Электромагнитная индукция
Если поместить в магнитное поле проводник и перемещать его так, чтобы он при своем движении пересекал силовые линии поля, то в проводнике возникнет электродвижущая сила , называемая ЭДС индукции .
ЭДС индукции возникнет в проводнике и в том случае, если сам проводник останется неподвижным, а перемещаться будет магнитное поле, пересекая проводник своими силовыми линиями.
Если проводник, в котором наводится ЭДС индукции, замкнуть на какую-либо внешнюю цепь, то под действием этой ЭДС по цепи потечет электричсекий ток, называемый индукционным током.
Явление индуктирования ЭДС в проводнике при пересечении его силовыми линиями магнитного поля называется электромагнитной индукцией .
Электромагнитная индукция — это обратный процесс, т. е. превращение механической энергии в электрическую.
Явление электромагнитной индукции нашло широчайшее применение в электротехнике. На использовании его основано устройство различных электрических машин.
Величина и направление ЭДС индукции
Рассмотрим теперь, каковы будут величина и направление индуктированной в проводнике ЭДС.
Величина ЭДС индукции зависит от количества силовых линий поля, пересекающих проводник в единицу времени, т. е. от скорости движения проводника в поле.
Величина индуктированной ЭДС находится в прямой зависимости от скорости движения проводника в магнитном поле.
Величина индуктированной ЭДС зависит также и от длины той части проводника, которая пересекается силовыми линиями поля.
Чем большая часть проводника пересекается силовыми линиями поля, тем большая ЭДС индуктируется в проводнике. И, наконец, чем сильнее магнитное поле, т. е. чем больше его индукция, тем большая ЭДС возникает в проводнике, пересекающем это поле.
Итак, величина ЭДС индукции, возникающей в проводнике при его движении в магнитном поле, прямо пропорциональна индукции магнитного поля, длине проводника и скорости его перемещения.
Зависимость эта выражается формулой Е = Blv,
где Е — ЭДС индукции; В — магнитная индукция; I — длина проводника; v — скорость движения проводника.
Следует твердо помнить, что в проводнике, перемещающемся в магнитном поле, ЭДС индукции возникает только в том случае, если этот проводник пересекается магнитными силовыми линиями поля.
Если же проводник перемещается вдоль силовых линий поля, т. е. не пересекает, а как бы скользит по ним, то никакой ЭДС в нем не индуктируется. Поэтому приведенная выше формула справедлива только в том случае, когда проводник перемещается перпендикулярно магнитным силовым линиям поля.
Направление индуктированной ЭДС (а также и тока в проводнике) зависит от того, в какую сторону движется проводник. Для определения направления индуктированной ЭДС существует правило правой руки.
Если держать ладонь правой руки так, чтобы в нее входили магнитные силовые линии поля, а отогнутый большой палец указывал бы направление движения проводника, то вытянутые четыре пальца укажут направление действия индуктированной ЭДС и направление тока в проводнике.
Правило правой руки
ЭДС индукции в катушке
Мы уже говорили, что для создания в проводнике ЭДС индукции необходимо перемещать в магнитном поле или сам проводник, или магнитное поле. В том и другом случае проводник должен пересекаться магнитными силовыми линиями поля, иначе ЭДС индуктироваться не будет. Индуктированную ЭДС, а следовательно, и индукционный ток можно получить не только в прямолинейном проводнике, но и в проводнике, свитом в катушку.
При движении внутри катушки постоянного магнита в ней индуктируется ЭДС за счет того, что магнитный поток магнита пересекает витки катушки, т. е. точно так же, как это было при движении прямолинейного проводника в поле магнита.
Если магнит опускать в катушку медленно, то возникающая в ней ЭДС будет настолько мала, что стрелка прибора может даже не отклониться. Если же, наоборот, магнит быстро ввести в катушку, то отклонение стрелки будет большим.
Значит, величина индуктируемой ЭДС, а следовательно, и сила тока в катушке зависят от скорости движения магнита, т. е. от того, насколько быстро силовые линии поля пересекают витки катушки.
Если теперь поочередно вводить в катушку с одинаковой скоростью сначала сильный магнит, а затем слабый, то можно заметить, что при сильном магните стрелка прибора будет отклоняться на больший угол.
