Импульс индуцированного напряжения и закон индукции Фарадея c использованием универсального интерфейса

10 Протокол

10 Протокол

Университет

средний адрес

Учителя/Профессора , Студенты

Принцип

Постоянный магнит проходит через катушку с разной скоростью. Изменение магнитного потока генерирует импульс индуцированного напряжения. Показано, что общее индуцированное напряжение в течение всего падения постоянно и поэтому не зависит от скорости. В зависимости от полярности магнита индуцированное напряжение меняется с плюса на минус или наоборот.

Преимущества

• Интуитивно понятное, оптимизированное для сенсорного управления программное обеспечение, которое управляет всеми устройствами одновременно
• Упрощенная реализация: все предварительные настройки уже подготовлены
• Быстрые и легкие эксперименты
• Катушка с несколькими отводами для быстрой смены номеров обмоток
• Изучение влияния различных скоростей падения с помощью измерений с высокой частотой/разрешением

Задание

1. Наблюдение импульса индуцированного напряжения во время падения магнита через катушку
2. Наблюдение индуцированного напряжения при инвертированной поляризации магнита
3. Оценка влияния количества витков на индуцированное напряжение
4. Оценка влияния высоты падения на индуцированное напряжение

Цели обучения

• Индуцированный импульс
• Закон индукции Фарадея
• Уравнения Максвелла
• Магнитный поток
• Плотность магнитного потока
• Линии магнитного поля

В комплект входит программное обеспечение, не зависящее от операционной системы. Компьютер не предоставляется.

Наименование

Кат.номер

Количество

Световой барьер, компактный

Кат.номер 11207-20

2

Штативный стержень, нерж. ст., 18/8, l=1300 мм, д = 12 мм | :

Кат.номер 02032-00

1

Прямоугольный зажим

Кат.номер 02054-00

4

Треножник

Кат.номер 02002-55

1

Универсальный зажим

Кат.номер 37715-01

1

Стеклянная трубка, d=10 мм, l=300 мм

Кат.номер MAU-16074510

1

Держатель катушки

Кат.номер 06528-00

1

Катушка, 3600 витков

Кат.номер 06516-01

1

Магнит, d=8 мм, l=60 мм

Кат.номер 06317-00

1

Цифровая лаборатория Cobra4 Xpert-Link

Кат.номер 12625-99

1

Цифровая лаборатория Cobra4 Xpert-Link, набор кабелей

Кат.номер 12625-10

1

Название

Имя файла

Размер файла

Тип файла

(de) Versuchsbeschreibung

p2441264d . pdf

Размер файла 1.77 Mb

(en) Experiment guide

p2441264e .pdf

Размер файла 1.77 Mb

Бесплатная доставка от 300,- €

Введение в физику (А. И. Китайгородский)

Введение в физику (А. И. Китайгородский)

