соленоида.
Запас энергии в магнитном поле выразим через индукцию В, для этого ток I выразим из формулы B = μ0nI , индуктивность L подставим из:

.

Плотность энергии магнитного поля — энергия запасена в единице объема магнитного поля:

.

 

Магнитное поле в веществе

Магнитная проницаемость — это отношение магнитной индукции B в веществе к магнитной индукции в вакууме B0.

.

 

Классификация магнетиков

 

μ < 1,
не зависит от температуры

диамагнетики (вода, медь, графит, кварц)
,

 

μ > 1,
зависит от температуры

парамагнетики (алюминий, платина, натрий)
при T ≈ 300 K,

 

μ >> 1,
зависит от температуры и нелинейно от поля B0

ферромагнетики (железо, никель, кобальт)
для Fe, при T ≈ 300 K,
при

1. Диамагнетики — по закону Фарадея-Ленца при внесении в магнитное поле любого вещества в атомах вещества возникают внутренние токи, создающие магнитное поле , направленное навстречу внешнему полю . В результате поле в веществе ослабляется. Если в веществе кроме этого отсутствуют другие магнитные эффекты, то оно будет диамагнетиком. Диамагнетизм проявляется у вещества, атомы которых не имеют собственного магнитного момента ,

2. Парамагнетизм проявляется у веществ, атомы которых имеют собственный магнитный момент. Магнитные моменты атомов выстраиваются по полю .

 

Тепловые колебания атомов нарушают ориентацию магнитных моментов.

3. Ферромагнетизм — объясняется самопроизвольным упорядочением спиновых магнитных моментов электронов в пределах областей спонтанного намагничивания (доменов).
В пределах одного домена магнитные моменты электронов ориентированы в одном направлении. Магнитные моменты разных доменов в отсутствии внешнего поля ориентированы по разному, так, чтобы энергия созданного ими поля была минимальная:

а)

 


При включении внешнего поля расширяются за счет соседей те домены, которые ориентированы по полю:

б)

 

 

в)

 


Затем переориентируются оставшиеся домены, и ферромагнетик намагничивается до насыщения:

г)

 


В результате этого зависимость поля в ферромагнетике от переменного внешнего поля имеет вид петли гистерезиса, которую изображают в осях B-H.


Вектор называется вектором напряженности магнитного поля. Он носит вспомогательный характер, силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции . Связь между векторами и записывается следующим образом:

.

 

 

 

 

 

Литература

  1. Савельев И.В. Курс общей физики. — М.: Наука. 1982. — т.1
  2. Савельев И.В. Курс общей физики. — М.: Наука. 1982. — т.2
  3. Савельев И.В. Курс физики. — М.: Наука. 1989 . — т.1
  4. Савельев И.В. Курс физики. — М.: Наука. 1989 . — т.2
  5. Трофимова Т.И. Курс физики. — M.: Высшая школа. 1990
  6. Парсел Э. Электричество и магнетизм. — М.: Физматлит. 1973
  7. Физический энциклопедический словарь./ Гл. редактор Прохоров А.М.. М.: Советская энциклопедия. 1973
  8. Кудрявцев П.С. Курс истории физики. — М.: Просвещение, 1982

Высшая математика
Решить задачи по математике
Задача по математике
Физика
Физики
Электромагнитная индукция
Теория вероятности и математическая статистика

Урок 38. Лабораторная работа № 09 «Изучение явления электромагнитной индукции»

Лабораторная работа № 9

Изучение явления электромагнитной индукции

Цель работы:  изучить условия возникновения индукционного тока, ЭДС индукции. 

Оборудование: катушка, два полосовых магнита, миллиамперметр.  

 Теория

   Взаимная связь электрических и магнитных полей была установлена выдающимся английским физиком М. Фарадеем в 1831 г. Он открыл явление электромагнитной индукции.

   Многочисленные опыты Фарадея показывают, что с помощью магнитного поля можно получить электрический ток в проводнике.

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

   Ток, возникающий при явлении электромагнитной индук­ции, называют индукционным.

   В электрической цепи (рисунок 1) возникает индукционный ток, если есть движение магнита относительно катушки, или наоборот. Направление индукционного тока зависит как от направления движения магнита, так и от расположения его полюсов. Индукционный ток отсутствует, если нет относительного перемещения катушки и магнита.

Рисунок 1.

   Строго говоря, при движении контура в магнит­ном поле генерируется не определенный ток , а определенная э. д. с.

 

Рисунок 2.

   Фарадей экспериментально установил, что при изменении магнитного потока в проводящем контуре возникает ЭДС индукции Eинд, равная скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взятой со знаком минус:

 

   Эта формула выражает закон Фарадея: э. д. с. индукции равна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограни­ченную контуром. 

   Знак минус в формуле отражает правило Ленца.

   В 1833 году Ленц опытным путем доказал утверждение, которое называется правилом Ленца: 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.

   При возрастании магнитного потока Ф>0, а εинд < 0, т.е.   э. д. с. индукции вызывает ток такого направления, при котором его маг­нитное поле уменьшает магнитный поток через контур.

   При уменьшении магнитного потока Ф<0, а εинд > 0, т.е. магнитное поле индукционного тока увеличивает убывающий магнитный поток через контур.

   Правило Ленца имеет глубокий физический смыслоно выражает закон сохранения энергии: если магнитное поле через контур увеличивается, то ток в контуре направлен так, что его магнитное поле направлено против внешнего, а если внешнее магнитное поле через контур уменьшается, то ток направлен так, что его магнитное поле поддерживает это убывающее магнитное поле.

   ЭДС индукции зависит от разных причин. Если вдвигать в катушку один раз сильный магнит, а в другой — слабый, то показания прибора в первом случае будут более высокими. Они будут более высокими и в том случае, когда магнит движется быстро. В каждом из проведённых в этой работе опыте направление индукционного тока определяется правилом Ленца. Порядок определения направления индукционного тока показан на рисунке 2. 

