Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея) – формула, физический смысл > 6 пчел

В 1831 году мир впервые узнал о понятии электромагнитной индукции. Именно тогда Майкл Фарадей обнаружил это явление, ставшее в итоге важнейшим открытием в электродинамике.

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

На самом деле, одновременно с Фарадеем, но независимо от него, другой ученый Джозеф Генри обнаружил это явление.

Однако Фарадей опубликовал свои исследования раньше. Таким образом, автором закона электромагнитной индукции стал Майкл Фарадей.

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 хаpaктер 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

Также Максвелл установил, что распространение электромагнитного поля равна скорости распространения света.

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.

Морфологический разбор междометия

Оно помогает отобразить эмоции и переживания, не называя их при этом…

10 04 2023 3:36:29

Многообразие члeнистоногих на Земле, тип и классы, разнообразие представителей

Представители Члeнистоногих населяют, как водное, так и наземное прострaнcтво нашей планеты.

..

09 04 2023 3:47:53

Безработица (обществознание, 11 класс)

Безработные люди не имеют возможности обеспечивать себя и свою семью, приобретать товары, платить налоги, что не может не беспокоить государство, которое стремится решить эту проблему…

08 04 2023 13:33:14

Краткая биография Юрий Мухин Деятели, Писатели

За время работы успел разработать несколько принципиально новых идей изобретений, написать статьи. Также Мухин создал новую теорию управления, названную делократией, а после основал одноименный фонд. В середине 1990-х годов стал члeном Фронта Национального спасения -2. Покинув свое место работы, в 1995 году поселился в Москве. Тогда же в биографии Юрия Мухина была основана газета «Дуэль»….

07 04 2023 16:25:22

Предпосылки образования Древнерусского государства – кратко причины, норманская теория

Она занимала прострaнcтво между Азией и Европой, и основной причиной объединения разных народов стало то, что им необходимо было бороться с внешними угрозами. ..

06 04 2023 13:51:13

Томас Харт Бентон (Thomas Hart Benton) краткая биография художника

Является внучатым племянником сенатора Томаса Харта Бентона, сыном конгрессмена мецената Е…

05 04 2023 12:37:22

Политическая идеология – правовые функции, хаpaктеристика и современные идеи в таблице

Понятие «политическая идеология» Национальная и государственная идеология -это своего рода социально-политический феномен. Осознание себя как нации выражается именно в ней. Под политической идеологией понимают систему идей, которые выражают интересы каких-либо субъектов политической деятельности или всего государства. В последнем случае это национальная идея, которую можно считать ядром национального самосознания народа….

04 04 2023 1:14:34

Образование наречий в английском языке – таблица

Благодаря им человек может выразить любую мысль, передать гамму эмоций, чувств, настроений. ..

03 04 2023 12:42:33

Что такое Родина – определение для детей (1 класс, окружающий мир)

Родину, как и родителей, невозможно выбрать – она дается раз и навсегда при рождении…

02 04 2023 5:19:23

Работа силы упругости – формула, измерение, определение

Что это слово означает в физике и как определить работу силы упругости? Ответы на эти вопросы вы узнаете в статье…

01 04 2023 17:56:58

Сила упругости – формула, от чего зависит и когда возникает

Как она возникает, от чего зависит, куда направлена? Прочитав статью, вы узнаете ответы на эти вопросы…

31 03 2023 21:16:45

Экономическая сфера общества – проблемы жизни и собственности, задачи

Существует четыре основных сферы: экономическая, социальная, духовная и политическая…

30 03 2023 3:44:12

Погода и климат (2 класс, окружающий мир)

Она, словно одеяло, надежно защищает Землю от солнечной радиации и космического холода и под этим воздушным колпаком различают такие состояния атмосферы как погода и климат.

..

29 03 2023 12:13:57

Природные зоны Германии – основные особенности

Отсутствие сильных температурных перепадов и достаточное количество влаги послужило толчком к развитию богатой растительности…

28 03 2023 21:46:30

Западный фронт Первой мировой войны – основные действия

Французы мечтали поквитаться и вернуть свои земли, что не могло не столкнуть две великие нации в новой схватке…

27 03 2023 5:50:19

Жизненный цикл голосеменных растений, их развитие

Цикл развития голосеменных растений, как и у споровых, включает непохожие друг на друга поколения – спорофит и гаметофит…

26 03 2023 11:31:27

Иоанн Павел I (John Paul I) краткая биография

В своей биографии Иоанн Павел I носил имя Альбино Лючано…

25 03 2023 23:57:21

Марко Поло – что открыл в географии, место путешествий в биографии (5 класс)

В конце 13 века он совершил немыслимый по масштабам своего времени поход на Восток, посетив Монголию, Японию, Персию, Китай, Индию.

..