Введение в физику. А. И. Китайгородский. Изд-во «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, 1973. Книга представляет собой учебное пособие по физике для студентов высших технических учебных заведений и состоит из трех частей: 1) механическое и тепловое движение, 2) электромагнитное поле, 3) строение и свойства вещества. Таким образом, оптика и электродинамика излагаются с единой точки зрения, а все проблемы строения атомов, молекул и твердых тел даются последовательно на основе знаний, полученных в первых двух частях книги. Пособие отличается также относительно небольшим объемом, оригинальностью и современностью изложения. Второе издание переработано в связи с необходимостью отразить в книге развитие физики за последние годы. Оглавление ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ ЧАСТЬ I. МЕХАНИЧЕСКОЕ И ТЕПЛОВОЕ ДВИЖЕНИЕ Уравнения движения материальной точки. Средняя скорость. Истинная скорость. Векторное ускорение. § 2. Силы Гравитационные силы. Электромагнитные силы. Ядерные силы. Силы «слабого» взаимодействия. Поле сил. § 3. Основной закон механики Законы Ньютона. Относительность движения. Законы механики в неинерциальной системе координат. § 4. Приложение основного закона механики к ускоренному прямолинейному движению Горизонтальное движение под действием постоянной силы. Вертикально движущийся лифт. Тяга свободно подвешенного груза. § 5. Приложение основного закона механики к движению по окружности § 6. Влияние вращения Земли на механические явления Влияние вращения Земли на ее форму. Вес тела. Влияние вращения Земли на движение тел по земной поверхности. § 7. Какие данные необходимы для решения механической задачи? § 8. Коэффициенты пропорциональности в формулах физики и размерности физических величин ГЛАВА 2. МЕХАНИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ § 9. Работа § 10. Кинетическая энергия § 11. Потенциальная энергия § 12. Закон сохранения механической энергии § 13. Потенциальные кривые. Равновесие ГЛАВА 3. ИМПУЛЬС § 14. Сохранение импульса § 15. Центр инерции § 16. Соударения § 17. Явления отдачи ГЛАВА 4. ВРАЩЕНИЕ ТВЕРДОГО ТЕЛА § 18. Кинетическая энергия вращения § 19. Момент инерции § 20. Работа вращения и основное уравнение вращения § 21. Момент импульса § 22. Свободные оси вращения § 23. Гироскопы ГЛАВА 5. КОЛЕБАНИЯ § 24. Малые отклонения от равновесия § 25. Частные случаи колебаний § 26. Превращения энергии. Затухающие колебания § 27. Вынужденные колебания § 28. Автоколебания § 29. Сложение колебаний одного направления § 30. Спектр колебания § 31. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний ГЛАВА 6. БЕГУЩИЕ ВОЛНЫ § 32. Распространение деформации § 33. Возникновение волнового движения § 34. Волны давления и скорости колебания § 35. Поток энергии § 36. Затухание упругих волн § 37. Интерференция волн § 38. Принцип Гюйгенса — Френеля. Отражение и преломление волн § 39. Коэффициент отражения § 40. Явление Доплера ГЛАВА 7. СТОЯЧИЕ ВОЛНЫ § 41. Наложение двух волн, бегущих в противоположные стороны § 42. Собственные колебания стержней § 43. Собственные колебания двумерных и трехмерных систем § 44. Вынужденные колебания стержней и пластинок § 45. Колебания пьезоэлектриков ГЛАВА 8. ВОПРОСЫ АКУСТИКИ § 46. Объективная и субъективная характеристики звука § 47. Сила и громкость звука § 48. Архитектурная акустика § 49. Атмосферная акустика § 50. Действие ультразвука ГЛАВА 9. ТЕМПЕРАТУРА И ТЕПЛОТА § 51. Тепловое равновесие § 52. Внутренняя энергия § 53. Первое начало термодинамики § 54. Энергия микроскопических систем § 55. Уравнение состояния § 56. Уравнение газового состояния § 57. Уравнения состояния реальных газов ГЛАВА 10. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ § 58. Графическое изображение процессов § 59. Работа. Циклы § 60. Процессы изменения состояния газов Изобарический процесс. Изотермический процесс. Адиабатический процесс. Измерение теплоемкостей газов. § 61. Процесс Джоуля — Томсона ГЛАВА 11. ЭНТРОПИЯ § 62. Принцип существования энтропии § 63. Принцип возрастания энтропии § 64. Принцип действия тепловой машины § 65. Цикл Карно. Максимальный к. п. д. § 66. Второе начало термодинамики ГЛАВА 12. КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ГАЗОВ § 68. Длина свободного пробега § 69. Давление газа. Средняя квадратичная скорость молекул § 70. Внутренняя энергия газа § 71. Статистическое распределение § 72. Закон Больцмана § 73. Распределение частиц по высоте в поле тяжести § 74. Распределение молекул по скоростям § 75. Измерение скоростей молекул газа § 76. Вероятность состояния § 77. Необратимые процессы с молекулярной точки зрения § 78. Флуктуации. Границы применения второго начала ГЛАВА 13. ПРОЦЕССЫ ПЕРЕХОДА К РАВНОВЕСИЮ § 79. Диффузия § 80. Теплопроводность и вязкость § 81. Быстрота выравнивания § 82. Стационарные процессы § 83. Движение в вязкой среде § 84. Коэффициенты диффузии, вязкости и теплопроводности для газов § 85. Ультраразреженные газы ЧАСТЬ II. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ § 86. Векторные характеристики электрического поля: напряженность и смещение § 87. Диэлектрическая проницаемость § 88. Законы электрического поля § 89. Вычисление полей простейших систем Система точечных зарядов. Универсальные формулы потенциала. Поле сферического конденсатора. Поле равномерно заряженной сферы. Поле с цилиндрической симметрией. Однородные поля. Поле на поверхности металла. Электрическое изображение. § 90. Электрическая энергия Энергия конденсатора. Энергия поля Энергия взаимодействия. § 91. Радиус электрона и границы классической электродинамики § 92. Электрические силы § 93. Дипольный момент системы зарядов § 94. Поляризация изотропного диэлектрика § 95. Поляризация кристаллических веществ § 96. Ограниченные диэлектрические тела в электрическом поле ГЛАВА 15. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ § 97. Магнитный момент § 98. Сила Ампера § 99. Сила, действующая на движущийся заряд § 100. Магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами § 101. Напряженность магнитного поля § 102. Взаимодействия токов и магнитов § 103. Эквивалентность токов и магнитов § 104. Вихревой характер магнитного поля § 105. Закон электромагнитной индукции и сила Лоренца § 106. Измерения магнитного поля методом индукционного толчка § 107. Ограниченные тела в магнитном поле § 108. Связь между магнитной проницаемостью и восприимчивостью § 109. Искажение магнитного поля при внесении в него магнетика § 110. Магнитный гистерезис ГЛАВА 16. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ. УРАВНЕНИЯ МАКСВЕЛЛА § 111. Обобщение закона электромагнитной индукции § 112. Ток смещения § 113. Картина электромагнитного поля ГЛАВА 17. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ § 114. Превращения в цепи постоянного тока § 115. Превращения в замкнутой цепи переменного тока § 116. Магнитная энергия поля § 117. Электрические колебания § 118. Электромагнитная энергия § 119. Импульс и давление электромагнитного поля ГЛАВА 18. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ § 120. Элементарный диполь § 121. Антенна как электрический диполь § 122. Излучение диполя § 123. Электромагнитный спектр § 124. Квантовая природа излучения ГЛАВА 19. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН § 126. Поведение электромагнитной волны на границе двух сред § 127. Естественный и поляризованный свет. Поляризация при отражении § 128. Распространение световых волн в среде с градиентом показателя преломления § 129. Распространение радиоволн § 130. Радиолокация ГЛАВА 20. ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ § 131. Сложение волн от двух источников § 132. Когерентность § 133. Интерференция в пластинке § 134. Полосы равной толщины и полосы равного наклона § 135. Практические применения интерференции ГЛАВА 21. РАССЕЯНИЕ § 136. Вторичное излучение § 137. Дифракция волн на отверстиях § 138. Система беспорядочно расположенных рассеивателей § 139. Поведение сплошной однородной среды § 140. Рассеяние в неоднородной среде § 141. Дифракционная решетка § 142. Направленные излучатели радиоволн § 142а. Голография ГЛАВА 22. ДИФРАКЦИЯ РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ НА КРИСТАЛЛЕ § 143. Кристалл как дифракционная решетка § 144. Определение параметров элементарной ячейки кристалла § 145. Интенсивность дифракционных лучей § 146. Методы рентгеновского анализа ГЛАВА 23. ДВОЙНОЕ ЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЕ § 147. Анизотропия поляризуемости § 148. Раснространение света в одноосных кристаллах § 149. Поляризаторы. Исследование поляризационного состояния света § 150. Кристаллическая пластинка между «скрещенными» николями § 151. Двойное лучепреломление, вызванное внешним воздействием § 152. Оптическая активность § 153. Принципы теории оптической активности ГЛАВА 24. ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ § 155. Опытные подтверждения принципа постоянства скорости света § 156. Время в теории относительности § 157. Масса § 158. Энергия § 159. Дефект массы § 160. Принцип эквивалентности и понятие об общей теории относительности ГЛАВА 25. КВАНТОВАЯ ПРИРОДА ПОЛЯ § 161. Фотон § 162. Фотоэлектрический эффект § 163. Флуктуации светового потока § 164. Закон Кирхгофа § 165. Абсолютно черное тело § 166. Теория теплового излучения § 166а. Стимулированное излучение § 166б, Люминесценция ЧАСТЬ III. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА § 167. Движение заряженной частицы в электрическом и магнитном полях § 168. Получение пучков заряженных частиц § 169. Электронные линзы § 170. Электронный микроскоп § 171. Электронные и ионные проекторы § 172. Электронно-лучевая трубка § 173. Масс-спектрограф § 174. Ускорители заряженных частиц § 175. Автофазировка § 176. Синхрофазотрон. Синхротрон § 177. Ионизованный газ § 178. Электрический разряд в газе § 178а. Плазма Вещество в состоянии плазмы. Плазма в магнитном поле. Проблемы устойчивости. ГЛАВА 27. ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА МИКРОЧАСТИЦ § 179. Дифракция электронов § 180. Основные идеи квантовой механики § 181. Принцип неопределенности § 182. Потенциальный ящик § 183. Что дает решение уравнения Шредингера § 184. Туннельный переход ГЛАВА 28. СТРОЕНИЕ АТОМА § 185. Энергетические уровни атома водорода § 186. Квантовые числа § 187. Электронное облако для s- и p-состояний § 188. Принцип Паули § 189. Отклонение атомного пучка в магнитном поле § 190. Спин электрона § 191. Магнитные моменты атомов § 192. Периодический закон Менделеева § 193. Ионизационные потенциалы § 194. Спектры атомов в оптической области § 195. Атомные рентгеновские спектры ГЛАВА 29. МОЛЕКУЛА § 196. Химическая связь § 197. Геометрия молекул § 198. Электронная оболочка молекулы § 199. Энергетические уровни молекул § 200. Вращательный спектр молекул § 201. Инфракрасный колебательно-вращательный спектр Колебания многоатомной молекулы. § 202. Комбинационное рассеяние света § 203. Электронный спектр поглощения § 204. Магнитный резонанс § 205. Квадрупольный резонанс § 206. Газовые лазеры ГЛАВА 30. АТОМНОЕ ЯДРО § 207. Экспериментальные методы ядерной физики § 208. Частицы, входящие в состав ядра § 209. Масса и энергия атомного ядра § 210. Спин и магнитный момент ядра § 211. Силы взаимодействия нуклонов § 212. Нуклоны в ядре § 213. Спектры атомных ядер § 214. Нейтрино бета-распада § 215. Общие закономерности химических и ядерных превращений § 216. Радиоактивность § 217. Ядерные реакции § 217а. Реакции деления тяжелых ядер § 217б. Цепная реакция § 217в. Принципы действия ядерного реактора § 217г. Искусственные радиоактивные продукты § 218. Термоядерные реакции ГЛАВА 31. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ § 219. Термин «элементарная» частица § 220. Взаимодействие быстродвижущихся электронов § 221. Мезонная теория взаимодействия нуклонов § 222. Мезоны § 223. Релятивистская теория электрона § 224. Рождение и аннигиляция пар частиц § 225. Частицы и античастицы § 226. Асимметрия элементарных частиц § 226а. Барионный спектр § 2266. Кварки ГЛАВА 32. АТОМНОЕ СТРОЕНИЕ ТЕЛ § 227. Поликристаллическое вещество и монокристаллы § 228. Пространственная решетка § 229. Выбор ячейки. Симметрия кристалла § 230. Упаковка частиц в кристалле § 231. Молекулярный кристалл § 232. Плотные упаковки шаров § 233. Примеры кристаллических структур § 234. Тепловые колебания в кристалле § 235. Тепловые волны § 236. Тепловое расширение § 237. Дефекты кристалла § 238. Ближний порядок. Жидкости § 239. Аморфные тела § 240. Дальний и ближний порядок расположения атомов в сплавах § 241. Жидкие кристаллы § 242. Полимерные вещества § 242а. Биологические макромолекулы ГЛАВА 33. ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ § 244. Фазовые превращения § 244а. Диаграмма состояния и свойства гелия § 245. Условия устойчивого состояния фазы § 246. Метастабильные состояния § 247. Превращения газ жидкость § 248. Сжижение газов § 249. Превращения газ кристалл § 250. Превращения жидкость кристалл § 251. Превращения кристалл-кристалл § 252. Диффузия в твердых телах ГЛАВА 34. ДЕФОРМАЦИЯ ТЕЛ § 254. Пластические свойства § 255. Предел прочности § 256. Механические свойства поликристаллического материала § 257. Влияние поверхностно-активных веществ на деформацию § 258. Разрушение материалов под действием потока частиц ГЛАВА 35. ДИЭЛЕКТРИКИ § 259. Связь между диэлектрической проницаемостью и поляризуемостью молекулы § 260. Поляризация полярных и неполярных молекул § 261. Аддитивность молекулярной рефракции § 262. Пиро- и пьезоэлектрики § 262а. Сегнетоэлектрики ГЛАВА 36. МАГНЕТИКИ § 263. Три класса магнетиков § 264. Диамагнетизм § 265. Парамагнетизм § 266. Ферромагнетизм ГЛАВА 37. ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ТЕЛ § 267. Свободные электроны § 268. Энергетические уровни в твердом теле § 269. Электронный газ § 270. Проводимость § 271. Сверхпроводимость § 272. Полупроводники § 273. Эмиссия электронов § 274. Фотоэлектрический эффект § 275. Запирающие слои § 276. Контактная разность потенциалов § 276a. Электролюминесценция полупроводников § 277. Распределение зарядов в неравномерно нагретом теле § 278. Термоэлектродвижущая сила § 279. Выделение тепла в электрических цепях § 280. Применения термоэлектрического эффекта