   На рисунке синим цветом обозначены силовые линии магнитного поля постоянного магнита и линии магнитного поля индукционного тока. Силовые линии магнитного поля всегда направлены от N к S – от северного полюса к южному полюсу магнита.

   По правилу Ленца индукционный электрический ток в проводнике, возникающий при изменении магнитного потока, направлен таким образом, что его магнитное поле противодействует изменению магнитного потока. Поэтому в катушке направление силовых линий  магнитного поля противоположно силовым линиям постоянного магнита, ведь магнит движется в сторону катушки. Направление тока находим по правилу буравчика: если буравчик (с правой нарезкой) ввинчивать так, чтобы его поступательное движение совпало с направлением линий индукции в катушке, тогда направление вращения рукоятки буравчика совпадает с направлением индукционного тока.

   Поэтому ток через миллиамперметр течёт слева направо, как показано на рисунке 1 красной стрелкой. В случае,  когда магнит отодвигается от катушки, силовые линии магнитного поля индукционного тока будут совпадать по направлению с силовыми линиями постоянного магнита, и ток будет течь справа налево.

Ход работы.

Подготовьте для отчета таблицу и по мере проведения опытов заполните её.

 

 

 

п/п

 

 

 

Действия с магнитом и катушкой

 

 

Показания

милли-амперметра,

мА

Направления отклонения стрелки миллиампер-метра

(вправо, влево или не откланяется)

 

 

Направление индукционного тока

(по правилу Ленца)

1

Быстро вставить магнит в катушку северным полюсом

 

 

 

2

Оставить магнит в катушке неподвижным

после опыта 1

 

 

 

3

Быстро вытащить магнит из катушки

 

 

 

4

Быстро приблизить катушку к северному полюсу магнита

 

 

 

5

Оставить катушку неподвижной после опыта 4

 

 

 

6

Быстро вытащить катушку от северного полюса магнита

 

 

 

7

Медленно вставить в катушку магнит северным полюсом

 

 

 

8

Медленно вытащить магнит из катушки

 

 

 

9

Быстро вставить в катушку 2 магнита северными полюсами

 

 

 

10

Быстро вставить магнит в катушку южным полюсом

 

 

 

11

Быстро вытащить магнит из катушки после опыта 10

 

 

 

12

Быстро вставить в катушку 2 магнита южными полюсами

 

 

 

   Записать общий вывод по работе на основе проведённых наблюдений.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ. 

  1. В чем заключается явление электромагнитной индукции?
  2. Какой ток называют индукционным?
  3. Сформулируйте закон электромагнитной индукции. Какой формулой он описывается?
  4. Как формулируется правило Ленца?
  5. Какова связь правила Ленца с законом сохранения энергии?

     Презентация для демонстрации студентам (с решением): скачать с Яндекс-Диск 

Урок по физике в 11 классе на тему «Применение электромагнитной индукции»

Муниципальное общеобразовательное бюджетное учреждение средняя общеобразовательная школа с. Серменево

ФИЗИКА

«Применение электромагнитной индукции»

(Открытый урок по физике в 11 классе

с использованием информационных технологий)

Подготовил: учитель физики МОБУ СОШ

с. Серменево Айгильдин Л.А

Серменево 2018 г.

Урок обобщения и закрепления материала в 11 А классе.

Урок проводится после изучения темы «Электромагнитная индукция» и посвящен практическим аспектам применения явления ЭМИ. В работе используется проектная деятельность учащихся, используются компьютерные технологии. В течение недели учащиеся работали над данной темой по одному и в паре. Конечным результатом является создание презентации по своей теме и ее защита. В процессе работы над проектом усваиваются не только способы деятельности, но и новые знания, полученные в ходе самостоятельного добывания и освоения информации.

Учащиеся не только создают презентации, но и учатся защищать свою часть проекта, делают умозаключения, имеют возможность показать свою работу и оценить работу своих одноклассников.

Тема. Электромагнитная индукция

Цели:

— образовательные: обобщить и систематизировать знания учащихся о явлении электромагнитной индукции, его применении на практике.

развивающие: развивать интеллектуальные способности учащихся, уметь излагать в доступной научной форме свои мысли; уметь обобщать материал; развивать свой кругозор, формировать умения и навыки самостоятельно добывать знания, используя компьютерные технологии;

воспитательные: воспитывать умение преодолевать трудности, выслушивать оппонентов, отстаивать свою точку зрения, уважать окружающих, создавать условия для формирования информационной и коммуникативной культуры учащихся.

Оборудование: компьютер с мультимедийным проектором, модель поезда на магнитной подушке, модель генератора, выставка «Трансформаторы, компьютерные презентации учащихся, гальванометр, катушка, постоянный магнит, опыты на DVD дисках, аудиомагнитофон, газета «Электромагнитная индукция в современной технике»

Программное обеспечение: приложения Power Point, Word; Открытая физика 1.1; измерительный комплекс L-Micro.

Х о д у р о к а.

I. Организационный этап

П. Актуализация знаний. (Фронтальная беседа) Учитель задает вопросы, ученики дают ответы, используя слайды презентации.

— Кто и когда открыл явление ЭМИ?

— В чем заключается явление ЭМИ?

— Что называется магнитным потоком? Какой формулой выражается?

— Правило Ленца; применение правила Ленца для определения индукционного тока;

— Закон ЭМИ;

— От чего зависит ЭДС индукции, возникающая в проводнике, который движется в переменном во времени магнитном поле?

— Что называют самоиндукцией?

— Что называют индуктивностью проводника?

— От каких величин зависит индуктивность?

— Что принимают за единицу индуктивности в СИ?

— Чему равна ЭДС самоиндукции?

— Чему равна энергия магнитного поля тока?