24 03 2023 3:42:16

Органы выделения речного paка – что относится к выделительной системе

По своему строению и хаpaктерным признакам он относится к типу члeнистоногих…

23 03 2023 12:54:19

Экономика Великобритании – кратко о хозяйстве, экспорте и экономическом развитии

Статья указывает на наиболее значимые статьи экспорта, которые приносят значительную долю прибыли в бюджет страны…

22 03 2023 23:50:50

Страны Южной Европы – список со столицами

Рассказывает об экономических особенностях стран Южной Европы…

21 03 2023 4:40:16

Что мы знаем о народах России (окружающий мир)

Подобное разнообразие стало возможным благодаря большой площади, занимаемой государством…

20 03 2023 5:50:59

Природная зона чернозема, для какой зоны хаpaктерны черноземные почвы

Богатый органическим веществом – гумусом – он создает оптимальные условия для полноценного роста и развития всех видов растений. ..

19 03 2023 21:22:48

Леон Баттиста Альберти (Leone Battista Alberti) краткая биография архитектора

На фасаде дворца Руччелаи во Флоренции (1452 – 1470) Альберти расположил классические элементы архитектуры ярусами, слегка наложив ряды один на другой. Так архитектор придал зданию сходство с римским Колизеем….

18 03 2023 10:40:40

Животные Северной Америки – какие представители обитают, эндемики

Она уникальна тем, что лежит во всех климатических поясах кроме экваториального…

17 03 2023 5:25:30

Биография Батюшкова, творчество поэта Константина Николаевича

 В биографии Батюшкова есть место ярким событиям, способствующим раскрытию его поэтического дара, а также незабываемым встречам с выдающимися людьми…

16 03 2023 4:27:46

Майкл Джордан (Michael Jordan) краткая биография баскетболиста

Наиболее известен как защитник комaнды «Чикаго Буллз». ..

15 03 2023 12:16:50

Реконкиста в Испании – завершение на Пиренейском полуострове, даты событий (6 класс)

Это вызвало ответные действия христиан, проживающих на указанных землях…

14 03 2023 21:12:18

Бесполое размножение – способы, примеры и формы (биология, 10 класс)

Чтобы появилось новое поколение, достаточно одной особи…

13 03 2023 16:45:55

Краткая биография Державина Гавриила Романовича – жизнь и творчество поэта

Известный государственный деятель 18 века при дворе Екатерины II…

12 03 2023 10:11:21

Самая краткая биография Куприна

Через год после рождения в биографии Александра Куприна умер отец, бедствующая семья переехала в Москву…

11 03 2023 3:15:56

Природная зона Пустыня и полупустыня – план описания (4 класс), хаpaктеристика для сообщения

На самом деле ее населяют необычные представители животного и растительного мира, сумевшие приспособиться к непростым климатическим условиям. ..

10 03 2023 4:27:24

Мэджик Джонсон (Magic Johnson) краткая биография баскетболиста

В 1991 году Джонсон объявил, что его тест на наличие вируса имуннодефицита человека дал положительный результат, поэтому он оставляет профессиональный баскетбол. Позже он работал над повышением осведомленности людей о СПИДе….

09 03 2023 4:19:16

Природные зоны Индии – основные особенности

Лесная зона Лесная зона в Индии – это преимущественно тропические и горные леса. Тропический лес хаpaктеризуется высокой влажностью воздуха – это обеспечивает бурный рост растительности. Флора здесь представлены следующими породами:…

08 03 2023 17:44:17

Мэрилин Мэнсон (Marilyn Manson) краткая биография певца

В 1989 году им была создана рок-группа. Тогда же музыкант взял себе псевдоним, соединив два имени: Мэрилин (от актрисы Мэрилин Монро) и Мэнсон (от известного преступника Чарльза Миллз Мэнсона). Другие участники группы также выбрали псевдонимы: Дэйзи Берковиц, Оливия Ньютон-Банд, За За Спек. Изначально группа называлась «Marilyn Manson and The Spooky Kids». Первый их альбом вышел в 1994 году – «Portrait Of An American Family». Группа быстро обрела успех в Америке, во многом благодаря продуманной рекламе. Имидж группы был эпатажным. Вскоре Гиджет Гeйн и Мадонна Уэйн Гэси заменили в группе Ньютона-Банди и Заза Спека. Состав группы на 2009 год: Твигги, Крис Вренна, Джинджер Фиш, Энди Герольд и неизменный лидер – Мэрилин Мэнсон….

07 03 2023 9:11:48

Природная зона Сургута – основные особенности

Также его называют нефтяной столицей России, поскольку здесь находятся богатые залежи газа и нефти…

06 03 2023 6:52:23

Вкус – анализатор и его роль в организме (биология 8 класс)

Рецепторы воспринимают информацию о химическом составе пищи, которая обpaбатывается мозгом…

05 03 2023 1:18:27

Экономика Японии, экономическое развитие

Экономика Японии Экономика страны сегодня представляется как наиболее функциональная экономика в мире. …

04 03 2023 7:50:26

Нулевой артикль в английском языке – правила и примеры

Необходимо понять, в каких случая можно избежать употрeбления “a/an” и “the”…

03 03 2023 10:11:54

Руаль Амундсен – что открыл в путешествиях?