Закон индукции Фарадея

• Закон индукции Фарадея показывает, как возникает электродвижущая сила (ЭДС) при взаимодействии магнитного поля с электрическим током. Явление, посредством которого создается электродвижущая сила (ЭДС), называется электромагнитной индукцией. Это основной принцип работы многих электродвигателей, катушек индуктивности, генераторов, трансформаторов и соленоидов.

• Электромагнитная индукция наблюдалась отдельно Майклом Фарадеем в 1831 году и Джозефом Генри в 1832 году. Однако Майкл Фарадей был первым, кто опубликовал результаты своих экспериментов, и, следовательно, законы индукции названы в его честь.

• Майкл Фарадей постулировал два электромагнитных закона индукции . Первый закон объясняет, как индуцируется ЭДС в проводнике, когда он находится в переменном магнитном поле, а второй определяет величину ЭДС, возникающую в проводнике.

• В то время как Кристиан Эрстед открыл, что магнитные поля создаются электрическим током до Фарадея, Джеймс Кларк Максвелл использовал 9 Фарадея.0004 законы индукции в его уравнениях описывают взаимосвязь между электричеством и магнетизмом, сливая их в единую электромагнитную силу.

Электромагнитная индукция

• Фарадей обнаружил, что всякий раз, когда магнитный поток, проходящий через цепь, изменяется, в цепи возникает электродвижущая сила.

• Ток течет по цепи, если она замкнута. Генерируемые ЭДС и ток называются ЭДС индукции и индуцированного тока соответственно и действуют только при изменении магнитного потока. Это называется электромагнитной индукцией.

• Магнитное поле в цепи можно изменить следующими способами:

1. Путем перемещения магнита относительно цепи
2. Путем изменения тока в соседней цепи
3. Путем изменения тока в цепи
4. Когда катушка вращается в магнитном поле

Электродвижущая сила

Электродвижущая сила – это разность потенциалов, создаваемая в цепи батареей или изменением магнитного поля. Он представлен ε и измеряется в вольтах.

Что такое закон Фарадея?

Фарадей вывел два закона индукции , чтобы объяснить, как возникает электродвижущая сила (ЭДС) при взаимодействии магнитного поля с электрическим током.