— В чем состояла гипотеза Максвелла?

III. Изучение нового материала.

Учитель: Открытие явлений электромагнитной индукции и самоиндукции сыграло огромную роль в развитии теории электромагнетизма и в практической деятельности человеческого общества. Если Х. Эрстед показал связь электрических явлений с магнитными, то М. Фарадей установил связь магнитных явлений с электрическими. Это привело к созданию общего учения об электромагнитных явлениях, в котором все электрические и магнитные явления рассматриваются с единой точки зрения.

Благодаря этим открытиям люди создали множество приборов.

А начиналось все с опытов английского ученого Майкла Фарадея.

Демонстрационный опыт. (4 опыта М.Фарадея)

Опыты Майкла Фарадея с помощью программы «Открытая физика»

Явление электромагнитной индукции лежит в основе действия разнообразных генераторов тока, трансформаторов, записи и воспроизведения информации, в детекторах и т.д., без которых немыслима современная наука и техника. Сегодня на уроке мы рассмотрим некоторые примеры использования электромагнитной индукции в современном мире.

Эпиграфом к нашему уроку будут слова «Познай самого себя». Как вы думаете, почему эти слова подходят к нашей деятельности на этом уроке? (Так как к данному уроку были выполнены электронные презентации, самостоятельно подбирали материал, готовили защиту проектов).

Мы с вами в течении некоторого времени занимались над единым проектом «Электромагнитная индукция». Сегодня пришло время для защиты вашей творческой работы. Ваша задача внимательно прослушать выступления своих одноклассников и дать оценку их работам.

Защита учащимися электронных презентаций, выполненных заранее по темам. (В конце выступления выступающий должен обязательно сделать вывод)

1) Первооткрыватели явления электромагнитной индукции. (Приложение 1) (Презентация об ученых, которые внесли большой вклад в развитие электромагнитных явлений: М.Фарадей, Э.Х.Ленц, Д.Вебер, Д.Генри, Н.Тесла, Д.К.Максвелл,,)

2) Запись и воспроизведение информации. Микрофоны. (Приложение 2)

Явление электромагнитной индукции позволяет считывать видео- и аудиоинформацию с магнитных лент. Магнитная лента — тонкая пластмассовая лента, покрытая слоем ферромагнитного порошка. При записи информации на магнитную ленту сигнал подается на записывающую головку (ферромагнетик С-образной формы с зазором).

Магнитное поле, возникающее в зазоре, ориентирует беспорядочно расположенные домены на движущейся магнитной ленте. При воспроизведении записи остаточная индукция доменов, движущихся вместе с лентой, создает магнитное поле в зазоре головки воспроизведения. Это поле в результате электромагнитной индукции вызывает ЭДС индукции в выходной обмотке головки, подобную записанному сигналу.

Демонстрационный опыт.

Запись и воспроизведение звука на магнитную ленту и на жесткий диск.

3) Детектор металла. (Металлоискатели) (Приложение 3)

Для обнаружения металлических предметов применяются специальные детекторы.

В аэропортах детектор металла фиксирует поля индукционных токов в металлических предметах. Магнитное поле В0, создаваемое током I0 передающей катушки, индуцирует в металлических предметах токи, препятствующие (по правилу Ленца) изменению магнитного потока. В свою

очередь, магнитное поле В’ этих токов индуцирует в катушке-приемнике ток I, запускающий сигнал тревоги.

4) Поезда на магнитной подушке. (Приложение 4)

В поезде на магнитной подушке сверхпроводящие катушки с током, размещенные на дне вагона, индуцируют ток в алюминиевых катушках на полотне дороги.

Отталкивание сверхпроводящих катушек и катушек на полотне дороги приподнимает вагон над землей. Движение поезда вызывается взаимодействием сверхпроводящих катушек, расположенных вдоль стенок вагонов, и катушек внутри ограничительных бортиков полотна дороги. Демонстрационный опыт. «Поезд на магнитной подушке» (Используется набор из механики)

Левитация. В сверхпроводнике индукционный ток существует достаточно долго, поэтому в результате отталкивания токов в сверхпроводнике и в постоянном магните высокотемпературный проводник зависает над магнитом.

5) Трансформаторы. (Приложение 5)

История изобретения трансформатора;

Устройство трансформатора и его работа;

Работа трансформатора на холостом ходу;

Работа трансформатора с нагрузкой;

Использование трансформатора при передаче электрической энергии.

Вопрос: Почему гудят трансформаторы?

6) Генераторы электрического тока. (Приложение 6)

7) Демонстрация спидометра (опыт на DVD диске)

— Объясните принцип работы спидометра.

Демонстрационный опыт. Определение магнитной индукции катушки с током с помощью измерительного комплекса L-Micro.

IV. Подведение итогов урока.

Сегодня мы с вами повторили явление электромагнитной индукции и выяснили где оно находит применение в наши дни. Вы являетесь авторами, следовательно, обладаете авторским правом на ваш программный продукт. Ваша работа проделана не впустую, так как ученики ознакомились с данными проектами. И, если вы позволите, то эти проекты будут использованы учителями и учениками на других уроках.

На перемене ознакомьтесь с газетой «Электромагнитная индукция в современной технике», которую выпустили учащиеся вашего класса, а также рассмотрите выставку «Трансформаторы».

Рефлексия: Что нового узнали на уроке?

Чему научились при подготовке к уроку? Какие трудности возникли?

Есть ли удовлетворение от полученных результатов? Актуальна ли данная тема?

V. Оценивание учащихся.

VI. Домашнее задание. Повторить § 8-17, выполнить домашнюю к/р, приготовить шпаргалки по теме «ЭМИ», подготовка к физдиктанту.