Он первым достиг Южного полюса, побывал на двух географических полюсах земли, которые притягивали его, словно магнитом, всю жизнь…

02 03 2023 9:37:21

Обитатели леса, как связаны между собой (3 класс)

Обитатели леса способны жить по соседству, не мешая друг другу…

01 03 2023 0:58:48

Окончание Холодной войны между Россией и США – кратко по датам

Смена политического мышления привела к развалу страны и крушению всей социалистической системы…

28 02 2023 5:10:20

Органы выделения речного paка – что относится к выделительной системе

По своему строению и хаpaктерным признакам он относится к типу члeнистоногих. ..

27 02 2023 5:50:31

Биография Андрея Большакова

Жена А.Большакова также занимается предпринимательской деятельностью – она соучредитель компании «Сэфети технолоджис». Вместе с супругой воспитывают двоих сыновей. …

26 02 2023 10:56:23

План описания природной зоны населенного пункта (7 класс), изучение расположения

В дальнейшем, ученики углубляют свои знания по теме и систематизируют их…

25 02 2023 4:31:37

Франсуа Фийон (Francois Fillon) краткая биография министра

Образование в биографии Фийона было получено в небольшом провинциальном университете Франции. Затем в Париже Франсуа получил степень доктора права, политических наук. Мечтая стать журналистом, три года стажировался. После этого полностью посвятил себя политической деятельности. В 1981 году стал депутатом нижней палаты….

24 02 2023 17:12:47

Автотрофное питание – типы и способ, в каких условиях возник

Организмы, способные самостоятельно синтезировать важные для жизнедеятельности вещества, пpaктикуют автотрофное питание и называются автотрофами. ..

23 02 2023 6:46:56

Пустыни Африки, тропические полупустыни в южной части

Дает представление о годовой норме осадков в этих малообитаемых областях…

22 02 2023 22:32:12

Джонни Депп (Johnny Depp) краткая биография актёра

Случайно познакомившись с Николасом Кейджем, Депп получил роль в фильме «Кошмар на улице Вязов». После распада своей музыкальной группы Депп снимается в фильме «Взвод», затем в «Джамп-Стрит, 21». Успешными оказались фильмы «Эдвард руки-ножницы», «Аризонская мечта». После романа с Кейт Мосс Джонни Депп женился на актрисе Ванессе Паради….

21 02 2023 11:10:30

Жак Луи Давид (Jacques-Louis David) краткая биография художника

Уничтожаемый жаждой безупречности, а также политическими идеями о французской революции, Давид в своих работах наложил жесткое ограничение на выражение чувств. Такое подавление в итоге вылилось в отличительное безразличие и рационализм. …

20 02 2023 1:25:15

Еще:
Знания -1 :: Знания -2 :: Знания -3 :: Знания -4 :: Знания -5 :: Знания -6 :: Знания -7 :: Знания -8 :: Знания -9 :: Знания -10 :: Знания -11 :: Знания -12 :: Знания -13 :: Знания -14 :: Знания -15 :: Знания -16 :: Знания -17 :: Знания -18 :: Знания -19 :: Знания -20 ::

Электромагнитная индукция в законе фарадея

 

 

Раскроем подробно и кратко основы электромагнитной индукции, магнитного потока.
Что такое индукционный ток, эдс индукции и изменения в замкнутом контуре при прохождении через него магнитного поля.

Содержание

1. Явление электромагнитной индукции
2. Магнитный поток
3. Закон электромагнитной индукции фарадея
4. Правило Ленца
5. Взаимодействие магнита с контуром
6. Вихревое электрическое поле
7. ЭДС индукции в движущемся проводнике
8. Вращающаяся катушка
9. Как рассчитать электродвижущую силу индукции через силу тока

Явление электромагнитной индукции

Ученый Эрстед из Дании в 1820 году выяснил, что электрический ток, или движущийся электрический заряд, создает магнитное поле в пространстве вокруг себя.
Под проводником он поместил магнитную стрелку, показывающую направление магнитного поля земли.
Для чистоты эксперимента Эрстед совместил направление стрелки и положение проводника.

При подачи напряжения на проводник, под воздействием магнитного поля стрелка повернулась относительно проводника перпендикулярно и следовательно поле появилось.

При отключении тока стрелка возвратилась в прежнее состояние.
Но возможен ли обратный процесс и как его называют?
Именно эта проблема заинтересовала известного британского физика Майкла Фарадея.
В 1831 году он поставил следующий эксперимент.
Две катушки наматываются на одном деревянном основании; витки второй катушки помещаются между витками первой катушки и изолируются.
Выводы первой катушки подключены к источнику тока, а выводы второй катушки подключены к амперметру.
Между контурами нет электрического контакта, и только магнитное поле первой катушки проникает во вторую катушку.