Первый закон индукции Фарадея

• Первый закон индукции Фарадея гласит, что любое изменение магнитного потока в цепи приводит к индукции электродвижущей силы в цепи.
• Эта электродвижущая сила известна как ЭДС индукции, и если она замкнута, по цепи будет протекать индукционный ток.
• Если ΔΦ представляет собой магнитный поток в интервале времени Δt, то ЭДС, индуцируемая в цепи, определяется выражением: ε=-ΔΦ Δt
• ‘ и dt в секундах, то ЭДС индукции ε будет в вольтах.
  Второй закон индукции Фарадея
  • Второй электромагнитный закон индукции Фарадея предполагает, что сила ЭДС индукции в катушке эквивалентна скорости изменения магнитного потока.
  • Генерируемая ЭДС зависит от количества витков в катушке и магнитного потока, связанного с катушкой. ЭДС индуцируется для каждого витка катушки, а ЭДС каждого витка суммируется.
  • Следовательно, для катушки из N витков и магнитного потока dΦ в интервале времени dt ЭДС будет: Закон индукции Ленца означает, что направление ЭДС индукции или тока в любой цепи таково, что оно стремится противодействовать изменению магнитного потока, вызвавшему его.
  • Это причина отрицательного знака в уравнении. Знак минус указывает на то, что направление магнитного поля и направление ЭДС индукции противоположны друг другу. Это важно для сохранения структуры закона Фарадея.
  Как выводится закон Фарадея?

  Рассмотрим эксперимент по закону Фарадея, в котором магнит приближается к катушке.

  С учетом магнитных потокосцеплений на двух временных интервалах, T1 и T2:

  • Магнитосцепление в катушке в момент времени T1

  T1 = NΦ1

  • Магнитосцепление в катушке в момент времени T2

  T2 =NΦ2

  2 Изменение магнитной связи

Н(Ф2–Ф1)

• Это изменение магнитной потокосцепления можно представить в виде0057
  • Скорость изменения магнитного потокосцепления равна NΦ/t
  • Дифференцируя вышеприведенное уравнение, получаем

  NdΦdt

  • к скорости изменения магнитного потока. Следовательно,

  ε=NdΦdt

  • Учитывая закон Ленца,

  ε= -NdΦdt

  Где,

  0056 B = напряженность магнитного поля

  A = площадь катушки в магнитном поле

  Факторы, влияющие на электродвижущую силу
  • Количество витков в катушке число витков (Н) и скорость изменения магнитного потока, величина создаваемой ЭДС прямо пропорциональна числу витков в катушке.
    • Сила магнитного поля

    Магнитный поток внутри катушки увеличивается с увеличением напряженности магнитного поля. С увеличением магнитного потока будет возрастать и ЭДС индукции.

    • Площадь катушки в магнитном поле

    ЭДС индукции изменяется пропорционально площади катушки в магнитном поле. Если площадь катушки в магнитном поле увеличивается, ЭДС индукции также увеличивается.

    Вывод
    • Открытия Фарадея и законы индукции оказали значительное влияние на наше понимание электромагнитной индукции. С помощью двух своих законов индукции он объясняет, что магнитное поле внутри катушки в цепи создает наведенную электродвижущую силу и наведенный ток. Он также утверждает, что величина этой ЭДС индукции равна скорости изменения магнитного потока и числу витков катушки.
    • Закон Ленца определяет направление ЭДС индукции или тока. Он таков, что противостоит изменению магнитного потока, который его произвел.
    • Мы также видим, что ЭДС индукции является фактором числа витков в катушке, магнитной силы и площади катушки в магнитном поле.

    Закон Ленца – Колледж физики главы 1-17

    23 Электромагнитная индукция, цепи переменного тока и электрические технологии

    Закон индукции Фарадея: закон Ленца

    • Расчет ЭДС, силы тока и магнитного поля по закону Фарадея.
    • Объясните физические результаты закона Ленца

    Опыты Фарадея показали, что ЭДС , индуцируемая изменением магнитного потока, зависит лишь от нескольких факторов. Во-первых, ЭДС прямо пропорциональна изменению потока ΔΦΔΦ величиной 12{ΔΦ}{}. Во-вторых, ЭДС максимальна, когда изменение во времени ΔtΔt size 12{Δt} {} наименьшее, то есть ЭДС обратно пропорциональна ΔtΔt size 12{Δt} {}. Наконец, если катушка имеет NN витков, будет создаваться ЭДС величиной NN в 12{N} {} раз больше, чем для одиночной катушки, так что ЭДС прямо пропорциональна размеру NN 12{N} {}. Уравнение для ЭДС, вызванной изменением магнитного потока:

    ЭДС=-NΔΦΔt. ЭДС=-NΔΦΔt. размер 12{«ЭДС»= – N {{ΔΦ} над {Δt} } } {}

    Это соотношение известно как закон индукции Фарадея. Единицами ЭДС, как обычно, являются вольты.

    Знак минус в законе индукции Фарадея очень важен. Минус означает, что ЭДС создает ток I и магнитное поле B, которые противодействуют изменению потока ΔΦΔΦ величиной 12{ΔΦ} {} — это известно как закон Ленца . Направление (заданное знаком минус) ЭДС настолько важно, что его называют законом Ленца по имени русского Генриха Ленца (1804–1865), который, подобно Фарадею и Генри, , независимо исследовал аспекты индукции. Фарадей знал об этом направлении, но Ленц сформулировал его так ясно, что ему приписывают его открытие. (См. [ссылка].)