Значит, величина индуктируемой ЭДС, а следовательно, и сила тока в катушке зависят от величины магнитного потока магнита.
И, наконец, если вводить с одинаковой скоростью один и тот же магнит сначала в катушку с большим числом витков, а затем со значительно меньшим, то в первом случае стрелка прибора отклонится на больший угол, чем во втором.
Значит, величина индуктируемой ЭДС, а следовательно, и сила тока в катушке зависят от числа ее витков. Те же результаты можно получить, если вместо постоянного магнита применять электромагнит.
Направление ЭДС индукции в катушке зависит от направления перемещения магнита. О том, как определять направление ЭДС индукции, говорит закон, установленный Э. X. Ленцем.
Закон Ленца для электромагнитной индукции
Всякое изменение магнитного потока внутри катушки сопровождается возникновением в ней ЭДС индукции, причем чем быстрее изменяется магнитный поток, пронизывающий катушку, тем большая ЭДС в ней индуктируется.
Если катушка, в которой создана ЭДС индукции, замкнута на внешнюю цепь, то по виткам ее идет индукционный ток, создающий вокруг проводника магнитное поле, в силу чего катушка превращается в соленоид.
Получается таким образом, что изменяющееся внешнее магнитное поле вызывает в катушке индукционный ток, которой, в свою очередь, создает вокруг катушки свое магнитное поле — поле тока.
Изучая это явление, Э. X. Ленц установил закон, определяющий направление индукционного тока в катушке, а следовательно, и направление ЭДС индукции. ЭДС индукции, возникающая в катушке при изменении в ней магнитного потока, создает в катушке ток такого направления, при котором магнитный поток катушки, созданный этим током, препятствует изменению постороннего магнитного потока.
Закон Ленца справедлив для всех случаев индуктирования тока в проводниках, независимо от формы проводников и от того, каким способом достигается изменение внешнего магнитного поля.
При движении постоянного магнита относительно проволочной катушки, присоединенной к клеммам гальванометра, или при движении катушки относительно магнита возникает индукционный ток.
Индукционные токи в массивных проводниках
Изменяющийся магнитный поток способен индуктировать ЭДС не только в витках катушки, но и в массивных металлических проводниках.
Пронизывая толщу массивного проводника, магнитный поток индуктирует в нем ЭДС, создающую индукционные токи. Эти так называемые вихревые токи распространяются по массивному проводнику и накоротко замыкаются в нем.
Сердечники трансформаторов, магнитопроводы различных электрических машин и аппаратов представляют собой как раз те массивные проводники, которые нагреваются возникающими в них индукционными токами.
Явление это нежелательно, поэтому для уменьшения величины индукционных токов части электрических машин и сердечники трансформаторов делают не массивными, а состоящими из тонких листов, изолированных один от другого бумагой или слоем изоляционного лака. Благодаря этому преграждается путь распространения вихревых токов по массе проводника.
Но иногда на практике вихревые токи используются и как токи полезные. На использовании этих токов основана, например, работа индукционных нагревательных печей, счетчиков электрической энергии и так называемых магнитных успокоителей подвижных частей электроизмерительных приборов.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Что такое индукционный ток
Когда проводник пронизывает переменный магнитный поток, в нем возникает электродвижущая сила, способствующая образованию индукционного тока. Сегодня данное явление довольно глубоко проникло не только в сложные отрасли науки и техники, но и в самые обыденные области жизни. Поэтому есть смысл разобраться, какой ток называют индукционным.
Хронология исследований МП
Краткая история открытия
Индукционный электрический ток как логическое следствие феномена электромагнитной индукции был обнаружен и впервые описан знаменитым Майклом Фарадеем, британским ученым, совершившим прорыв в физике электричества.
Упорно исследуя условия возникновения электричества под действием магнитов, Фарадей сумел заметить и объяснить возникающее в катушке электрическое движение при изменении магнитного потока в ней. Он понял, когда меняется магнитное поле, проходящее сквозь проводник, в нем наводится электрический ток, который называется индукционным током.
