Электромагнитная индукция, что это кратко значит в физике и кто открыл

Электромагнитная индукция

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.

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.

направление стрелки и положение проводника

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

стрелка повернулась относительно проводника перпендикулярно

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.

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.

параллельные направленные линии пронизывающие 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.

параллельные линии пронизывающие контур 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 треугольникt равно треугольникФ, то скорость изменения потока — это дробь дробь(или, что то же самое, производная Ф потока по времени).

В результате видим ЭДС индукции для одного витка контура равна:

эдс формула

Если требуется ЭДС индукции для N витков, то

эдс формула * 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):

Правило Ленца

Взаимодействие магнита с контуром

Правило ленца и направление

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 прописная l, который движется со скоростью обозначение скорости в физике под углом буква альфа к вектору индукции В то ЭДС индукции будет за счет изменения поля

формула ЭДС под углом

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

ЭДС индукции в движущемся проводнике

 

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

сила тока в проводнике и лампочке

 

но, ЭДС индукции

эдс формула

поэтому

совмещение

изменение произошло за счет площади

изменение площади

и формула имеет вид

за счет закона ома

Вращающаяся катушка

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

Скольжение рамки относительно магнитного поля
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:

рассчитать электродвижущую силу индукции через силу тока 

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

 

 

 

 

Оцените статью
Сайт об основах электротехники для электриков и домашних мастеров
Добавить комментарий

Adblock
detector