Site Loader

Содержание

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).

Электромагнитная индукция

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

Электромагнитная индукция

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.

Появление тока в замкнутом контуре при изменении магнит­ного поля, пронизывающего контур, свидетельствует о действии в контуре сторонних сил (или о возникно­вении ЭДС индукции)

Появление тока в замкнутом контуре при изменении магнит­ного поля, пронизывающего контур, свидетельствует о действии в контуре сторонних сил (или о возникно­вении ЭДС индукции)

Закон электромагнитной индукции

При всяком изменении магнитного потока через проводящий замкнутый контур в этом контуре возникает электрический ток. I зависит от свойств контура (сопротивление):  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: Закон электромагнитной индукции

.

ЭДС индукции в замкнутом контуре прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока через площадь, ограниченную этим контуром.

Закон электромагнитной индукции

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: Закон электромагнитной индукции

; Магнитный поток Ф­ → ΔФ>0.Чтобы компенсировать это изменение (увеличение) внешнего поля, необходимо магнитное поле, направленное в сторону, противоположную внешнему полю: Закон электромагнитной индукции, где Закон электромагнитной индукции — т.н. индукционное магнитное поле.

В случае 2: при удалении магнита, уменьшении тока, размыкании цепи: Закон электромагнитной индукции. Магнитный поток Ф  → ΔФ<0. Чтобы компенсировать это изменение (уменьшение), необходимо магнитное поле, сонаправленное с внешним полем: Закон электромагнитной индукции

.

Правило Ленца

Правило Ленца

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 (Правило Ленца

),еслиЗакон электромагнитной индукциипротивоположноПравило Ленца (т.е. ΔΦ>0). Ток в контуре имеет положительное направление (Правило Ленца), если Закон электромагнитной индукции совпа­дает с Правило Ленца,   (т.е. ΔΦ<0).

Поэтому с учетом правила Ленца (знака) выражение для закона электромагнитной индукции записывается: Правило Ленца

.

Данная формула справедлива для СИ (коэффициент пропорциональности равен 1). В других системах единиц коэффициент другой.

Правило Ленца

Если контур (например, катушка) состоит из нескольких витков, то Если контур (например, катушка) состоит из нескольких витков,,

где n – количество витков. Все предыдущие формулы справедливы в случае линейного (равномерного) изменения магнитного потока. В произвольном случае закон записывается через производную: Если контур (например, катушка) состоит из нескольких витков,

, где e – мгновенное значение ЭДС индукции.

Если контур (например, катушка) состоит из нескольких витков,

Если контур (например, катушка) состоит из нескольких витков,

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

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

Майкл Фарадей

Магнитный поток

Данное явление 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

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

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.

 

Формула закона электромагнитной индукции

Это основной закон, который используют при вычислениях, которые связаны с электромагнитной индукцией.

Формула данного закона выглядит следующим образом:

   

где – электродвижущая сила (ЭДС) индукции, которая возникает в проводнике, если он находится в переменном магнитном поле. Если проводящим телом является, например, замкнутый контур, то в нем течет электрический ток, который называют током индукции. – магнитный поток, через поверхность, ограниченную этим контуром. Формула (1) означает то, что ЭДС индукции равна по модулю и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через некоторую поверхность.

Магнитный поток, который пронизывает контур, может изменяться из-за разных причин, например, перемещения контура, его деформации, изменения самого магнитного поля. Полная производная в формуле закона электромагнитной индукции охватывает весь спектр действия этих причин.

Следует учесть, что из конца вектора нормали к контуру обход контура должен проходить против часовой стрелки.

Знак минус в законе индукции отражает правило Ленца.

В виде (1), закон электромагнитной индукции записывается в международной системе единиц (СИ).

Если изменение магнитного потока происходит равномерно, то формулу закона электромагнитной индукции можно записать как:

   

Формулу закона для электромагнитной индукции, если контур состоит из N витков, соединенных последовательно, записывают в виде:

   

где – потокосцепление.