Электромагнитная индукция — теория, применение, преимущества, недостатки

Электромагнитная индукция — единственный эффективный способ выработки электроэнергии, если исключить солнечные батареи. Он находит применение везде, от производства электроэнергии до ее распределения конечным потребителям. В этом посте будут обсуждаться электромагнитная индукция, теория, основанная на законах Фарадея и Ленца, различные приложения, преимущества и недостатки.

Что такое электромагнитная индукция

Электромагнитная индукция — это процесс, в котором электродвижущая сила (напряжение) создается через электрический проводник с переменными магнитными полями или магнитным потоком.Теория электромагнитной индукции была открыта Майклом Фарадеем в 1830 году.

Рис. 1 — Введение в электромагнитную индукцию

В первые десятилетия девятнадцатого века многие ученые проводили эксперименты с использованием электрического тока и магнетизма. доказали, что электрический ток и магнетизм взаимосвязаны. Майкл Фарадей и Джозеф Генри открыли тот факт, что магнитные поля создаются движущимися электрическими зарядами.

Принцип электромагнитной индукции привел к развитию современных генераторов и трансформаторов.Генерация электромагнитной индукции может быть достигнута двумя способами, а именно:

  • Электрический проводник помещается в движущееся магнитное поле
  • Электрический проводник устойчиво движется в статическом магнитном поле

Теория электромагнитной индукции

Теория электромагнитной индукции основан на экспериментах, проведенных Майклом Фарадеем, Джозефом Генри и Генрихом Фридрихом Ленцем, и их выведенные правила стали известны как:

  1. Законы электромагнитной индукции Фарадея
  2. Закон электромагнитной индукции Ленца

1.Законы электромагнитной индукции Фарадея

Закон гласит, что «Скорость изменения магнитного потока во времени через цепь равна величине наведенной ЭДС в цепи».

Фарадей провел несколько экспериментов и успешно доказал, что ЭДС (электродвижущая сила) индуцируется в катушке, когда магнитный поток, проходящий через катушку, изменяется во времени. Магнитный поток вокруг проводника помогает определить индуцированный ток, называемый «вихревым» током.

Математически наведенная ЭДС определяется уравнением:

Знак минус указывает направление ε и, следовательно, направление тока в цепи. Индуцированная ЭДС может быть увеличена путем увеличения числа витков «N» катушки. Поток можно изменить, изменив форму катушки, сжав ее или растянув в магнитном поле. Вращение катушки в магнитном поле также индуцирует ЭДС в соответствующих катушках.

Рис.2 — Иллюстрация законов электромагнитной индукции Фарадея

На приведенном выше рисунке показана иллюстрация законов Фарадея. На рис. 2 (а) показана катушка C 1 , подключенная к гальванометру G, и северный полюс стержневого магнита перемещается к катушке. Гальванометр отклоняется, указывая на наличие электрического тока в катушке, а гальванометр не показывает отклонения, когда магнит неподвижен.

Аналогичным образом, когда магнит вынут из катушки, гальванометр показывает отклонение в противоположном направлении, что указывает на то, что ток течет в обратном направлении.

Фарадей также заметил, что, когда магнит перемещается к катушке или отводится от нее быстрее, отклонение гальванометра становится больше. Этот эксперимент доказал, что относительное движение между магнитом и катушкой генерирует ток в катушке.

На рис. 2 (b) показана катушка C 1 , подключенная к гальванометру, и вторая катушка C 2 , подключенная к батарее, и ток в катушке C 2 создает постоянное магнитное поле. Когда катушка C 2 движется к C 1 , гальванометр показывает отклонение, указывающее ток в катушке C 1 .

Аналогично, когда C 2 перемещается от C 1 , отклонение указывает в противоположном направлении, указывая на обратный поток тока. Этот эксперимент также доказал, что относительное движение между катушками может индуцировать электрический ток.

В последнем эксперименте, проиллюстрированном на рис. 2 (c), он подключил катушки C 1 и C 2 к гальванометру и батарее соответственно и удерживал катушки в стационарном положении, и гальванометр показал кратковременное отклонение, когда ключ (K ) нажата.При непрерывном нажатии клавиши отклонения не обнаружено. Гальванометр показал обратное отклонение при отпускании ключа. Таким образом, Фарадей доказал, что относительное движение не является абсолютным требованием.

2. Закон электромагнитной индукции Ленца

Закон гласит, что «Полярность наведенной ЭДС такова, что она имеет тенденцию производить ток, который противодействует изменению магнитного потока, создавшему ее».

Математически индуцированная ЭДС и ток задаются уравнением:

Рассмотрим Рис. 3, где северный полюс стержневого магнита подталкивается к замкнутой катушке, и магнитный поток через катушку увеличивается.В катушке индуцируется ток в направлении, противоположном увеличению магнитного потока. Точно так же, если северный полюс магнита перемещается от катушки, магнитный поток через катушку уменьшается. Стержневой магнит испытывает силу отталкивания из-за индуцированного тока.

Рис. 3 — Иллюстрация закона Ленца

Применения электромагнитной индукции

Применения электромагнитной индукции:

  • Генераторы
  • Трансформаторы
  • Считыватели кредитных / дебетовых карт (поясняется ниже)
  • Индукционные варочные панели
  • (поясняется ниже)
  • Электродвигатели и индукторы
  • Беспроводная зарядка

Система считывания электронных карт на основе электромагнитной индукции

Устройство для считывания электронных карт или устройство для считывания карт основано на принципе электромагнитной индукции.Любая кредитная / дебетовая карта имеет магнитную полосу на обратной стороне карты, которая называется Magstripe . Магнитная полоса состоит из очень маленьких магнитных частиц (20 миллионных долей дюйма), выровненных в направлении север-юг. Следовательно, вся магнитная полоса действует как стержневой магнит, где один конец — северный полюс, а другой конец — южный полюс.