Когда цепь первой катушки была замкнута, амперметр зарегистрировал короткий слабый импульс тока во второй катушке.
Фарадей назвал обнаруженное явление электромагнитной индукцией (т.е. «индукцией электричества через магнетизм»).
Для подтверждения предположения о том, что индукционный ток генерируется переменным магнитным полем, Фарадей переместил катушки вдоль относительно друг друга.
Цепь первой катушки все время остается замкнутой, через нее течет постоянный ток, но при перемещении (ближе или дальше) вторая катушка подвергается воздействию переменного магнитного поля первой катушки.
Гальванометр снова зарегистрировал ток во второй катушке.
Индуцированный ток имеет одно направление, когда катушки находятся близко друг к другу, и другое, когда катушки удаляются.
Чем быстрее движется катушка, тем больше индукционный ток.
Первая катушка была заменена постоянным магнитом. Когда магнит подносится ко второй катушке, возникает индукционный ток, который препятствует полю магнита. Когда магнит убирается, ток снова появляется, но в другом направлении.
Опять же, чем сильнее индуцированный ток, тем быстрее движется магнит.
Эти и последующие эксперименты показали, что во всех случаях при изменении «числа линий» магнитного поля, пронизывающего контур, в проводящей цепи возникает индукционный ток.
Чем сильнее индуцированный ток, тем быстрее изменяется это число линий. При увеличении числа линий, проходящих через цепь, ток будет идти в одном направлении, а при уменьшении числа линий — в другом.
Стоит отметить, что в этой цепи для величины тока важна только скорость изменения числа линий. Неважно, что именно происходит в этом случае — меняется ли само поле, пронизывающее стационарный контур, или контур перемещается из области одной плотности линий в область другой плотности.

Магнитный поток

Чтобы понять, что такое магнитный поток достаточно представить параллельные направленные линии пронизывающие ограниченный по площади контур.

Обозначим магнитный поток буквой Ф, а площадь ограниченной поверхности S.
В результате получим формулу, указанную на рисунке.
Усложним задачу и представим, что магнитный поток двигается не перпендикулярно ограниченной поверхности S, а под углом α.

Тогда магнитный поток будет зависеть от угла α и максимальное его значение при 90 градусах и 0 при параллельном к поверхности магнитном потоке.

Φ=B·S·cos α

Ф — Вебер (Вб)
B — индукция магнитного поля Тесла (Тл)
S – квадратный метр (м2)
1 Вб= 1 Тл·1 квадратный метр

В вышеперечисленных случаях поле является однородным.
Если это не так, то делим поле поверхности на очень большое число очень маленьких областей и вычисляем его малый поток с помощью того же уравнения, а затем складываем все эти потоки.

Закон электромагнитной индукции фарадея

Фарадей в своих опытах доказал, что индукционный ток будет сильнее за счет быстрейшего изменения магнитного потока пронизывающего замкнутый контур цепи проводника.
Если изменение магнитного потока за небольшой промежуток времени t равно Ф, то скорость изменения потока — это дробь (или, что то же самое, производная Ф потока по времени).

В результате видим ЭДС индукции для одного витка контура равна:

Если требуется ЭДС индукции для N витков, то

* N

В вышеперечисленных формулах присутствует знак минус, показывающий направление индукционного тока.

Правило Ленца

Индукционный ток, генерируемый в цепи, создает собственное магнитное поле, которое добавляется к внешнему полю в соответствии с принципом
суперпозиции.
Два магнитных потока — индивидуальный поток и внешний поток — связаны между собой однозначным образом.
Российский физик Эмиль Ленц в 1833 году определил правило (определение):

Взаимодействие магнита с контуром

Рассмотрим влияние магнита на замкнутый контур.

Когда магнит подносится к катушке, в её цепи возникает ток. Когда магнит убирается, ток снова появляется, но в другом направлении. Опять же, чем сильнее индуцированный ток, тем быстрее движется магнит. Стоит отметить, что в этой цепи для величины тока важна только скорость изменения положения магнита. Если магнит находится в неподвижном состоянии, то ток не возникает и равен нулю.

Вихревое электрическое поле

Электрическое поле вихревого тока отличается по некоторым свойствам:

Линии поля вихревых токов замкнуты, в то время как линии электростатического и статического поля заканчиваются отрицательным зарядом, а начинаются с положительного заряда. Поле вихревого тока не имеет потенциала и заставляет свободные заряды двигаться по замкнутому контуру с ненулевой работой. В противном случае вихревое поле не могло бы создавать ток. Так же, как мы знаем, электростатические и статические поля имеют потенциал. Таким образом, индуцированное электромагнитное поле в стационарном контуре — это работа поля вихревого тока, перемещающего единицу положительного заряда в контуре.

 

ЭДС индукции в движущемся проводнике

Если взять проводник с длиной , который движется со скоростью под углом к вектору индукции В то ЭДС индукции будет за счет изменения поля

в которой сила Лоренца действует на перемещающийся заряд q, производя работу А на длину перемещения l

 

Из схемы видно, что ток I походя через проводник с очень малым сопротивлением r   и  лампочки с сопротивлением R

 

но, ЭДС индукции

поэтому

изменение произошло за счет площади

и формула имеет вид

Вращающаяся катушка

Поместим замкнутую прямоугольную рамку во вращающееся магнитное поле (Рисунок 1).

