Электромагнитная индукция

Кратко и понятно, что такое электромагнитная индукция, магнитный поток, индукционный ток, эдс индукции и изменения в замкнутом контуре при прохождении через магнитное поле.

Электромагнитная индукция

В чем заключается

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 помещаются между витками первой и изолируются.
Выводы первой катушки подключены к источнику тока, а выводы второй подключены к амперметру.
Между контурами нет электрического контакта, и только магнитное поле первой проникает во вторую.

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»).

Кто открыл явление электромагнитной индукции

Еще изучение параллельно проводилось Джозефом Генри американским физиком в этом же году.
Поэтому на вопрос: «кто открыл явление электромагнитной индукции?»
Ответ такой, что открывший тот кто первый опубликовал открытие. А это Майкл Фарадей.

Изучение явления ЭМИ

Для подтверждения предположения о том, что индукционный ток генерируется переменным магнитным полем, Фарадей переместил катушки вдоль относительно друг друга.
Цепь первой все время остается замкнутой, через нее течет постоянный ток, но при перемещении (ближе или дальше) вторая катушка подвергается воздействию переменного магнитного поля первой.
Гальванометр снова зарегистрировал ток во второй катушке.
Индуцированный ток имеет одно направление, когда катушки приближаются 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 магнитного поля «числа линий», пронизывающего контур, в проводящей цепи возникает индукционный ток.
Чем сильнее индуцированный ток, тем быстрее изменяется это число линий. При увеличении числа линий магнитной индукции, проходящих через цепь, ток будет идти в одном направлении, а при уменьшении числа линий — в другом.
Стоит отметить условия, что в этой цепи для величины тока важна только скорость изменения числа линий. Неважно, от чего и 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. Такое явление возникновения или процесс объясняется явлением электромагнитной индукции.

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 закона Фарадея, указанную на рисунке.
Усложним задачу и представим, что вектор магнитной индукции двигается не перпендикулярно ограниченной поверхности S, а под углом α.

Тогда магнитный поток будет зависеть от угла α и вектора магнитной индукции ,

максимальное его значение при 90 градусах и 0 при параллельном к поверхности.

Основной закон Фарадея:

Φ=B·S·cos α

Ф — магнитный поток измеряется в Вебер (Вб)
B — индукция магнитного поля Тесла (Тл)
S – квадратный метр (м2) площадь
формула выражает, что 1 Вб = 1 Тл·1 квадратный метр

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

Закон электромагнитной индукции фарадея

Фарадей в своих опытах доказал закон ЭМИ, 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  — это дробь (или, что то же самое, производная Ф 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 в соответствии с принципом
суперпозиции.
Два магнитных потока — индивидуальный и внешний — 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 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 вихревого тока, перемещающего единицу положительного заряда в контуре. В замкнутом проводящем контуре возникает ток в зависимости от скорости изменения магнитного потока.

ЭДС 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 и влияние магнитного поля

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

При вращении её магнитное поле пронизывается линиями эдс магнитной индукции, и благодаря наличию этих линий они взаимодействуют, создавая измененное общее электромагнитное поле.
Направление определяется правилом правой руки и обозначено на схеме крестиком и точкой.
При этом важно учитывать относительное движение проводников.
Ток в том же направлении возникает под действием поля.
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 она вращается в направлении вращения поля.
Вращение рамки по частоте всегда меньше частоты вращения поля.
Оно  «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 при одинаковой скорости по частоте ток не проходит через проводники рамки, не генерируется электромагнитное поле, и не происходит  возникновение электромагнитной силы.

Электрические двигатели

Асинхронный

На Рисунке 2 показан принцип работы двигателя переменного тока
Электродвигатель, работающий по такому принципу, называется асинхронным.

Синхронный

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.
Двигатели, основанные на этом принципе, известны как синхронные двигатели.

Существует еще важное применение использования закона в электротехнике и электрических преобразователях энергии.

Примеры:

• при противоположном действии, когда производится механическое вращения ротора электродвигателя, при соблюдении определенных условий, он превращается в генератор.
• трансформатор состоит из двух контуров на одном сердечнике.
• отклонение стрелки ампера

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.