    (а) Когда этот стержневой магнит вталкивается в катушку, напряженность магнитного поля в катушке увеличивается. Ток, наведенный в катушке, создает другое поле в направлении, противоположном направлению стержневого магнита, чтобы противостоять увеличению. Это один из аспектов Закон Ленца — индукция препятствует любому изменению потока . (b) и (c) — две другие ситуации. Убедитесь сами, что указанное направление индуцированного BcoilBcoil size 12{B rSub { size 8{«coil»} } } {} действительно противостоит изменению потока и что показанное направление тока соответствует RHR-2.
    

    Стратегия решения задач по закону Ленца

    Чтобы использовать закон Ленца для определения направлений индуцированных магнитных полей, токов и ЭДС:

    1. Сделайте набросок ситуации для использования при визуализации и записи направлений.
    2. Определить направление магнитного поля В.
    3. Определите, увеличивается или уменьшается поток.
    4. Теперь определите направление индуцированного магнитного поля B. Оно противодействует изменению потока путем добавления или вычитания исходного поля.
    5. Используйте RHR-2 для определения направления индуцированного тока I, который отвечает за индуцированное магнитное поле B.
    6. Направление (или полярность) ЭДС индукции теперь будет управлять током в этом направлении и может быть представлено как ток, выходящий из положительной клеммы ЭДС и возвращающийся к ее отрицательной клемме.

    Для практики примените эти шаги к ситуациям, показанным в [ссылка], и к другим, которые являются частью следующего текстового материала.

    Закон индукции Фарадея имеет множество применений, которые мы рассмотрим в этой и других главах. На этом этапе давайте упомянем несколько, которые связаны с хранением данных и магнитными полями. Очень важное применение связано с аудио- и видеозаписями на лентах . Пластиковая лента, покрытая оксидом железа, проходит мимо записывающей головки. Эта записывающая головка представляет собой круглое железное кольцо, на которое намотана проволочная катушка — электромагнит ([ссылка]). Сигнал в виде переменного входного тока от микрофона или камеры поступает на записывающую головку. Эти сигналы (которые зависят от амплитуды и частоты сигнала) создают переменные магнитные поля на записывающей головке. Когда лента движется мимо записывающей головки, ориентация магнитного поля молекул оксида железа на ленте изменяется, что приводит к записи сигнала. В режиме воспроизведения намагниченная лента проходит мимо другой головки, аналогичной по устройству записывающей головке. Различная ориентация магнитного поля молекул оксида железа на ленте индуцирует ЭДС в катушке провода в головке воспроизведения. Затем этот сигнал отправляется на громкоговоритель или видеоплеер.

    Головки записи и воспроизведения, используемые с аудио- и видеомагнитофонами. (кредит: Steve Jurvetson)
    

    Аналогичные принципы применимы и к жестким дискам компьютеров, только с гораздо большей скоростью. Здесь записи на вращающемся диске с покрытием. Считывающие головки исторически заставляли работать по принципу индукции. Однако входная информация передается в цифровой, а не в аналоговой форме — на вращающемся жестком диске записывается последовательность нулей или единиц. Сегодня большинство устройств считывания с жестких дисков не работают по принципу индукции, а используют метод, известный как гигантское магнитосопротивление . (Открытие того, что слабые изменения магнитного поля в тонкой пленке железа и хрома могут вызвать гораздо большие изменения электрического сопротивления, было одним из первых крупных успехов нанотехнологии.) Еще одно применение индукции можно найти в магнитной полосе на магнитной полосе. оборотная сторона вашей личной кредитной карты, используемой в продуктовом магазине или банкомате. Это работает по тому же принципу, что и упомянутая в последнем абзаце аудио- или видеокассета, в которой голова считывает личную информацию с вашей карты.

    Еще одним применением электромагнитной индукции является передача электрических сигналов через барьер. Рассмотрим кохлеарный имплант , показанный ниже. Звук улавливается микрофоном снаружи черепа и используется для создания переменного магнитного поля. Ток индуцируется в приемнике, закрепленном в кости под кожей, и передается на электроды во внутреннем ухе. Электромагнитная индукция может использоваться и в других случаях, когда электрические сигналы необходимо передавать через различные среды.

    Электромагнитная индукция используется для передачи электрических токов через среды. Устройство на голове ребенка индуцирует электрический ток в приемнике, закрепленном в кости под кожей. (кредит: Бьорн Кнетч)
    

    Еще одна современная область исследований, в которой электромагнитная индукция успешно применяется (и имеет значительный потенциал), — это транскраниальное магнитное моделирование. Множество расстройств, включая депрессию и галлюцинации, можно отнести к нерегулярной локальной электрической активности в головном мозге. В транскраниальная магнитная стимуляция , быстро меняющееся и очень локализованное магнитное поле помещается рядом с определенными участками мозга, идентифицированными. В выявленных местах индуцируются слабые электрические токи, что может привести к восстановлению электрических функций в тканях головного мозга.