При вращении рамки её магнитное поле пронизывается линиями эдс магнитной индукции, и благодаря наличию этих линий они взаимодействуют, создавая измененное общее электромагнитное поле.
Направление электромагнитного поля определяется правилом правой руки и обозначено на схеме крестиком и точкой.
При этом важно учитывать относительное движение проводников рамки относительно поля.
Ток в том же направлении возникает под действием поля в рамке.
Однако на проводник с током в магнитном поле действует электромагнитная сила, ориентированная по правилу левой руки.
По отношению к оси рамки электромагнитная сила образует момент, под действием которого рамка вращается в направлении вращения поля.
Вращение рамки по частоте всегда меньше частоты вращения поля.
Поле рамки «скользит» относительно магнитного поля полюсов N и S.
Вследствие скольжения рамка генерирует электромагнитную энергию своего поля, токи и электромагнитные силы.
Скольжение дается в процентах и вычисляется по формуле указанной на схеме.
Невозможно вращать рамку с частотой магнитного поля, потому что в магнитном поле при одинаковой скорости по частоте ток не проходит через проводники рамки, не генерируется электромагнитное поле, и не происходит  возникновение электромагнитной силы.
На Рисунке 2 показан принцип работы двигателя переменного тока
Электродвигатель, работающий по такому принципу, называется асинхронным.
Если в магнитное поле вместо короткозамкнутой рамки поместить постоянный магнит или электромагнит с постоянным током в обмотке, то за счет взаимодействия магнитного поля с полем постоянного магнита возникает вращающий момент направленный в сторону вращающегося поля.
Постоянный магнит в постоянном магнитном поле стремится занять положение, при котором полярная ось магнита совпадает с направлением внешнего магнитного поля в направлении от южного полюса к северному.
Постоянный магнит «притягивается» к обратной стороне перемещающегося магнитного поля, т.е. он вращается в том же направлении и с той же частотой, что и магнитное поле.
Двигатели, основанные на этом принципе, известны как синхронные двигатели.

 

Как рассчитать электродвижущую силу индукции через силу тока

ЭДС самоиндукции зависит от изменения силы тока, при этом магнитный поток собственного поля проходящий через эту цепь пропорционален току в ней:

В данном уравнении физическая величина L оказывается индуктивностью проводника помноженную на изменение силы тока за промежуток времени t.

 

 

 

 

10.2: Электромагнитная индукция — технические библиотеки LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Идентификатор страницы

25022

• Джеймс М. Фиоре
• Муниципальный колледж Mohawk Valley

Возможно, наиболее важным наблюдением, касающимся магнитных систем, является закон электромагнитной индукции Фарадея. Вкратце, там указано:

\[\text{Если проводник перерезать изменяющимися магнитными силовыми линиями, в проводнике возникнет напряжение.} \label{10.1} \]

Точнее,

\[e = — \frac{d \Phi}{dt} \label{10.2} \]

Где

\(e\) — индуцированное напряжение,

\(d\Phi /dt\) скорость изменения магнитного потока во времени.

Следовательно, чем больше поток и чем быстрее он колеблется, тем больше индуцируемое напряжение. Здесь важно относительное изменение по отношению к проводнику и полю. Это может быть достигнуто двумя основными способами: магнитным полем, которое само колеблется вокруг неподвижного проводника, или проводником, движущимся через магнитное поле.

Концепция электромагнитной индукции является ключевым элементом различных преобразователей. Проще говоря,

\[\text{Преобразователь — это устройство, преобразующее энергию одного вида в другой.} \label{10.3} \]

Хотя многие люди не считают их таковыми, электродвигатели и генераторы являются прекрасными примерами преобразователей. Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую, а генератор делает прямо противоположное, преобразуя механическую энергию в электрическую. Чаще слово «преобразователь» ассоциируется с такими устройствами, как громкоговорители и микрофоны. Громкоговоритель преобразует свой электрический вход в волну акустического давления (звук), тогда как микрофон выполняет дополнительную функцию преобразования волны акустического давления в электрический сигнал. Хотя существуют разные способы создания этих устройств, наиболее распространенными конструкциями являются динамический громкоговоритель и динамический микрофон, оба из которых основаны на принципе электромагнитной индукции. Конструкции этих двух устройств поразительно похожи, в основном они различаются по размеру и оптимизации деталей. Давайте подробнее рассмотрим, как они работают.

Динамические громкоговорители и микрофоны

Независимо от выходных характеристик и частотного диапазона все динамические громкоговорители имеют общий набор элементов. Соответствующие элементы можно найти в динамических микрофонах. Действительно, устройства настолько похожи, что в некоторых приложениях маленькие громкоговорители могут выполнять двойную функцию и переключаться в режим работы микрофона. Вид в разрезе громкоговорителя, предназначенного для воспроизведения низких частот, показан на рис. 10.2.1. .