Результаты применения основного закона электромагнитной индукции

Формулы ЭДС индукции для частных случаев

ЭДС индукции в прямом проводнике, имеющем длину l, движущемся в магнитном поле и пересекающем линии магнитной индукции, если скорость его движения () перпендикулярна вектору магнитной индукции (), равна:

   

Разность потенциалов (U), возникающая на концах проводника длиной l, движущегося в однородном магнитном поле со скоростью v равна:

   

где – угол между направлением вектора скорости и направлением вектора магнитной индукции.

Если в однородном магнитном поле вращается плоский контур со скоростью , при этом ось вращения находится в плоскости витка и составляет угол в 900 с направлением вектора внешнего магнитного поля, то в контуре появляется ЭДС индукции равная:

   

где S – площадь, которую ограничивает виток; – мгновенное значение угла между и вектором нормали к плоскости рамки; – поток самоиндукции витка.

Если в рамке, вращающейся со скоростью в однородном магнитном поле, имеется N витков, то

   

в формуле (6) самоиндукцией витков пренебрегли.

Пусть проводник находится в покое, при этом изменяется во времени само магнитное поле, тогда ЭДС индукции можно найти как:

   

Примеры решения задач по теме «Закон электромагнитной индукции»

Какая формула выражает основной закон электромагнитной индукции — MOREREMONTA

История развития и опыты Фарадея

До середины XIX века считалось, что электрическое и магнитное поле не имеют никакой связи, и природа их существования различна. Но М. Фарадей был уверен в единой природе этих полей и их свойств. Явление электромагнитной индукции, обнаруженное им, впоследствии стало фундаментом для устройства генераторов всех электростанций. Благодаря этому открытию знания человечества о электромагнетизме шагнули далеко вперед.

Фарадей проделал следующий опыт: он замыкал цепь в катушке I и вокруг нее возрастало магнитное поле. Далее линии индукции данного магнитного поля пересекали катушку II, в которой возникал индукционный ток.

Рис. 1. Схема опыта Фарадея

Сколько бы экспериментов не проводил Фарадей, неизменным оставалось одно условие: для образования индукционного тока важным является изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый проводящий контур (катушку).

Закон Фарадея

Явление электромагнитной индукции определяется возникновением электрического тока в замкнутом электропроводящем контуре при изменении магнитного потока через площадь этого контура.

Основной закон Фарадея заключается в том, что электродвижущая сила (ЭДС) прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока.

Формула закона электромагнитной индукции Фарадея выглядит следующим образом:

Рис. 2. Формула закона электромагнитной индукции

И если сама формула, исходя из вышесказанных объяснений не порождает вопросов, то знак «-» может вызвать сомнения. Оказывается существует правило Ленца – русского ученого, который проводил свои исследования, основываясь на постулатах Фарадея. По Ленцу знак «-» указывает на направление возникающей ЭДС, т.е. индукционный ток направлен так, что магнитный поток, который он создает, через площадь, ограниченную контуром, стремится препятствовать тому изменению потока, которое вызывает данный ток.

Закон Фарадея-Максвелла

В 1873 Дж.К.Максвелл по-новому изложил теорию электромагнитного поля. Уравнения, которые он вывел, легли в основу современной радиотехники и электротехники. Они выражаются следующим образом:

  • Edl = -dФ/dt – уравнение электродвижущей силы
  • Hdl = -dN/dt – уравнение магнитодвижущей силы.

Где E – напряженность электрического поля на участке dl; H – напряженность магнитного поля на участке dl; N – поток электрической индукции, t – время.

Симметричный характер данных уравнений устанавливает связь электрических и магнитных явлений, а также магнитных с электрическими. физический смысл, которым определяются эти уравнения, можно выразить следующими положениями:

  • если электрическое поле изменяется, то это изменение всегда сопровождается магнитным полем.
  • если магнитное поле изменяется, то это изменение всегда сопровождается электрическим полем.

Рис. 3. Возникновение вихревого магнитного поля

Что мы узнали?