    Апноэ во сне («остановка дыхания») поражает как взрослых, так и младенцев (особенно недоношенных детей и может быть причиной внезапной детской смерти [SID]). У таких людей дыхание может неоднократно останавливаться во время сна. Прекращение более чем на 20 секунд может быть очень опасным. Инсульт, сердечная недостаточность и усталость — вот лишь некоторые из возможных последствий для человека, страдающего апноэ во сне. Беспокойство у младенцев вызывает остановка дыхания на эти более длительные периоды времени. Один из типов мониторов для оповещения родителей о том, что ребенок не дышит, использует электромагнитную индукцию. Через провод, обернутый вокруг грудной клетки младенца, проходит переменный ток. Расширение и сжатие грудной клетки младенца, когда он дышит, изменяет площадь, проходящую через спираль. В расположенной рядом съемной катушке индуцируется переменный ток, обусловленный изменяющимся магнитным полем исходного провода. Если ребенок перестанет дышать, индуцированный ток изменится, и родитель может быть предупрежден.

    Установление связей: сохранение энергии

    Закон Ленца является проявлением сохранения энергии. ЭДС индукции создает ток, противодействующий изменению потока, потому что изменение потока означает изменение энергии. Энергия может войти или уйти, но не мгновенно. Закон Ленца является следствием. Когда изменение начинается, закон говорит, что индукция противодействует и, таким образом, замедляет изменение. На самом деле, если бы ЭДС индукции была направлена ​​в том же направлении, что и изменение потока, существовала бы положительная обратная связь, которая давала бы нам свободную энергию без видимого источника — закон сохранения энергии был бы нарушен.

    Расчет ЭДС: насколько велика ЭДС индукции?

    Рассчитайте величину ЭДС индукции, когда магнит в [link](a) вталкивается в катушку, учитывая следующую информацию: катушка с одним контуром имеет радиус 6,00 см и среднее значение BcosθBcosθ размера 12{B ”cos”θ} {} (это дано, поскольку поле стержневого магнита комплексное) увеличивается с 0,0500 Тл до 0,250 Тл за 0,100 с.

    Стратегия

    Найти величину ЭДС, мы используем закон индукции Фарадея, сформулированный как ЭДС=-NΔΦΔtemf=-NΔΦΔt, но без знака минус, указывающего направление:

    ЭДС=NΔΦΔt.ЭДС=NΔΦΔt.

    Решение

    Нам дано, что N=1N=1 размер 12{N=1} {} и Δt=0,100 с Δt=0,100 с, но мы должны определить изменение потока ΔΦΔΦ размера 12{ΔΦ} {} прежде чем мы сможем найти ЭДС. Поскольку площадь петли фиксирована, мы видим, что

    ΔΦ=Δ(BAcosθ)=AΔ(Bcosθ).ΔΦ=Δ(BAcosθ)=AΔ(Bcosθ). размер 12{ΔΦ=Δ (BA”cos”θ) =AΔ (B”cos”θ) } {}

    Теперь Δ(Bcosθ)=0,200 TΔ(Bcosθ)=0,200 Размер T 12{Δ ( B”cos”θ ) =0 “.” «200»`T} {}, так как было задано, что BcosθBcosθ размер 12{B”cos”θ} {} изменяется от 0,0500 до 0,250 Тл. Площадь петли A=πr2=(3,14…)(0,060 м )2=1,13×10−2м2A=πr2=(3,14…)(0,060 м)2=1,13×10−2м2 размер 12{A=πr rSup { размер 8{2} } = ( 3 «.» «14» » .” “.” “.” ) ( 0 “.” “060”`m ) rSup { размер 8{2} } =1 “.” «13» умножить на «10» rSup {размер 8{ – 2} } `m rSup {размер 8{2} } } {}. Таким образом,

    ΔΦ=(1,13×10–2 м2)(0,200 Тл).ΔΦ=(1,13×10–2 м2)(0,200 Тл). размер 12{ΔΦ= (1 «.» «13» умножить на «10» rSup { размер 8{ — 2} } «m» rSup {размер 8{2} } ) (0 «.» «200» «T») } {}

    Ввод полученных значений в выражение для ЭДС дает Т) 0,100 с = 22,6 мВ. размер 12{E=N {{ΔΦ} над {Δt} } = { { ( 1 «.» «13» умножить на «10» rSup {размер 8{- 2} } «m» rSup {размер 8{2} } ) ( 0 “.” “200”” T” ) } более {0 “.” «100» «s»} } = «22» «.» 6″ мВ”} {}

    Обсуждение

    Хотя это напряжение легко измерить, оно явно недостаточно велико для большинства практических приложений. Больше петель в катушке, более сильный магнит и более быстрое движение делают индукцию практическим источником напряжения, которым она и является.

    PhET Explorations: Электромагнитная лаборатория Фарадея

    Поиграйте со стержневым магнитом и катушками, чтобы узнать о законе Фарадея. Переместите стержневой магнит рядом с одной или двумя катушками, чтобы лампочка загорелась. Посмотрите на линии магнитного поля. Счетчик показывает направление и величину тока. Просмотрите линии магнитного поля или используйте измеритель, чтобы показать направление и величину тока. Вы также можете играть с электромагнитами, генераторами и трансформаторами!

    Электромагнитная лаборатория Фарадея

     

    • Закон индукции Фарадея гласит, что ЭДС , индуцированная изменением магнитного потока, равна
      изменяется на ΔΦΔΦ размер 12{ΔΦ} {} за время ΔtΔt размер 12{Δt} {}.
      