Рисунок 10.2.1 : вид динамика в разрезе. A. Рама B. Подвеска C. Провод D. Крестовина E. Магнит F. Диафрагма G. Формирователь звуковой катушки H. Звуковая катушка I. Пылезащитный колпачок Изображение предоставлено Audio Technology.

Сердцем системы является звуковая катушка (H), которая представляет собой катушку из плотно намотанной магнитной проволоки. Он находится внутри магнитного поля, которое создается мощным постоянным магнитом (E). Звуковая катушка соединена с диафрагмой (F), которая обычно изготавливается из бумаги или пластика. Этот узел соединен с рамой крестовиной (D) в верхней части звуковой катушки и подвесом на конце диафрагмы (B). Звуковая катушка и диафрагма могут перемещаться вперед и назад относительно корпуса, как поршень.

Рисунок 10.2.2 : Магнитное поле вокруг катушки. Изображение ©, предоставлено HyperPhysics

Чтобы понять принцип действия, вспомните, что прохождение тока через катушку с проводом создает магнитное поле вокруг катушки, как показано на рис. 10.2.2. . Это магнитное поле такое же, как и у обычного магнита. В этом случае северный полюс находится с левой стороны (т. е. силовые линии выходят). Следовательно, эта катушка будет взаимодействовать с постоянным магнитом так же, как и любой другой магнит. В случае громкоговорителя на звуковую катушку подается ток от усилителя, который отражает музыку или голосовой сигнал. Этот ток создает магнитное поле вокруг звуковой катушки, которое взаимодействует с полем постоянного магнита. При изменении направления тока полюса поля звуковой катушки меняются местами. Таким образом, иногда звуковая катушка выталкивается наружу, а иногда втягивается внутрь. Кроме того, чем больше ток, тем больше поле, которое он создает, и тем сильнее толчок или притяжение.

Это приводит к возвратно-поступательному движению диафрагмы, повторяющему форму волны, подаваемой с усилителя. Когда диафрагма давит на воздух, она создает волну давления, и мы получаем звук.

Динамический микрофон запускает последовательность в обратном порядке. Во-первых, диафрагма будет двигаться вперед и назад в соответствии с приложенной звуковой волной. Это заставляет звуковую катушку двигаться вперед и назад в поле постоянного магнита. Теперь у нас есть катушка с проводом, разрезаемая магнитными силовыми линиями, и по закону индукции Фарадея это означает, что в катушке будет индуцироваться напряжение. Пока диафрагма может реагировать на тонкие изменения волны акустического давления, результирующее индуцированное напряжение должно быть с высокой точностью. Ясно, что для того, чтобы сделать это с большой точностью, сборка диафрагмы/звуковой катушки/подвески должна быть очень легкой и гибкой, а это означает, что компоненты микрофона, как правило, будут намного меньше, чем компоненты громкоговорителя.

Звукосниматель для электрогитары

Комплект звукоснимателей для электрогитары показан на рис. 10.2.3. . Хотя может возникнуть соблазн подумать, что звукосниматели — это просто микрофоны, это не так. Если у вас есть какие-либо сомнения в этом утверждении, просто попробуйте прокричать в гитарный звукосниматель и послушайте, что получится ¹ . Однако работа гитарного звукоснимателя зависит от закона Фарадея.

Рисунок 10.2.3 : Звукосниматели на электрогитаре.

Как обсуждалось в предыдущей главе, посвященной индуктивности, звукосниматель электрогитары состоит из тысяч витков очень тонкой проволоки вокруг постоянного магнита. Звукосниматель находится сразу под струнами гитары. В этом положении металлические гитарные струны (как правило, из различных комбинаций стали, никеля и/или кобальта) находятся в поле, создаваемом магнитом. Когда защипывают струну, она вибрирует по сложной схеме, которая зависит от ноты, на которую она настроена, и присутствующих обертонов. Этот узор искажает магнитное поле, потому что струны обладают гораздо большей проницаемостью, чем окружающий их воздух. Теперь у нас есть изменяющееся магнитное поле, в середине которого находится большая катушка провода. Закон Фарадея гласит, что в этой катушке должно индуцироваться напряжение, которое будет следовать за движением струн. Затем это индуцированное напряжение подается на усилитель, желательно, настроенный на 11,9.0032

Проницательный наблюдатель может спросить: «Почему пикапов несколько?» Возможно, это удивительно, но не для того, чтобы получить больший и, следовательно, более громкий сигнал. Это связано с тембром или качеством тона звука. Когда гитарная струна вибрирует, ее движение можно рассматривать как содержащее бесчисленное множество движений основного тона и всех связанных с ним обертонов. По направлению к мосту, где прикреплены струны, элементы с самым низким тоном производят небольшое движение, и поэтому их сила в общем сигнале уменьшается. В результате датчик, расположенный ближе к подставке, звучит «тонко» или «резко», а датчик, расположенный выше, звучит «полно» или «густо».