Ученикам 11 класса необходимо знать, что электромагнитную индукцию впервые как явление обнаружил Майкл Фарадей. Он доказал, что электрическое и магнитное поле имеют общую природу. Самостоятельные исследования на основе опытов Фарадея также проводили такие великие деятели как Ленц и Максвелл, которые расширили наши познания в области электромагнитного поля.

Явление электромагнитной индукции

Электромагнитная индукция – явление возникновения тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего его.

Явление электромагнитной индукции было открыто М. Фарадеем.

  • На одну непроводящую основу были намотаны две катушки: витки первой катушки были расположены между витками второй. Витки одной катушки были замкнуты на гальванометр, а второй – подключены к источнику тока. При замыкании ключа и протекании тока по второй катушке в первой возникал импульс тока. При размыкании ключа также наблюдался импульс тока, но ток через гальванометр тек в противоположном направлении.
  • Первая катушка была подключена к источнику тока, вторая, подключенная к гальванометру, перемещалась относительно нее. При приближении или удалении катушки фиксировался ток.
  • Катушка замкнута на гальванометр, а магнит движется – вдвигается (выдвигается) – относительно катушки.

Опыты показали, что индукционный ток возникает только при изменении линий магнитной индукции. Направление тока будет различно при увеличении числа линий и при их уменьшении.

Сила индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока. Может изменяться само поле, или контур может перемещаться в неоднородном магнитном поле.

Объяснения возникновения индукционного тока

Ток в цепи может существовать, когда на свободные заряды действуют сторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура равна ЭДС. Значит, при изменении числа магнитных линий через поверхность, ограниченную контуром, в нем появляется ЭДС, которую называют ЭДС индукции.

Электроны в неподвижном проводнике могут приводиться в движение только электрическим полем. Это электрическое поле порождается изменяющимся во времени магнитным полем. Его называют вихревым электрическим полем. Представление о вихревом электрическом поле было введено в физику великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1861 году.

Свойства вихревого электрического поля:

  • источник – переменное магнитное поле;
  • обнаруживается по действию на заряд;
  • не является потенциальным;
  • линии поля замкнутые.

Работа этого поля при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна ЭДС индукции в неподвижном проводнике.

Магнитный поток

Магнитным потоком через площадь ​ ( S ) ​ контура называют скалярную физическую величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции ​ ( B ) ​, площади поверхности ​ ( S ) ​, пронизываемой данным потоком, и косинуса угла ​ ( alpha ) ​ между направлением вектора магнитной индукции и вектора нормали (перпендикуляра к плоскости данной поверхности):

Обозначение – ​ ( Phi ) ​, единица измерения в СИ – вебер (Вб).

Магнитный поток в 1 вебер создается однородным магнитным полем с индукцией 1 Тл через поверхность площадью 1 м 2 , расположенную перпендикулярно вектору магнитной индукции:

Магнитный поток можно наглядно представить как величину, пропорциональную числу магнитных линий, проходящих через данную площадь.

В зависимости от угла ​ ( alpha ) ​ магнитный поток может быть положительным ( ( alpha ) ( alpha ) > 90°). Если ( alpha ) = 90°, то магнитный поток равен 0.

Изменить магнитный поток можно меняя площадь контура, модуль индукции поля или расположение контура в магнитном поле (поворачивая его).

В случае неоднородного магнитного поля и неплоского контура магнитный поток находят как сумму магнитных потоков, пронизывающих площадь каждого из участков, на которые можно разбить данную поверхность.

Закон электромагнитной индукции Фарадея

Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея):

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:

Знак «–» в формуле позволяет учесть направление индукционного тока. Индукционный ток в замкнутом контуре имеет всегда такое направление, чтобы магнитный поток поля, созданного этим током сквозь поверхность, ограниченную контуром, уменьшал бы те изменения поля, которые вызвали появление индукционного тока.