Открытие Фарадея
Индукционный ток возникает, если сквозь неподвижный контур проходит изменяющийся магнитный поток или же, когда в постоянном магнитном поле происходит перемещение самого контура. В любом случае в качестве причины возникновения индуцированного или индукционного тока выступает вихревое электрополе, которое появляется под влиянием магнитного поля.
Поняв, почему возникает индукционный ток, Фарадей оставил без ответа, куда он направляется. Эту загадку чуть погодя разрешил российский физик Эмилий Ленц, также проводивший опыты с катушками и магнитами.
Всем известно, что электричество порождает магнитное поле. Когда на проводник влияет такое поле и зарождается электроток, магнетизм этого электротока противодействует магнетизму, вызвавшему индукцию. Силовые линии обоих полей направлены по встречным направлениям и взаимно пытаются погасить друг друга. Так родилось правило Ленца. Его смысл заключается в том, что все токи, поля, силы, появившиеся в процессе электромагнитной индукции, стремятся компенсировать влияние процесса, который таковую вызвал.
Правило Ленца
Физический смысл явления
Чтобы понять, что представляет собой индуктивное электричество, необходимо вспомнить основные закономерности электродинамики, в частности закон электромагнитной индукции Фарадея, формула которого выражает взаимосвязь между магнитными и электрическими явлениями.
На основании представленной выше формулы можно сделать вывод, что значение ЭДС индукции, следовательно, и индукционного тока зависит от скорости изменения проходящего сквозь контур магнитного потока или же скорости движения контура в неизменном магнитном поле. Поэтому, чем быстрее меняется МП или движется проводник, тем больше будет величина возникшего индукционного тока.
Способы изменения МП
Закон Фарадея позволяет найти величину индукционного тока. Ведь ЭДС индукции с некоторым уровнем упрощения можно рассматривать как напряжение индукционного тока, минимум потому, что она играет ту же роль в зависимости для силы индукционного тока, идентичной закону Ома для участка цепи, где I — сила тока, а R — сопротивление проводника:
Формула для определения величины тока
Если запитанный проводник (катушка, стержень и т. п) движется сквозь постоянное магнитное поле, то ЭДС индукции создаётся за счёт силы Лоренца:
Определение через силу Лоренца
При движении в магнитном поле к проводнику необходимо прилагать механическую силу, чтобы преодолеть тормозящий эффект силы Лоренца. Чем больше сила будет приложена, тем больше будет электродвижущая сила.
Чтобы определить, куда направлен индукционный ток, нужно применить способ, названный правилом правой руки. Ее располагают так, чтобы линии МП входили в ладонь, а большой палец был сонаправлен с движением проводника. Тогда по остальным вытянутым пальцам определяется ориентация тока.
Правило для определения направления ИТ
Применение в быту
Индуцированный или как ещё можно назвать, индукционный ток, способен оказывать электрическое, тепловое и механическое действие, поэтому он используется в самых разнообразных сферах человеческой деятельности. Например, он является целевым продуктом электрогенераторов различного рода, а обратный процесс, связанный с компенсирующим движением магнита даёт человечеству сонм электродвигателей. Возникновение такого тока является гарантией работы разнообразных реле, датчиков, трансформаторов.
Применение ИТ
Электромагнетизм играет важную роль при использовании устройств связи. Вихревые токи, зарождающиеся в тяжеловесных проводящих объектах под влиянием переменных магнитных полей, при надлежащей мощности магнита способны раскалить их до такой степени, что на этом процессе основано действие промышленных индукционных печей. Передача энергии полями таким образом служит основой для устройств РЭБ и беспроводных зарядных устройств.
Электромагнитная индукция. Закон Фарадея. Правило Ленца
Магнитный поток $Ф$, пронизывающий контур, равен произведению модуля вектора индукции магнитного поля $В↖$ на площадь $S$, ограниченную этим контуром, и на косинус угла а между нормалью к плоскости контура $n↖$ и вектором $B↖$.
Произведение $Bcosα=B_n$ является проекцией вектора магнитной индукции на нормаль к плоскости контура, поэтому
Магнитный поток пропорционален числу линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность контура, и характеризует распределение магнитного поля на поверхности, ограниченной замкнутым контуром.