Велокомпьютер

Наш третий и последний иллюстративный пример — велосипедный компьютер. Эти удобные маленькие устройства состоят из небольшой сенсорной системы на переднем колесе, которая соединена с дисплеем, установленным на руле. Как правило, эти устройства отображают текущую скорость, среднюю скорость, пройденное время, пройденное расстояние и другие интересующие атрибуты.

Рисунок 10.2.4 : Датчик велосипедного компьютера и магнит.

Чувствительный аппарат типичного велокомпьютера показан на рис. 10.2.4. . Это устройство состоит из двух частей: постоянного магнита, закрепленного на одной из спиц колеса, и защищенного от непогоды датчика, закрепленного на передней вилке. Принцип работы довольно прост: каждый раз, когда колесо вращается, магнит, прикрепленный к спице, качается датчиком. Движущееся магнитное поле создает в датчике кратковременный всплеск напряжения, пример которого показан на рис. 10.2.5. . Компьютер записывает эти всплески с течением времени. Зная длину окружности колеса, простое умножение дает суммарное пройденное расстояние. Учитывая внутреннюю схему синхронизации, время, записанное между импульсами, можно превратить в скорость. Учитывая эти данные, другие атрибуты, такие как средняя или максимальная скорость, легко получаются с помощью дальнейших вычислений.

Рисунок 10.2.5 : Сигнал датчика подается на велокомпьютер.

Использование осциллограммы, показанной на рис. 10.2.5. в качестве примера мы можем видеть, что время между импульсами составляет около 3,5 делений, причем каждое деление имеет длину 200 миллисекунд. Это дает один оборот каждые 0,7 секунды или примерно 5140 оборотов в час. Датчик был установлен на велосипеде с шинами 700 на 25 мм, что дает окружность около 2,1 метра. Таким образом, скорость будет 5140 оборотов в час при 2,1 метра на оборот, или около 10,8 км/ч (\(\приблизительно) 6,73 мили в час). ²

Ссылки

¹ Небольшой струнный резонанс, если повезет, и немного раздраженных товарищей по группе, если нет.

² На самом деле велосипед был установлен на стенде для технического обслуживания, поэтому его скорость фактически была равна нулю. Бегать рядом с велосипедом с осциллографом и щупами — непростая задача, особенно когда осциллографу требуется питание от сети переменного тока.

---

Эта страница под названием 10.2: Электромагнитная индукция распространяется под лицензией CC BY-NC-SA 4.0 и была создана, изменена и/или курирована Джеймсом М. Фиоре с помощью исходного контента, который был отредактирован в соответствии со стилем и стандартами LibreTexts. Платформа; подробная история редактирования доступна по запросу.

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или Страница

   Автор

   Джеймс М. Фиоре

   Лицензия

   CC BY-NC-SA

   Версия лицензии

   4,0

   Показать оглавление

   нет

2. Теги

   1. source@http://www.dissidents.com/resources/DCElectricalCircuitAnalysis.pdf

Как они управляют перекрестными помехами и электромагнитными помехами?

Ключевые выводы

• Закон Ленца и закон Фарадея сообщают нам две важные вещи о том, как изменяющееся магнитное поле взаимодействует с петлей проводника.

• Эти два фундаментальных физических закона объединяются, чтобы управлять тем, как магнитные поля генерируются проводниками, по которым течет постоянный или переменный ток.

• Закон Ленца устанавливает направление индуцированного тока, а закон Фарадея связывает величину индуцированной противоЭДС со скоростью изменения индуцирующего магнитного поля.

Магнитная индукция в трансформаторе регулируется законом Ленца и законом Фарадея.

Катушки индуктивности и трансформаторы не работали бы, если бы не существовали фундаментальные законы электромагнетизма. У нас было бы только электрическое поле и никаких магнитных эффектов, создаваемых движущимися токами. Двумя основными электромагнитными законами, описывающими взаимосвязь между индуцированными напряжениями и магнитным полем, являются закон Ленца и закон Фарадея. На уровне печатной платы эти два закона объединяются для создания индуктивной связи между различными цепями.

Поток и магнитный поток непосредственно влияют на электромагнетизм, и чтобы понять взаимосвязь с такими вопросами, как закон Фарадея и закон Ленца, вы будете рассматривать основные темы, такие как электромагнитная индукция или индуцированная ЭДС, потокосцепление, электрический ток и индуцированное электрическое поле, сила Лоренца и силовые линии магнитного поля. Независимо от того, имеет ли место однородное магнитное поле или переменный магнитный поток в вашей проволочной петле или электрическое поле в целом, вы должны быть уверены, что у вас есть хороший датчик плотности потока и напряженности магнитного поля.

Если термин «индуктивная связь» звучит расплывчато, просто помните, что мы говорим о перекрестных помехах, электромагнитных помехах, передаче шума и любых других способах, которыми магнитное поле может индуцировать шум в электрической цепи. Чтобы лучше увидеть и предсказать, когда сигнал в одной области печатной платы может вызвать шум в другой области печатной платы, полезно знать кое-что о разнице между законом Ленца и законом Фарадея. Вот чем они отличаются и где они приводят к перекрестным помехам в топологии печатной платы.