Если контур состоит из ​ ( N ) ​ витков, то ЭДС индукции:

Сила индукционного тока в замкнутом проводящем контуре с сопротивлением ​ ( R ) ​:

При движении проводника длиной ​ ( l ) ​ со скоростью ​ ( v ) ​ в постоянном однородном магнитном поле с индукцией ​ ( vec ) ​ ЭДС электромагнитной индукции равна:

где ​ ( alpha ) ​ – угол между векторами ​ ( vec ) ​ и ( vec ) .

Возникновение ЭДС индукции в движущемся в магнитном поле проводнике объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы.

Движущийся в магнитном поле проводник, по которому протекает индукционный ток, испытывает магнитное торможение. Полная работа силы Лоренца равна нулю.

Количество теплоты в контуре выделяется либо за счет работы внешней силы, которая поддерживает скорость проводника неизменной, либо за счет уменьшения кинетической энергии проводника.

Важно!
Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум причинам:

  • 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;
  • 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. 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.

Правило Ленца

Направление индукционного тока определяется по правилу 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.

Алгоритм решения задач с использованием правила Ленца:

  • определить направление линий магнитной индукции внешнего магнитного поля;
  • выяснить, как изменяется магнитный поток;
  • определить направление линий магнитной индукции магнитного поля индукционного тока: если магнитный поток уменьшается, то они сонаправлены с линиями внешнего магнитного поля; если магнитный поток увеличивается, – противоположно направлению линий магнитной индукции внешнего поля;
  • по правилу буравчика, зная направление линий индукции магнитного поля индукционного тока, определить направление индукционного тока.

Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии.

Самоиндукция

Самоиндукция – это явление возникновения ЭДС индукции в проводнике в результате изменения тока в нем.

При изменении силы тока в катушке происходит изменение магнитного потока, создаваемого этим током. Изменение магнитного потока, пронизывающего катушку, должно вызывать появление ЭДС индукции в катушке.

В соответствии с правилом Ленца ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока при включении и убыванию силы тока при выключении цепи.

Это приводит к тому, что при замыкании цепи, в которой есть источник тока с постоянной ЭДС, сила тока устанавливается через некоторое время.

При отключении источника ток также не прекращается мгновенно. Возникающая при этом ЭДС самоиндукции может превышать ЭДС источника.

Явление самоиндукции можно наблюдать, собрав электрическую цепь из катушки с большой индуктивностью, резистора, двух одинаковых ламп накаливания и источника тока. Резистор должен иметь такое же электрическое сопротивление, как и провод катушки.

Опыт показывает, что при замыкании цепи электрическая лампа, включенная последовательно с катушкой, загорается несколько позже, чем лампа, включенная последовательно с резистором. Нарастанию тока в цепи катушки при замыкании препятствует ЭДС самоиндукции, возникающая при возрастании магнитного потока в катушке.

При отключении источника тока вспыхивают обе лампы. В этом случае ток в цепи поддерживается ЭДС самоиндукции, возникающей при убывании магнитного потока в катушке.

ЭДС самоиндукции ​ ( varepsilon_ ) ​, возникающая в катушке с индуктивностью ​ ( L ) ​, по закону электромагнитной индукции равна:

ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна индуктивности катушки и скорости изменения силы тока в катушке.

Индуктивность

Электрический ток, проходящий по проводнику, создает вокруг него магнитное поле. Магнитный поток ​ ( Phi ) ​ через контур из этого проводника пропорционален модулю индукции ​ ( vec ) ​ магнитного поля внутри контура, а индукция магнитного поля, в свою очередь, пропорциональна силе тока в проводнике.

Следовательно, магнитный поток через контур прямо пропорционален силе тока в контуре:

Индуктивность – коэффициент пропорциональности ​ ( L ) ​ между силой тока ​ ( I ) ​ в контуре и магнитным потоком ​ ( Phi ) ​, создаваемым этим током:

Индуктивность зависит от размеров и формы проводника, от магнитных свойств среды, в которой находится проводник.