Единицей магнитного потока в СИ является вебер (Вб). Магнитный поток в $1$ Вб создается однородным магнитным полем с индукцией $1$ Тл через поверхность площадью $1$ м 2 , расположенную перпендикулярно вектору магнитной индукции.
Закон электромагнитной индукции Фарадея
М. Фарадеем было установлено, что сила индукционного тока пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:
Возникновение тока в замкнутом контуре означает наличие сторонних сил, работа которых по перемещению единичного заряда в контуре называется электродвижущей силой (ЭДС). Это означает, что при изменении потока через поверхность, ограниченную замкнутым контуром, в контуре возникает ЭДС $ε_1$ которую называют ЭДС индукции. Согласно закону Ома для замкнутой цепи, $I_i=/$.
Следовательно, ЭДС индукции пропорциональна $/$, поскольку сопротивление $R$ не зависит от изменения магнитного потока.
Закон электромагнитной индукции формулируется так:
ЭДС индукции $ε_1$ в замкнутом контуре равна по модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:
Применение правила Ленца к замкнутому контуру с положительной нормалью приводит к выражению:
Формула $ε_1=-/$ выражает основной закон электромагнитной индукции.
На рис. внешнее магнитное поле индукции $В$ возрастает со временем и направлено вдоль положительной нормали к контуру с током.
Индуцированный ток противоположен выбранному направлению обхода в соответствии с индуцированным магнитным полем $В’$.
Описанные выше опыты свидетельствуют о том, что электромагнитная индукция — это возникновение электрического поля и электрического тока при изменении во времени магнитного поля или при движении проводника в магнитном поле. Эти два типа эффектов электромагнитной индукции отличаются физической природой процессов, отвечающих за их возникновение. Первый тип обусловлен наведением вихревого электрического поля переменным магнитным полем, второй — действием сил Лоренца на движущиеся заряды в стационарном магнитном поле. В обоих случаях выполняется основной закон индукции, выраженный формулой $ε_1=-/$.
Вихревое электрическое поле
В первом типе электромагнитной индукции ЭДС возникает в неподвижном замкнутом проводнике при любом изменении магнитного поля.
С другой стороны, известно, что возникновение электродвижущей силы в любой цепи связано со сторонними силами, действующими на заряды в этой цепи. Под сторонними силами имеются в виду силы неэлектростатического характера. Какова же природа этих сил в данном случае?
Результаты различных экспериментов по электромагнитной индукции показали, что ЭДС индукции не зависит ни от материала проводника (металл, электролит и т. д.), ни от его состояния (например, величины и распределения температуры). Отсюда следует вывод, что сторонние силы связаны с самим магнитным полем.
Анализ явления электромагнитной индукции привел Дж. Максвелла к заключению, что причиной появления ЭДС индукции является электрическое поле, отличающееся от электростатического поля следующими особенностями.
1. Возникновение поля никак не связано с наличием проводников; оно существует в пространстве, окружающем переменное магнитное поле, независимо от наличия в нем проводников; проводники являются лишь индикаторами поля (если проводник замкнут, по нему течет ток).
2. Это поле не является электростатическим, поскольку силовые линии электростатического поля всегда разомкнуты, они начинаются и заканчиваются на зарядах, и напряжение по замкнутому контуру в электростатическом поле равно нулю; электростатическое поле не может поддерживать движение зарядов в замкнутом контуре, т. е. привести к возникновению ЭДС.
3. В противоположность последнему индуцированное переменным магнитным полем электрическое поле является вихревым (как и магнитное поле); оно имеет замкнутые силовые линии, приводит к возникновению ЭДС индукции, приводящей в движение заряды по замкнутым проводам.
4. В отличие от электростатического поля, работа сил вихревого электрического поля и электрическое напряжение по замкнутому контуру не равны нулю, а значение напряжения между двумя точками определяется не только их взаимным положением, но и формой контура, соединяющего эти точки.
Все вышеизложенное позволяет сделать вывод, который выражает первое основное положение теории Максвелла: любое изменение магнитного поля вызывает появление вихревого электрического поля.