Закон Ленца против закона Фарадея

Эти два фундаментальных физических закона определяют, как магнитное поле взаимодействует с контуром проводника. Учтите, что у нас есть две петли проводника, обращенные друг к другу. По одной петле течет ток, который мы назовем индукционным током, а по другой петле ток не течет. По закону Ампера мы знаем, что ток в одном контуре создает магнитное поле. Как это магнитное поле взаимодействует с другой петлей? Чтобы получить ответ, нам нужно посмотреть на разницу между законом Ленца и законом Фарадея.

Закон Фарадея

Проще говоря, закон Фарадея гласит следующее:

Это говорит нам кое-что важное об условиях, необходимых для индукции: Магнитное поле, создаваемое током, должно изменяться во времени (будь то колебания, возрастание или падение) чтобы индуцировать ток во втором витке проводника. Обычно это видно в базовом эксперименте по перемещению магнитного поля к контуру проводника и от него, как показано на изображении ниже.

Напряжение и ток индуцируются в цепи только изменяющимся магнитным полем.

Поскольку изменяющееся магнитное поле индуцирует напряжение, оно также индуцирует ток. В каком направлении течет этот ток? Для этого нам понадобится закон Ленца.

Закон Ленца

 Понимание электрической энергии означает понимание направления тока и контура проводимости, а также любого изменяющегося потока, механической энергии или переменного магнитного поля в вашем изделии. Закон Ленца на самом деле является аналогом закона Фарадея в том смысле, что он говорит вам направление индуцированного тока, но не явно.

Это имеет важное следствие: направление индукционного тока противоположно направлению индукционного тока. Если индуцирующее и индуцируемое поля направлены в противоположные стороны, то и токи также должны быть направлены в противоположные стороны благодаря определению правила правой руки. Направление индуцированного магнитного поля показано на изображении ниже, где индуцированное магнитное поле, создаваемое индуцированным током, определяется по правилу правой руки.

Закон Ленца определяет направление индуцированного тока и напряжения в контуре проводника.

Вместе эти два закона говорят нам все, что нам нужно знать о поведении электромагнитного поля в печатной плате. Собрав их вместе, мы теперь можем лучше понять, как возникают перекрестные помехи, электромагнитные помехи и шумовая связь между различными областями печатной платы.

Как эти законы управляют индуктивными перекрестными помехами и электромагнитными помехами в печатной плате

Очевидно, что мы имеем дело с поведением индуктивного сигнала, а это означает, что нам необходимо рассмотреть два возможных эффекта, связанных с индукцией в печатной плате:

• Перекрестные помехи : Когда сигнал переключается, магнитное поле, создаваемое коммутационным током, индуцирует сигнал в дорожке объекта, который затем может распространяться по межсоединению и достигать приемника.

• Шумовая связь : Это в основном форма перекрестных помех, при которой колебательный сигнал индуцируется в проводнике; одной из распространенных форм является шумовая связь между переходными отверстиями.

Закон Ленца гласит, что когда возникают эти эффекты, индуцированный сигнал создает собственное магнитное поле, и направление индуцированного магнитного поля указывает в направлении, противоположном направлению индуцированного магнитного поля. Между тем, закон Фарадея гласит, что величина индуцированной обратной ЭДС тем больше, чем выше частота индуцирующего сигнала. Эти два закона вместе с законом Ома полностью описывают поведение индуктивных перекрестных помех.

Вышеупомянутые пункты относятся к индуцированным перекрестным помехам между трассами агрессивного источника и жертвы, а также к электромагнитным помехам, индуцированным в токовой петле на реальной печатной плате. Всякий раз, когда есть изменяющееся магнитное поле, падающее параллельно петле проводника, тогда будет индуцированный ток. Чтобы уменьшить величину обоих эффектов, у вас есть два варианта настройки геометрии трассы:

1. Используйте немного более широкие дорожки

2. Разместите трассы ближе к их базовой плоскости (т. е. используйте более тонкий ламинат для микрополосковых или полосковых трасс)

Правильный набор инструментов для трассировки и проектирования трасс поможет вам поддерживать желаемый импеданс, а также поможет вам отрегулировать размеры трассы, чтобы оставаться в пределах требуемых допусков. У вас также будут инструменты, необходимые для анализа перекрестных помех в готовой разводке печатной платы. Вы также должны быть уверены, что найдете правильную дифференциальную форму в своих уравнениях для решения любых задач, таких как взаимная индукция или аномальные состояния электромагнитной индукции, электролиз и ваша различная индуцированная электродвижущая сила. Определение электродвижущей силы, индуцированного напряжения и положения ваших цепей в вихревых токах — все это жизненно важно для целостности вашего продукта, от его медного провода до платы и самой упаковки.

Если вас беспокоит закон Ленца или закон Фарадея, лучшее программное обеспечение для компоновки и проектирования печатных плат, а также полный набор инструментов анализа помогут вам понять, как эти два эффекта влияют на электромагнитное поведение вашей печатной платы.