Рис. 4 — Электронная система считывания карты на основе теории электромагнитной индукции

Магнитная полоса (Magstripe), которая имеет различные ориентации магнитного поля по длине карты, проходит через считыватель карт, изменение магнитного Флюс производится в одном направлении.Это создает разность потенциалов, поскольку карта, имеющая переменные магнитные поля, проходит через устройство для чтения карт, которое представляет собой катушку считывания, действующую как замкнутый контур.

Когда карта проходит мимо магнитной головки устройства считывания карт, возникает ток, который запускает доступ к информации, хранящейся в соответствующих регистрах. Согласно Майклу Фарадею, изменяющееся магнитное поле индуцирует электрическое поле.

Система индукционной варочной панели

На основе теории электромагнитной индукции

В индукционной варочной панели магнитное поле создается при включении прибора и прохождении тока через медную катушку.Медная катушка действует как проводник. Электрический ток, проходящий через катушку, создает магнитное поле во всех направлениях вокруг катушки.

Рис. 5 — Индукционная варочная панель, основанная на теории электромагнитной индукции

Когда кухонная утварь помещается на варочную панель, магнитное поле, создаваемое катушкой, проходит через посуду. Это изменяющееся магнитное поле вызывает прохождение электрического тока. Этот индуцированный ток рассеивает часть своей энергии в виде тепла, которое увеличивает температуру посуды, размещенной на варочной поверхности, и пища готовится за счет передаваемого тепла.

Преимущества Электромагнитная индукция

Преимущества электромагнитной индукции:

  • Электроэнергия переменного или постоянного тока может вырабатываться с использованием источника электромагнитной энергии
  • Устраняет необходимость во внешнем источнике электроэнергии для выработки электроэнергии

Недостаток Электромагнитная индукция

Электромагнитные поля, генерируемые для производства электричества, могут быть опасными при определенных обстоятельствах

  Также прочтите:
Принцип эффекта Холла - история, объяснение теории, математические выражения и приложения
Что такое токоизмерительные клещи (клещи-тестеры) - типы, принцип работы и принцип действия; Как работать
Датчики на эффекте Холла - работа, типы, применение, преимущества и недостатки  

Закон Фарадея и электромагнитная индукция — Как работают трансформаторы | Стрелка.com

Узнайте о научных принципах функционирования трансформаторов и о том, как они повышают и понижают напряжение для облегчения распределения электроэнергии.

Что делают трансформаторы?

Трансформаторы — это устройства, использующие электромагнитную индукцию для изменения свойств электрического тока от одной цепи к другой. Практически вся электрическая энергия, которую мы используем ежедневно, в какой-то момент проходит через трансформатор.Коммунальные предприятия полагаются на трансформаторы для повышения напряжения для передачи от электростанции к распределительной сети, а затем обратно к напряжениям, которые можно использовать в наших повседневных электрических приложениях.

Применение закона Фарадея: как работают трансформаторы

Итак, как работают трансформаторы? Давайте углубимся в подробности.

Трансформаторы содержат пару обмоток, и они работают, применяя закон индукции Фарадея .

  1. Переменный ток проходит через первичную обмотку, которая создает переменный магнитный поток.
  2. Возникающее в результате магнитное поле ударяет по второй обмотке и генерирует в этой обмотке переменное напряжение за счет электромагнитной индукции.

В теоретическом идеальном трансформаторе между цепями не происходит утечки энергии; две схемы идеально сочетаются с бесконечно высокой магнитной проницаемостью. Вот уравнения, описывающие этот теоретический трансформатор:

В P = -N P (dɸ / d t )

В S = -N S (dɸ / d t )

Символы в этих уравнениях имеют следующие значения:

  • В — мгновенное напряжение.
  • N количество витков в обмотке.
  • d ɸ / d t — это изменение магнитного потока (ɸ) через обмотки с течением времени.
  • P и S относятся к первичной и вторичной обмоткам соответственно.

Отношение начального напряжения к выходному напряжению равно отношению витков первичной обмотки к числу витков вторичной. Например, вторичная обмотка с вдвое большим количеством витков, чем первичная обмотка, будет выдавать напряжение, вдвое превышающее исходное напряжение.

В реальной жизни мы всегда будем испытывать некоторую потерю эффективности из-за нагрева сердечника, реактивного сопротивления или других переменных. Тем не менее, электромагнитная индукция — полезный метод изменения напряжений по мере необходимости для различных приложений.

Принцип работы: Повышающие и понижающие трансформаторы

Вот соотношение между обмотками и напряжениями, которое мы описали выше:

В P / В S = N P / N S

Трансформаторы способны резко изменять напряжение.Трансформаторы, повышающие напряжение, называются «повышающими трансформаторами», а трансформаторы, понижающие напряжение, — «понижающими трансформаторами». Повышающие трансформаторы имеют решающее значение для распределения электроэнергии среди населения. Эти трансформаторы позволяют электростанции повышать уровень напряжения питания до уровня, достаточного для эффективного перемещения на большие расстояния. Как только ток поступает в распределительную сеть, понижающий трансформатор изменяет ток обратно до уровня, соответствующего требованиям конечных пользователей.

Другие типы трансформаторов

Повышающие и понижающие трансформаторы иллюстрируют основные принципы электромагнитной индукции и изменения напряжения.Однако существует множество других типов трансформаторов для конкретных приложений, включая аудио, электрические, измерительные и другие. Все эти трансформаторы работают по принципу индукции в сети переменного тока, но они различаются по конструкции, чтобы обеспечить выполнение их конкретных функций. Эти функции могут включать в себя балансировку напряжений или точное преобразование большого напряжения с понижением частоты, чтобы позволить чувствительным приборам считывать ток и напряжение.

Объяснение: Майкл Фарадей и электромагнитная индукция

29 августа 1831 года британский ученый Майкл Фарадей обнаружил электромагнитную индукцию, плодотворный прорыв, заложивший основу для более поздних исследователей, таких как Джеймс Клерк Максвелл, и привел к таким важным изобретениям, как электрические двигатели, трансформаторы, индукторы и генераторы.