Направление силовых линий напряженности $Е↖$ совпадает с направлением индукционного тока. Работа вихревого электрического поля при перемещении единичного положительного заряда вдоль замкнутого неподвижного проводника численно равна ЭДС индукции в этом проводнике. Чем быстрее меняется индукция магнитного поля, тем больше напряженность индуцированного электрического поля.
Вихревые токи (токи Фуко). В массивном проводнике, находящемся в переменном магнитном поле, вихревое электрическое поле вызывает индукционный ток. Поскольку линии напряженности $Е↖$ замкнуты, то и линии тока внутри этого массивного проводника замкнуты, поэтому они называются вихревыми токами, или токами Фуко. В 1855 г. Ж. Б. Л. Фуко обнаружил нагревание ферромагнитных сердечников, а также других металлических тел в переменном магнитном поле. Он объяснил этот эффект возбуждением индукционных токов. Фуко предложил способ уменьшения потерь энергии за счет нагрева — изготавливать сердечники и другие магнитопроводы в виде пластин, разделенных тонкими изолирующими пленками, и ориентировать поверхности этих пластин перпендикулярно вектору напряженности вихревого электрического поля (т. е. чтобы они пересекали возможные линии вихревых токов).
Нагрев вихревыми токами массивных проводников используется в индукционных печах для плавки металлов и изготовления сплавов.
ЭДС индукции в движущихся проводниках
ЭДС индукции в проводниках, движущихся в постоянном магнитном поле, соответствует второму типу электромагнитной индукции, обусловленному не переменным внешним магнитным полем, а действием сил Лоренца на свободные заряды проводника.
ЭДС индукции, возникающая на концах проводника длиной $l$, движущегося с постоянной скоростью $υ↖$ под некоторым углом $α$ к вектору индукции $В↖$ однородного магнитного поля, равна:
где $А$ — работа силы Лоренца по перемещению заряда $q$ на пути $l, F_L$ — сила Лоренца, действующая на движущийся заряд.
Если такой проводник входит в состав замкнутой цепи, остальные части которой неподвижны, то в цепи возникает электрический ток. Сила тока равна:
где $R$ — сопротивление нагрузки (лампочки); $r$ — сопротивление проводника, играющего роль внутреннего сопротивления источника тока (сопротивлением соединяющих проводников пренебрегаем).
С другой стороны, ту же ЭДС индукции можно получить, используя основной закон электромагнитной индукции $ε_i=-/$ и формулу $Ф=B_S$:
В данном случае изменение потока осуществляется не за счет изменения индукции поля, а за счет изменения площади контура, равного $∆S=-lυ∆t$. В результате получим:
Правило Ленца
Правило Ленца (закон Ленца) было установлено Э. X. Ленцем в 1834 г. Оно уточняет закон электромагнитной индукции, открытый в 1831 г. М. Фарадеем. Правило Ленца определяет направление индукционного тока в замкнутом контуре при его движении во внешнем магнитном поле.
Направление индукционного тока всегда таково, что испытываемые им со стороны магнитного поля силы противодействуют движению контура, а создаваемый этим током магнитный поток $Ф_1$ стремится компенсировать изменения внешнего магнитного потока $Ф_e$.
Закон Ленца является выражением закона сохранения энергии для электромагнитных явлений. Действительно, при движении замкнутого контура в магнитном поле за счет внешних сил необходимо выполнить некоторую работу против сил, возникающих в результате взаимодействия индуцированного тока с магнитным полем и направленных в сторону, противоположную движению.
Правило Ленца иллюстрируют рисунок. Если постоянный магнит вдвигать в катушку, замкнутую на гальванометр, индукционный ток в катушке будет иметь такое направление, которое создаст магнитное поле с вектором $В’$, направленным противоположно вектору индукции поля магнита $В$, т. е. будет выталкивать магнит из катушки или препятствовать его движению. При вытягивании магнита из катушки, наоборот, поле, создаваемое индукционным током, будет притягивать катушку, т. е опять препятствовать его движению.
Для применения правила Ленца с целью определения направления индукционного тока $I_е$ в контуре необходимо следовать таким рекомендациям.
- Установить направление линий магнитной индукции $В↖$ внешнего магнитного поля.