    • Если в катушке индуцируется ЭДС, NN — число ее витков.
    • Знак минус означает, что ЭДС создает ток II величиной 12{I} {} и магнитное поле ВВ величиной 12{B} {}, которые противодействуют изменению потока ΔΦΔΦ размер 12{ΔΦ} {} — это противопоставление известно как закон Ленца.

    Человек, работающий с большими магнитами, иногда помещает голову в сильное поле. Она сообщает, что чувствует головокружение, когда быстро поворачивает голову. Как это может быть связано с индукцией?

    Ускоритель частиц посылает высокоскоростные заряженные частицы по вакуумированной трубе. Объясните, каким образом моток проволоки, намотанный на трубу, может обнаруживать прохождение отдельных частиц. Нарисуйте график выходного напряжения катушки при прохождении через нее отдельной частицы.

    Ссылаясь на [ссылка](а), каково направление тока, индуцируемого в катушке 2: (а) Если ток в катушке 1 увеличивается? б) Если ток в катушке 1 уменьшится? в) Если ток в катушке 1 постоянен? Подробно покажите, как вы выполняете шаги, описанные в стратегии решения проблем для закона Ленца.

    (а) Катушки лежат в одной плоскости. (b) Провод находится в плоскости катушки
    

    (a) Против часовой стрелки

    (b) По часовой стрелке

    (c) Индуцированный ток отсутствует

    Ссылаясь на [ссылка](b), каково направление тока, индуцируемого в катушке: (a) Если ток в проводе увеличивается? б) Если сила тока в проводе уменьшится? в) Если ток в проводе вдруг меняет направление? Подробно покажите, как вы выполняете шаги, описанные в стратегии решения проблем для закона Ленца.

    Ссылаясь на [ссылка], каковы направления токов в катушках 1, 2 и 3 (предположим, что катушки лежат в плоскости цепи): (а) Когда выключатель впервые замкнут? (b) Когда переключатель был замкнут в течение длительного времени? в) Сразу после размыкания переключателя?

    
    

    (a) 1 по часовой стрелке, 2 по часовой стрелке, 3 по часовой стрелке

    (b) 1, 2 и 3 без индукции тока

    (c) 1 по часовой стрелке, 2 по часовой стрелке, 3 против часовой стрелки

    Повторите предыдущую проблему с перевернутой батареей.

    Убедитесь, что единицами измерения ΔΦΔΦ размера 12{ΔΦ} {}/ ΔtΔt размера 12{Δt} {} являются вольты. То есть покажите, что 1T⋅м2/с=1 V1T⋅м2/с=1 V size 12{1`T cdot m rSup { size 8{2} } /s=1`V} {}.

    Предположим, что катушка с 50 витками лежит в плоскости страницы в однородном магнитном поле, направленном внутрь страницы. Катушка изначально имеет площадь
    0,250м20,250м2.
    Растягивается до полного отсутствия площади за 0,100 с. Каковы направление и величина ЭДС индукции, если однородное магнитное поле имеет напряженность 1,50 Тл?

    (a) Специалист МРТ перемещает руку из области с очень низкой напряженностью магнитного поля в поле 2,00 Тл томографа, при этом его пальцы указывают в направлении поля. Найти среднюю ЭДС, индуцируемую в его обручальном кольце, если его диаметр равен 2,20 см, а время перемещения кольца в поле равно 0,250 с. (b) Обсудите, может ли этот ток значительно изменить температуру кольца.

    (a) 3,04 мВ

    (b) В качестве нижнего предела для кольца оцените R = 1,00 мОм. Передаваемое тепло составит 2,31 мДж. Это не значительное количество тепла.

    Интегрированные концепции

    Ссылаясь на ситуацию в предыдущей задаче: (a) Какой ток индуцируется в кольце, если его сопротивление равно 0,0100 Ом размера 12{ %OMEGA } {}? б) Какая средняя мощность рассеивается? в) Какое магнитное поле индуцируется в центре кольца? (d) Каково направление индуцированного магнитного поля относительно поля МРТ?

    ЭДС возникает при вращении 1000-витковой катушки диаметром 20,0 см в земном шаре размером 5,00×10−5T5,00×10−5T размером 12{5″. «00» умножить на «10» rSup {размер 8{ – 5} } `T} {} магнитное поле. Какая средняя ЭДС индуцируется, если плоскость катушки изначально перпендикулярна полю Земли и поворачивается так, чтобы стать параллельной полю за 10,0 мс?

    0,157 В

    Катушка радиусом 0,250 м, состоящая из 500 витков, поворачивается на четверть оборота за 4,17 мс, при этом первоначально ее плоскость была перпендикулярна однородному магнитному полю. (Это 60 об/с.) Найдите силу магнитного поля, необходимую для индукции средней ЭДС 10 000 В.

    Integrated Concepts

    Как приблизительно зависит ЭДС, индуцируемая в контуре в [ссылка](b), от расстояния центра контура от провода?

    пропорционально 1 r1 r размер 12{ { {1} over { ital ”r”} } } {}

    Интегрированные концепции

    (a) Молния создает быстро меняющееся магнитное поле. Если болт ударяется о землю вертикально и действует как ток в длинном прямом проводе, он индуцирует напряжение в петле, выровненной, как в [ссылка] (б).