Единица индуктивности в СИ – генри (Гн). Индуктивность контура равна 1 генри, если при силе постоянного тока 1 ампер магнитный поток через контур равен 1 вебер:

Можно дать второе определение единицы индуктивности: элемент электрической цепи обладает индуктивностью в 1 Гн, если при равномерном изменении силы тока в цепи на 1 ампер за 1 с в нем возникает ЭДС самоиндукции 1 вольт.

Энергия магнитного поля

При отключении катушки индуктивности от источника тока лампа накаливания, включенная параллельно катушке, дает кратковременную вспышку. Ток в цепи возникает под действием ЭДС самоиндукции.

Источником энергии, выделяющейся при этом в электрической цепи, является магнитное поле катушки.

Для создания тока в контуре с индуктивностью необходимо совершить работу на преодоление ЭДС самоиндукции. Энергия магнитного поля тока вычисляется по формуле:

Основные формулы раздела «Электромагнитная индукция»

Алгоритм решения задач по теме «Электромагнитная индукция»:

1. Внимательно прочитать условие задачи. Установить причины изменения магнитного потока, пронизывающего контур.

2. Записать формулу:

  • закона электромагнитной индукции;
  • ЭДС индукции в движущемся проводнике, если в задаче рассматривается поступательно движущийся проводник; если в задаче рассматривается электрическая цепь, содержащая источник тока, и возникающая на одном из участков ЭДС индукции, вызванная движением проводника в магнитном поле, то сначала нужно определить величину и направление ЭДС индукции. После этого задача решается по аналогии с задачами на расчет цепи постоянного тока с несколькими источниками.

3. Записать выражение для изменения магнитного потока и подставить в формулу закона электромагнитной индукции.

4. Записать математически все дополнительные условия (чаще всего это формулы закона Ома для полной цепи, силы Ампера или силы Лоренца, формулы кинематики и динамики).

5. Решить полученную систему уравнений относительно искомой величины.

М. Фарадеем было установлено, что сила индукционного тока пропорциональна скорости из­менения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:

Возникновение тока в замкнутом контуре означает наличие сторонних сил, работа которых по перемещению единичного заряда в контуре называется электродвижущей силой (ЭДС). Это означает, что при изменении потока через поверхность, ограниченную замкнутым контуром, в кон­туре возникает ЭДС ɛi которую называют ЭДС индукции. Согласно закону Ома для замкнутой цепи, . Следовательно, ЭДС индукции пропорциональна ΔФ/Δt, поскольку сопротивление R не зависит от изменения магнитного потока.

Закон электромагнитной индукции формулируется так:

ЭДС индукции ɛi в замкнутом контуре равна по модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:

.

Применение правила Ленца к замкнутому контуру с положительной нормалью приводит к выражению:

.

Формула ( ) выражает основной закон электромагнитной индук­ции .

На рисунке внешнее магнитное поле индукции В возрастает со вре­менем и направлено вдоль положительной нормали к контуру с током. Индуцированный ток противоположен выбранному направлению обхода в соответствии с индуцированным магнитным полем В’.

Описанные выше опыты свидетельствуют о том, что электромагнит­ная индукция — это возникновение электрического поля и электрического тока при изменении во времени магнитного поля или при движении проводника в магнитном поле. Эти два типа эффектов электромагнитной индукции отличаются физической природой процессов, отвечающих за их возникновение. Первый тип обусловлен наведением вихревого элект­рического поля переменным магнитным полем, второй — действием сил Лоренца на движущиеся заряды в стационарном магнитном поле. В обоих случаях выполняется основной закон индукции, выраженный формулой ().

Закон Фарадея: формула для электромагнитной индукции

Майкл Фарадей (1791-1867) родился в Англии и жил, можно сказать, для изучения физики и химии. Он считается основателем концепции об электромагнитном поле и автором закона электромагнитной индукции, а также первооткрывателем формулы электромагнитной индукции.

Данное направление физики дало старт к промышленному производству электричества. Подтолкнуло его к этому открытие, которое совершил Эрстед. В нем доказано, что при запуске тока через прямой передатчик вокруг этого передатчика возникает магнитное поле.