Кем был Майкл Фарадей и как он открыл электромагнитную индукцию?

Майкл Фарадей считается одним из величайших ученых Англии XIX века, внесшим новаторский вклад как в химию, так и в электромагнетизм.

Фарадей родился в 1791 году в условиях значительной бедности и не получил формального образования. Он научился читать и писать в воскресной церкви. Фарадей начал работать в 14 лет с продавцом книг в Лондоне и обнаружил свою склонность к науке, читая книги, которые его работодатель переплетал.

В 1812 году Фарадей поступил в ученики у легендарного химика сэра Хэмфри Дэви, изобретателя лампы Дэви. В конце этого объединения Фарадей начал свою выдающуюся карьеру ученого. Первые годы были наделены успехами в химии; в 1825 году Фарадей открыл бензол.

Однако главными интересами Фарадея были электричество и магнетизм. Помимо электромагнитной индукции, Фарадей также открыл диамагнетизм, электролиз и влияние магнетизма на свет.

Эксперимент Фарадея с железным кольцом

Фарадей обмотал толстое железное кольцо двумя витками изолированного провода, по одному с каждой стороны кольца. Одна катушка была подключена к батарее, а другая — к гальванометру. Когда цепь батареи была замкнута, Фарадей увидел кратковременное отклонение гальванометра. Аналогичное кратковременное отклонение, но в противоположном направлении, наблюдалось при размыкании цепи батареи.

Это наблюдение привело к открытию, что изменение магнитного поля создает электродвижущую силу и ток в соседней цепи.Это явление, называемое электромагнитной индукцией, было позже математически смоделировано Джеймсом Клерком Максвеллом и стало известно как закон Фарадея.

Основание, заложенное Фарадеем, помогло Максвеллу в дальнейшем изучении теории электромагнитного поля, и его вклад в то время существенно повлиял на физику 20-го века.

Демонстрация электромагнитной индукции

Резюме
Эта простая демонстрация показывает взаимодействие между электричеством и магнетизмом.Он подходит для всех уровней физики, от концептуальных курсов до вводных курсов на основе вычислений. Две катушки проволоки держатся близко друг к другу, но не соприкасаются. Один подключается к источнику музыки, например, небольшому радио или iPod, а другой — к внешнему динамику. Студенты могут слышать музыку через динамик, даже если нет прямого подключения.
Уровень объяснения демонстрации может варьироваться от очень качественного обсуждения магнитных полей до количественного обсуждения теории трансформатора.

Целей обучения

В конце этого задания ученики поймут, что существует связь между электрическим и магнитным полями. В частности, они будут проверять, создается ли магнитное поле в катушке с проводом, несущей ток, и изменяющееся магнитное поле может индуцировать ток в другой катушке с проволокой.
Более продвинутые студенты изучат взаимосвязь между наведенным током и расстоянием между катушками или количеством витков в каждой катушке.

Контекст использования

Концептуальный или вводный класс средней школы:
Материалы:
1 небольшой радиоприемник или iPod
1 небольшой внешний динамик (модель Radio Shack: 277-1008)
1 мини-стереокабель (модель Radio Shack: PH62125)
1 мини-стереокабель, разрезанный пополам с катушками магнитного провода на каждом конце

Описание и учебные материалы

Организатор демонстрации:
1. Включение магнитолы и динамика и подключение кабеля между ними
2.Удаление кабеля и замена каждого конца модифицированным кабелем (витки проволоки на каждом конце)
3. Медленно сведите катушки друг к другу, пока не услышите музыку.
Студенты будут поражены и готовы к объяснениям. Можно обсудить несколько концепций:
1. Катушка из проволоки с током создает через нее магнитное поле. При желании можно обсудить уравнения.
2. Изменяющееся магнитное поле индуцирует ток в катушке с проволокой, как указано в законе индукции Фарадея
. 3.Базовый трансформатор — это две катушки с проводом, которые могут передавать электрическую энергию, не касаясь друг друга.

Для более подробного обсуждения, расстояние между катушками можно изменить, кусок железа можно разместить через обе катушки, или можно использовать катушки с различным числом витков.

Учебные заметки и советы

Катушки могут быть изготовлены путем снятия изоляции с концов длинного куска магнитной проволоки (калибра около 20 для прочности), формирования катушки примерно с 5 петлями и припайки концов к двум выводам мини-стереокабеля.

Оценка

Белые доски можно использовать для того, чтобы ученики зарисовывали катушки и поля после демонстрации и перед обсуждением.

Ссылки и ресурсы

http://faraday.physics.uiowa.edu/em/5k10.51.htm

Электромагнитная индукция — GeeksforGeeks

Электромагнитная индукция, часто известная как индукция, — это процесс, при котором проводник помещается в определенное положение, а магнитное поле изменяется или остается неподвижным при движении проводника.В результате этого в электрическом проводнике создается напряжение или ЭДС (электродвижущая сила). В 1830 году Майкл Фарадей открыл закон индукции. Давайте подробнее рассмотрим электромагнитную индукцию.

Электромагнитная индукция

Допустим, вы ходите за покупками без наличных, а ваши родители используют кредитные карты. Карту всегда сканирует или проводит владелец магазина. Владелец магазина не фотографирует и не трогает карту. Однако он смахивает / сканирует его. Как это считывание карты удаляет деньги? Это происходит из-за явления, известного как «электромагнитная индукция».’

Могут ли движущиеся предметы генерировать электрический ток? Как узнать, существует ли связь между электричеством и магнетизмом? Подумайте, какой была бы жизнь, если бы не было компьютеров, телефонов и электричества. Эксперименты Фарадея привели к созданию генераторов и трансформаторов.

Индукция электродвижущей силы при прохождении проводника через магнитное поле или при изменении магнитного потока в магнитном поле называется электромагнитной индукцией.