- Выяснить, увеличивается ли поток магнитной индукции этого поля через поверхность, ограниченную контуром ($∆Ф > 0$), или уменьшается ($∆Ф 0$,и иметь одинаковое с ними направление, если $∆Ф
- ООО «Экзамер», 2024
- Написать нам
- Юридические документы
Изучение явления электромагнитной индукции, магнитного взаимодействия, дисперсии света
Внимание! Администрация сайта rosuchebnik.ru не несет ответственности за содержание методических разработок, а также за соответствие разработки ФГОС.
- Участник: Ибрагимов Булат Наилевич
- Руководитель:Сулейманова Альфия Сайфулловна
Лабораторная работа №1 «Изучение явления электромагнитной индукции»
Цель работы: экспериментальное изучение явления магнитной индукции.
Теоретическая часть: явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в проводящем контуре, который либо покоится в переменном во времени магнитном поле, либо движется в постоянном магнитном поле таким образом, что число линий магнитной индукции, пронизывающих контур, меняется. в нашем случае разумнее было бы менять во времени магнитное поле, так как оно создается движущимися (свободно) магнитом. Согласно правилу Ленца, возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван. В данном случае это мы можем наблюдать по отклонению стрелки миллиамперметра.
Оборудование: миллиамперметр, катушка с сердечником, дугообразный магнит, соединительные провода.
Вывод по проделанной работе: вводя магнит в катушку одним полюсом (северным) и выводя ее, мы наблюдаем, что стрелка амперметра отклоняется в разные стороны. В первом случае число линий магнитной индукции, пронизывающих катушку (магнитный поток), растет, а во втором случае – наоборот. Причем в первом случае линии индукции, созданные магнитным полем индукционного тока, выходят из верхнего конца катушки, так как катушка отталкивает магнит, а во втором случае, наоборот, входят в этот конец. Так как стрелка амперметра отклоняется, то направление индукционного тока меняется. Именно это показывает нам правило Ленца. Вводя магнит в катушку южным полюсом, мы наблюдаем картину, противоположную первой.
Лабораторная работа №2 «Изучение магнитного взаимодействия»
Цель работы: проверить на опыте, что магнитное взаимодействие сильнее гравитационного.
Теоретическая часть: В гравитационном взаимодействии участвуют все тела обладающие массой. Гравитационные силы являются лишь силами притяжения, так как все тела обладают положительной массой. Гравитационные силы убывают пропорционально квадрату расстояния между взаимодействующими телами. Электромагнитное взаимодействие очень похоже на гравитационное. Отличие лишь в том, что у нас есть как положительные так и отрицательные заряды. Электромагнитное взаимодействие более сильное чем гравитационное из-за большей константы связи (заряды в один кулон притягиваются сильнее чем массы в один килограмм).
Оборудование: пластиковый стержень, магниты.
Вывод по проделанной работе: опуская магниты в пластиковый стержень одноименными полюсами друг к другу мы наблюдаем, как магниты отталкиваются, преодолевая тем самым силу гравитации.
Лабораторная работа №3 «Изучение дисперсии света»
Цель работы: наблюдение дисперсии света.
Теоретическая часть: дисперсия света – это зависимость показателя преломления вещества и скорости света в нем от частоты световой волны. Очень просто наблюдать явление дисперсии при пропускании белого света через призму. При этом мы увидим, что пучок света не только отклониться к более широкой части призмы, но и разложиться в спектр, в котором семь цветов – красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый- как в радуге, плавно переходят друг в друга. Белый свет является сложным, состоящим из световых волн разных цветов и, соответственно, разных частот. Цветные лучи являются простыми или, как их еще называют, монохроматическими. Сложить спектральные цвета и получить белый цвет можно и на более простом опыте. Возьмем картонный диск с изображенными на нем разноцветными секторами и укрепим его на валу центробежной машины. При быстром вращении диска создается впечатление, что он белый.
Оборудование: картонный диск с изображенными на нем разноцветными секторами, источник питания, машина с валом центробежной силы.
Вывод по проделанной работе: Закрепив картонный диск с изображенными на нем разноцветными секторами на валу машины с центробежной силой, мы наблюдаем, что спектральные цвета складываются и получается белый цвет. В состав белого цвета входят все цвета радуги.