Фарадей задумался над обратным эффектом, где магнитное поле, в котором проводник в замкнутом состоянии, может продуцировать ток.

Опыты Фарадея на пути к открытию

Опыты Фарадея

Фарадей — один из самых значимых физиков в истории

На протяжении десяти лет он пытался доказать свою теорию. И в 1831 году Фарадей провел ряд удачных опытов, которые служили безупречным доказательством.

Фарадей разместил на основании из дерева две катушки, обозначим их катушкой А и катушкой Б.

Обмотка катушки Б была изолирована, располагалась между обмоткой катушки А.

Катушка А была подключена к гальванической батарее, а катушка Б к гальванометру, чтобы измерить движение токов.

В итоге сформировались две независимые цепи гальваническая батарея — Катушка А и Катушка Б — гальванометр.

Обмотки катушек ничем не были соединены между собой, существовало только магнитное поле продуцируемое катушкой А, которое охватывало катушку Б.

Как только замыкали катушку А, гальванометр показывал незначительный электрический импульс. В дальнейшем, при постоянном токе в катушке А, гальванометр не показывал никаких изменений в катушке Б.

Но как только цепь в катушке А размыкалась, гальванометр опять фиксировал импульс тока в катушке Б, который двигался в обратном направлении.

Данный опыт позволил Фарадею сделать выводы о том, что магнитное поле катушки А, которое меняется относительно времени, рождает электрический ток в катушке Б.

Появление тока в данных условиях определяется как индукция, поэтому ток считается индукционным.

Примечательно, при росте магнитного поля, в случае, когда цепь с катушкой А активна, электрический ток в катушке Б движется в одном направлении, а когда магнитное поле слабеет, во время отключения цепи с катушкой А, ток движется в противоположную сторону.

Возникновение электричества с помощью магнетизма Фарадей определил как явление электромагнитной индукции.

Чтобы убедиться в том, что источник возникновения тока — это переменное магнитное поле, Фарадей двигал катушки по отношению друг к другу, при этом ток в катушке А был постоянным, а за счет движения, Катушка Б была в переменном магнитном поле и индуцировала электрический ток.

Исходя из этого опыта он сделал вывод — с увеличением скорости движения катушки, увеличивалась сила индукционного тока.

Затем катушка А была заменена источником высокой остаточной магнитной индукцией — магнитом, и Фарадей подтвердил опыт со сближением и удалением Катушки Б, которая подключена к гальванометру.

Как и в предыдущем опыте, гальванометр показал ток, который двигался в одном направлении при сближении с магнитом и менял направление на противоположное при отдалении от магнита.

И вновь сила тока увеличивалась при увеличении скорости движения катушки.

После этих опытов Фарадей пришел к выводу, что на возникновение индукционного тока влияет изменение количества линий магнитного поля, через которое проходит катушка.

Иначе говоря, чем больше магнитных линий будет пройдено через катушку Б за короткий промежуток времени, тем выше сила индукционного тока. Число линий, которые проходят через ограниченную площадь проводника определяется как магнитный поток.

Чем выше индукция, тем больше линий магнитного потока, и если умножить их на площадь проводника, учитывая угол наклона к плоскости проводника, можно вычислить магнитный поток.

Формула электромагнитной индукции

Формула индукции

Закон электромагнитной индукции дал старт разработкам генераторов

Зная все критерии опыта, можно определить что такое электромагнитная индукция.

Электромагнитная индукция — это появление электрического тока в замкнутом проводнике при изменении магнитного потока, который проходит через проводник.

Главное определение закона электродинамики Фарадей определил так:

Электродвижущая сила, которая возникла в проводнике, пропорциональна скорости изменения магнитного потока, проходящего через проводник.

ε = -df/ dt

ε — это электродвижущая сила

df — дифференциальная величина электромагнитного потока,

dt — дифференциальная величина времени прохождения потока через контур

Знак «-» в формуле появился после определения правила Ленца. Он выяснил, что индукционный поток всегда противодействует причине, которая его вызывает.