Это происходит, когда проводник помещается в движущееся магнитное поле или когда он движется в фиксированном магнитном поле.

Майкл Фарадей открыл это правило электромагнитной индукции. Он подключил подводящий провод, аналогичный показанному на схеме выше, который он подключил к устройству, измеряющему напряжение в цепи. Напряжение в цепи измеряется, когда стержневой магнит проходит через устройство. Смысл этого в том, что это метод создания электрической энергии в цепи с использованием магнитных полей, а не батарей.Принцип электромагнитной индукции используется такими устройствами, как генераторы, трансформаторы и двигатели.

Закон электромагнитной индукции Фарадея

Фарадей дал два закона электромагнитной индукции:

Первый закон: Когда проводник помещен в изменяющееся магнитное поле, возникает наведенная ЭДС, а если проводник замкнут, индуцированная через него течет ток.

Второй закон: Величина наведенной ЭДС равна скорости изменения магнитного потока.

Фарадей в своем эксперименте обнаружил, что различные элементы влияют на генерацию напряжения. Они следующие:

  • Количество витков: Индуцированное напряжение пропорционально количеству витков / витков провода. Чем больше витков, тем большее напряжение создается.
  • Изменение магнитного поля: На индуцированное напряжение влияют изменения магнитного поля. Этого можно достичь, вращая магнитное поле вокруг проводника или вращая проводник внутри магнитного поля.

Следовательно, закон электромагнитной индукции Фарадея гласит, что величина напряжения, генерируемого в катушке, пропорциональна изменяющемуся магнитному полю и количеству витков катушки.



В результате индуцированное напряжение теперь равно:

E = N (dϕ ⁄ dt)

где,

  • N = количество витков в катушке
  • dϕ = изменение магнитного поток
  • dt = временной интервал
  • E = индуцированное напряжение

Закон электромагнитной индукции Ленца

Закон Ленца гласит, что когда ЭДС индуцирует в соответствии с законом Фарадея, полярность (направление) этой индуцированной ЭДС противодействует причине его создание.

Согласно закону Ленца,

E = — N (dϕ ⁄ dt)

Отрицательный знак указывает на то, что индуцированная ЭДС противодействует причине ее возникновения.

Применение электромагнитной индукции

  1. Электромагнитная индукция в генераторе переменного тока
  2. Электрические трансформаторы
  3. Магнитный расходомер

Электрические трансформаторы

Электрический трансформатор — еще одно важное применение электромагнитной индукции.Трансформатор — это устройство, которое использует магнитное поле для преобразования электроэнергии переменного тока с одного уровня напряжения на другой. Напряжение в первичной обмотке понижающего трансформатора выше, чем во вторичной обмотке. Повышающий трансформатор — это трансформатор, в котором вторичное напряжение имеет дополнительные витки. Чтобы повысить напряжение до 100 кВ, поставщики электроэнергии используют ступенчатый трансформатор, который снижает ток и снижает потери мощности в линиях электропередачи. А в бытовых цепях используются понижающие трансформаторы для понижения напряжения до 120 или 240 В.

Электромагнитная индукция в генераторе переменного тока


Производство переменного тока — одно из наиболее важных приложений электромагнитной индукции.

Более совершенным оборудованием является генератор переменного тока с выходной мощностью 100 МВ. Эффективная площадь контура, когда катушка вращается в магнитном поле B, равна A cos θ , где θ — угол между A и B. Принцип работы основного генератора переменного тока заключается в следующем способе создания магнитного потока. изменение.Ось вращающейся катушки перпендикулярна направлению магнитного поля. Магнитный поток через катушку изменяется по мере вращения катушки, вызывая индукцию ЭДС в катушке.

Примеры проблем

Проблема 1: Когда стержневой магнит помещается рядом с круглой катушкой, имеющей 50 витков, плотность магнитного поля изменяется со скоростью 0,10 Тл / с. Найти наведенную в катушке ЭДС.

Решение:

Дано:

Число витков, N = 50 витков

Скорость изменения магнитного потока, dϕ ⁄ dt = 0.10 Тл / с

E = — N (dϕ / dt)

= — 50 × 0,10 В

= — 5 В

Следовательно, наведенная в катушке ЭДС составляет 5 В .

Проблема 2: Что такое электромагнитная индукция?

Решение:

Электромагнитная индукция — это индукция электродвижущей силы при движении проводника в магнитном поле или при изменении магнитного потока в магнитном поле.

Задача 3. Что такое закон электромагнитной индукции Фарадея?

Решение:

Закон электромагнитной индукции Фарадея гласит, что величина напряжения, генерируемого в катушке, пропорциональна количеству витков и изменяющемуся магнитному полю катушки.

Задача 4: Что такое закон Ленца?

Решение:

Согласно закону Ленца, наведенная ЭДС противодействует причине ее возникновения, то есть E = — N (dϕ ⁄ dt). Отрицательный знак указывает на то, что наведенная ЭДС противодействует причине ее возникновения.

Задача 5: Упомяните о применении электромагнитной индукции.

Решение:

Применение электромагнитной индукции:

  • Электромагнитная индукция в генераторе переменного тока
  • Электрические трансформаторы
  • Магнитный расходомер

Внимание, читатель! Не прекращайте учиться сейчас.Присоединяйтесь к курсу First-Step-to-DSA для учащихся 9–12 классов , , специально разработанного для ознакомления со структурами данных и алгоритмами учащихся 9–12 классов

Введение в электромагнитную индукцию, цепи переменного тока и электрооборудование Технологии — Колледж физики

Электромагнитная индукция, цепи переменного тока и электрические технологии

Эти ветряные турбины в устье Темзы в Великобритании являются примером работы индукции.Ветер толкает лопасти турбины, вращая вал, прикрепленный к магнитам. Магниты вращаются вокруг проводящей катушки, индуцируя электрический ток в катушке и, в конечном итоге, питая электрическую сеть. (кредит: модификация работы Петра Краточвиля)

Симметрия природы прекрасна и манит. Крылья бабочки демонстрируют привлекательную симметрию в сложной системе. (См. (Рисунок).) Законы физики отображают симметрии на самом базовом уровне — эти симметрии являются источником удивления и подразумевают более глубокий смысл.Поскольку мы придаем большое значение симметрии, мы ищем ее, когда исследуем природу. Примечательно то, что мы его находим.

Физика, как и эта бабочка, обладает внутренней симметрией. (кредит: Томас Брессон)

Намек на симметрию между электричеством и магнетизмом, обнаруженный в предыдущей главе, будет подробно рассмотрен в этой главе. В частности, мы знаем, что ток создает магнитное поле. Если природа здесь симметрична, то, возможно, магнитное поле может создать ток.Эффект Холла — это напряжение, вызванное магнитной силой. Это напряжение могло управлять током. Исторически сложилось так, что вскоре после того, как Эрстед обнаружил, что токи вызывают магнитные поля, другие ученые задали следующий вопрос: могут ли магнитные поля вызывать токи? Вскоре эксперимент подтвердил, что ответ положительный. В 1831 году, примерно через 12 лет после открытия Эрстеда, английский ученый Майкл Фарадей (1791–1862) и американский ученый Джозеф Генри (1797–1878) независимо друг от друга продемонстрировали, что магнитные поля могут создавать токи.Основной процесс генерации ЭДС (электродвижущей силы) и, следовательно, токов с магнитными полями известен как индукция; этот процесс также называют магнитной индукцией, чтобы отличить его от индукционной зарядки, в которой используется кулоновская сила.

Сегодня токи, индуцированные магнитными полями, необходимы нашему технологическому обществу. Вездесущий генератор, который можно найти в автомобилях, велосипедах, атомных электростанциях и т. Д., Использует магнетизм для генерации тока. Другие устройства, которые используют магнетизм для индукции токов, включают в себя звукосниматели в электрогитарах, трансформаторы любого размера, определенные микрофоны, ворота безопасности аэропорта и механизмы демпфирования на чувствительных химических весах.Возможно, не так знакомо, но тем не менее важно, что поведение цепей переменного тока сильно зависит от влияния магнитных полей на токи.

Глоссарий

индукционный
(магнитная индукция) создание ЭДС и, следовательно, токов магнитными полями

10.7 Применение электромагнитной индукции — Введение в электричество, магнетизм и электрические схемы

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

К концу этого раздела вы сможете:
  • Объясните, как жесткие диски компьютеров и графические планшеты работают с использованием магнитной индукции
  • Объясните, как гибридные / электрические транспортные средства и транскраниальная магнитная стимуляция используют магнитную индукцию в своих интересах

В современном обществе существует множество применений закона индукции Фарадея, что мы исследуем в этой и других главах.В этой связи позвольте нам упомянуть несколько, которые включают запись информации с использованием магнитных полей.

Некоторые компьютерные жесткие диски применяют принцип магнитной индукции. Записанные данные производятся на вращающемся диске с покрытием. Исторически считывание этих данных основывалось на принципе индукции. Однако большая часть входной информации сегодня передается в цифровой, а не аналоговой форме — сериями или записывается на вращающемся жестком диске. Поэтому большинство считывающих устройств с жесткого диска не работают по принципу индукции, а используют технологию, известную как гигантское магнитосопротивление .Гигантское магнитосопротивление — это эффект большого изменения электрического сопротивления, вызванного приложенным магнитным полем к тонким пленкам из чередующихся ферромагнитных и немагнитных слоев. Это один из первых крупных успехов нанотехнологий.

Графические планшеты или планшетные компьютеры , в которых для рисования цифровых изображений используется перо специальной конструкции, также применяются принципы индукции. Обсуждаемые здесь планшеты обозначены как пассивные планшеты, поскольку существуют и другие конструкции, в которых для письма используется либо перо с батарейным питанием, либо оптические сигналы.Пассивные планшеты отличаются от сенсорных планшетов и телефонов, которыми многие из нас пользуются регулярно, но их все же можно найти при подписании вашей подписи на кассовом аппарате. Под экраном, показанным на рис. 10.7.1, проходят крошечные провода, проходящие по длине и ширине экрана. На кончике ручки появляется крошечное магнитное поле. Когда наконечник скользит по экрану, в проводах ощущается изменяющееся магнитное поле, которое преобразуется в наведенную ЭДС, которая преобразуется в линию, которую вы только что нарисовали.

(рисунок 10.7.1)

Рис. 10.7.1 Планшет со специальной ручкой для письма — еще одно применение магнитной индукции.

Еще одно применение индукции — это магнитная полоса на обратной стороне вашей личной кредитной карты , используемой в продуктовом магазине или банкомате. Это работает по тому же принципу, что и аудио- или видеолента, в которой головка воспроизведения считывает личную информацию с вашей карты.

Электрические и гибридные автомобили также используют преимущества электромагнитной индукции.Одним из ограничивающих факторов, препятствующих широкому распространению электромобилей, является то, что срок службы батареи не так велик, как время, необходимое для езды на полном баке бензина. Чтобы увеличить количество заряда аккумулятора во время движения, двигатель может действовать как генератор всякий раз, когда автомобиль тормозит, используя в своих интересах создаваемую противо-ЭДС. Эта дополнительная ЭДС может быть получена заново накопленной энергией в автомобильном аккумуляторе, что продлевает срок службы аккумулятора.

Еще одна современная область исследований, в которой успешно применяется электромагнитная индукция, — это транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) .Множество расстройств, включая депрессию и галлюцинации, можно объяснить нерегулярной локальной электрической активностью в головном мозге.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.