Формулу можно применять как в ситуации с неподвижным контуром, так и при движении проводников в магнитном поле.

Входящая в нее производная от магнитного потока по времени в общем случае включает в себя две части, первая часть определена переменой магнитной индукции во времени, а вторая – движением проводника по отношению к магнитному полю.

Закон электромагнитной индукции дал старт разработкам генераторов, которые устроены наподобие опытов Фарадея:

  • ротор, который двигается;
  • статор, находящийся в неизменном положении;
  • возникшее между ними электромагнитное поле.

Через обмотку статор проходит электрический ток, который вырабатывает магнитное поле, это поле влияет на магнитное поле ротора, под действием этой силы раскручивается вал.

В этом видео вы увидите целый урок на тему закона Фарадея для электромагнитной индукции:

Заметили ошибку? Выделите ее и нажмите Ctrl+Enter, чтобы сообщить нам.

формулировка закона Фарадея, физическая формула

Возникновение электродвижущей силы индукции было важнейшим открытием в области физики. Оно явилось основополагающим для развития технического применения этого явления.

Майкл Фарадей

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.

Опыты Фарадея

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:

  1. Изменение внешнего МП в катушке провода индуцирует в ней напряжение. При замкнутой проводящей электроцепи индуцированный ток начинает циркулировать по проводнику;
  2. Величина индуцированного напряжения соответствует скорости изменения магнитного потока, связанного с катушкой;
  3. Направление индукционной ЭДС всегда противоположно причине, ее вызвавшей.
Закон электромагнитной индукции

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.

Правило правой руки

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:

  1. 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;

Первый закон электролиза

Первый закон электролиза

  1. 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:

К = 1/F x M/z.

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.

Второй закон электролиза

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 63,5/2, для серебра 108/1, значит:

m1/m2 = 63,5/(2 х 108).

Теория электромагнетизма со времен Фарадея продолжала развиваться. В середине 20-го века для закона индукции была применена формулировка в рамках квантовой теории электромагнитных полей – квантовой электродинамики. Сегодня, благодаря большой технической области использования, она представляет собой одну из наиболее точных физических теорий, проверенных посредством экспериментов.

Видео

Оцените статью:

Электромагнитная индукция. Правило Ленца

Явление электромагнитной индукции заключается в том, что в результате изменения во времени магнитного потока, который пронизывает замкнутый проводящий контур, в контуре возникает электрический ток. Открыто это явление было физиком из Великобритании Максом Фарадеем в 1831 году.

Формула магнитного потока

Введем обозначения, необходимые нам для записи формулы. Для обозначения магнитного потока используем букву Ф, площади контура – S, модуля вектора магнитной индукции – B, α – это угол между вектором B→ и нормалью n→ к плоскости контура.

Магнитный поток, который проходит через площадь замкнутого проводящего контура, можно задать следующей формулой:

Φ=B·S·cos α,

Проиллюстрируем формулу.

Формула магнитного потока

Рисунок 1.20.1. Магнитный поток через замкнутый контур. Направление нормали n→ и выбранное положительное направление l→ обхода контура связаны правилом правого буравчика.

За единицу магнитного потока в СИ принят 1 вебер (Вб). Магнитный поток, равный 1 Вб, может быть создан в плоском контуре площадью 1 м2 под воздействием магнитного поля с индукцией 1 Тл, которое пронизывает контур по направлению нормали.

1 Вб=1 Тл·м2

Закон Фарадея

Изменение магнитного потока приводит к тому, что в проводящем контуре возникает ЭДС индукции δинд. Она равна скорости, с которой происходит изменение магнитного потока через ограниченную контуром поверхность, взятой со знаком минус. Впервые экспериментально установил это Макс Фарадей. Он же записал свое наблюдение в виде формулы ЭДС индукции, которая теперь носит название Закона Фарадея:

Определение 1

Закон Фарадея:

δинд=-∆Φ∆t

Правило Ленца

Определение 2

Согласно результатам опытов, индукционный ток, который возникает в замкнутом контуре в

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *