Таким образом, Я — это отношение магнитного тока f к току I, протекающему через контур. Он рассчитывается для следующих типов.
Электромагнитная индукция определение и описание явления.
Магнитная индукция является одной из основных характеристик магнитных полей. Это векторная величина. Она характеризует силу магнитного воздействия поля на движущиеся через него заряженные частицы.
Электромагнитная индукция, наряду с изменением проходящего через нее магнитного тока, представляет собой явление создания энергии в замкнутой проводящей цепи.
Явление электромагнитной индукции было открыто Фарадеем.
- На одну непроводящую основу были намотаны две катушки: витки первой катушки были расположены между витками второй. Витки одной катушки были замкнуты на гальванометр, а второй – подключены к источнику тока. При замыкании ключа и протекании тока по второй катушке в первой возникал импульс тока. При размыкании ключа также наблюдался импульс тока, но ток через гальванометр тек в противоположном направлении.
- Первая катушка была подключена к источнику тока, вторая, подключенная к гальванометру, перемещалась относительно нее. При приближении или удалении катушки фиксировался ток.
- Катушка замкнута на гальванометр, а магнит движется – вдвигается (выдвигается) – относительно катушки.
Эксперименты показали, что индукционные токи возникают только при изменении линий магнитной индукции. Если количество линий увеличивается, а количество линий уменьшается, то направление тока различно.
Интенсивность индуцированного тока зависит от скорости изменения магнитного тока. Само поле может измениться или контур может двигаться в неоднородном магнитном поле.
Описание индуцированных токов
Когда внешние силы действуют на свободный груз, в цепи могут возникать потоки. Работа этих сил, перемещающих отдельные положительные грузы по замкнутому контуру, равна UA. Поэтому, когда количество магнитных линий меняется на поверхностях, прилегающих к контуру, в контуре возникает ЭЭД, которую называют индукцией.
Электроны в неподвижном проводнике могут перемещаться только под действием электрического поля. Это электрическое поле создается изменяющимся во времени магнитным полем. Оно называется электрическим вихревым полем. Понятие электрического вихря было введено в физику великим английским естествоиспытателем Дж. Максвеллом в 1861 году.
Свойства электрического вихревого поля:.
- источник – переменное магнитное поле;
- обнаруживается по действию на заряд;
- не является потенциальным;
- линии поля замкнутые.
Задача этого поля, которое перемещает положительную нагрузку устройства по замкнутому контуру, равна индукции индукции неподвижного проводника.
В чем заключается явление электромагнитной индукции?
В общем смысле, явление электромагнитной индукции заключается в производстве электричества с помощью магнитного поля.
В частности, явление электромагнитной индукции заключается в создании электрической энергии (HED) в проводнике в результате изменения потока магнитного поля, пронизывающего поверхности, окружающие трубопровод. В замкнутых цепях мощность (HED) вызывает поток электричества.
В определении вышеуказанных явлений два понятия — индуцированная ВЭД и магнитный поток — неясны.
Конечное значение выработки электроэнергии (обозначается символом Eind) — это работа внешних сил AZ, которые вызывают движение единичной нагрузки в цепи. Отсюда: eind | = AZ / Q.
Закон электромагнитной индукции Фарадея
Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея):.
Индукция в замкнутом контуре равна и противоположна скорости изменения магнитного тока на поверхностях, прилегающих к контуру.
Символ «-» учитывает направление индуцированных токов. Индукционный ток в замкнутом контуре всегда имеет направление, поэтому магнитный ток в поле, создаваемом этим током через поверхности, заключенные в контуре, всегда имеет направление.
Если цепь состоит из (n) витков, то индуктивный хед:.
Индукционный ток (r) в резистивной внутренней цепи:.
Если отрезок длиной (l) движется со скоростью (v) в неподвижном однородном магнитном поле с индукцией, то ЭДС электромагнитной индукции равна
где (альфа) — угол между векторами (vec) и (vec).
Индуктивный HED трубопровода, движущегося в магнитном поле, можно объяснить действием сил Лоренца в свободном грузе движущегося проводника. В этом случае сила Лоренца играет роль внешней силы.
Движущийся проводник в магнитном поле намагничивает тормозной индукционный ток. Общая работа силы Лоренца равна нулю.
Теплосодержание контура создается за счет работы внешних сил, которые не изменяют скорость трубопровода, или за счет уменьшения кинетической энергии трубопровода.
Важно: Изменение магнитного потока через замкнутый контур может происходить по двум причинам.
- магнитный поток изменяется вследствие перемещения контура или его частей в постоянном во времени магнитном поле. Это случай, когда проводники, а вместе с ними и свободные носители заряда, движутся в магнитном поле;
- вторая причина изменения магнитного потока, пронизывающего контур, – изменение во времени магнитного поля при неподвижном контуре. В этом случае возникновение ЭДС индукции уже нельзя объяснить действием силы Лоренца. Явление электромагнитной индукции в неподвижных проводниках, возникающее при изменении окружающего магнитного поля, также описывается формулой Фарадея.
Таким образом, индукционные явления в движущихся и неподвижных проводниках развиваются одинаково, но физические причины индукционных токов в обоих случаях различны.
- в случае движущихся проводников ЭДС индукции обусловлена силой Лоренца;
- в случае неподвижных проводников ЭДС индукции является следствием действия на свободные заряды вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля.
Правило Ленца
Направление индукционного тока определяется по правилу Ленца. Индуцированные токи, стимулируемые в замкнутых контурах изменениями магнитных токов, всегда имеют такое направление, что магнитное поле, препятствующее изменениям магнитных токов, вызывает индуцированные токи.
Алгоритмы решения задач с использованием правил LENZ:.
- определить направление линий магнитной индукции внешнего магнитного поля;
- выяснить, как изменяется магнитный поток;
- определить направление линий магнитной индукции магнитного поля индукционного тока: если магнитный поток уменьшается, то они сонаправлены с линиями внешнего магнитного поля; если магнитный поток увеличивается, – противоположно направлению линий магнитной индукции внешнего поля;
- по правилу буравчика, зная направление линий индукции магнитного поля индукционного тока, определить направление индукционного тока.
Правило Ленца имеет глубокий природный смысл — оно представляет собой закон сохранения энергии.
Многие исследователи, разработавшие теорию власти, такие как Х.Эрсед, Дж.Колладон и Дж.Генри, были близки к его выводам. Однако они либо не знали о колебаниях иглы при запуске или отключении установки, либо считали их результатом случайных внешних колебаний и не обращали на них внимания.
«Электромагнитная индукция»
Электромагнитная индукция — это явление, заключающееся в возникновении электричества в замкнутом проводнике в результате изменения магнитного поля, в котором он находится. Это явление было открыто английским естествоиспытателем М. Фарадеем в 1831 году. Его природу можно объяснить с помощью различных простых экспериментов.
Принцип переменного тока, описанный в опытах Фарадея, используется в индукционных генераторах, вырабатывающих электричество на термоэлектрических или гидроэлектрических станциях. Сопротивление вращению курсора генератора, создаваемое взаимодействием между индуцированным потоком и магнитным полем, преодолевается паровой или гидравлической турбиной, которая вращает курсор. Такие генераторы преобразуют механическую энергию в электричество.
Вихревые токи, или токи Фуко
Когда гигантский проводник помещают в переменное магнитное поле, в этом проводнике возникает ток Фуко, обусловленный явлением электромагнитной индукции.
Потоки также возникают, когда твердый проводник движется в стабильном, но неоднородном магнитном поле. Токи Фуко имеют направление, в котором к ним приложены силы в магнитном поле. Маятник в виде компактной металлической пластины из немагнитного материала, колеблющийся между полюсами электромагнита, внезапно останавливается при приложении магнитного поля.
Во многих случаях нагрев, вызванный токами Фуко, является вредным и требует лечения. Сердечник трансформатора, ротор электродвигателя, состоит из отдельных железных пластин, разделенных слоем изоляционного материала для предотвращения развития больших индукционных токов, а сами пластины изготовлены из сплава с высокой специальной стойкостью.
Электромагнитное поле
Электрическое поле, создаваемое неподвижным зарядом, является статическим и действует на заряд. Постоянный ток создает постоянное во времени магнитное поле, которое действует на движущиеся заряды и токи. В этом случае электрическое и магнитное поля существуют независимо друг от друга.
Явление электромагнитной индукции иллюстрирует взаимодействие этих полей, наблюдаемое в материале, в котором существует свободный заряд, т.е. в проводнике. Переменное магнитное поле создает переменное электрическое поле, которое действует на свободный заряд и создает ток. Этот переменный ток создает переменное магнитное поле, которое создает электрическое поле в том же проводнике и так далее.
Сумма взаимно созданных переменного электрического и переменного магнитного полей называется электромагнитным полем. Он также может существовать в среде, в которой нет свободного заряда, и распространяться через пространство в виде электромагнитных волн.
Классический электромагнетизм — одно из высших достижений человеческого разума. Поскольку он предсказал существование электромагнитных волн, он оказал глубокое влияние на последующее развитие человеческой цивилизации. Это привело к появлению радио, телевидения, телекоммуникационных систем, спутниковых навигационных систем, компьютеров, промышленных и бытовых роботов и других особенностей современной жизни.
В основе теории Максвелла лежало утверждение, что магнитные поля могут создаваться только переменными магнитными полями, так же как электрические поля, создающие индукционные токи в проводниках, создаются переменными магнитными полями. Наличие проводника не обязательно — электрические поля возникают и в пустом пространстве. Линии переменного электрического поля замкнуты, как и линии магнитного поля. Электрическое и магнитное поля электромагнитных волн идентичны.
В 1833 году Ленц экспериментально доказал утверждение, известное как закон Ленца. Индукционные токи наводятся в замкнутых контурах изменением магнитного потока, индуктированное магнитное поле является индукционным током.
Магнитный поток
Явление этого магнитного потока представляет собой серию силовых линий, проходящих через определенный участок проводника или замкнутого проводящего контура.
Мера эластичности, F, рассчитывается по следующему уравнению
F = B x S x Cosα, где:.
- В – модуль вектора создаваемой силовыми линиями индукции;
- S – площадь поверхности, через которую проходит поток силовых линий;
- α – угол между векторами силовых линий индукции и нормали (т.е. перпендикуляром к пронизываемой силовыми магнитными линиями плоскости).
Эта величина измеряется в Веберах (Vb).
Закон электромагнитной индукции Фарадея
Этот фундаментальный закон формулируется следующим образом. При изменении магнитного потока в проводящем контуре возникает электродвижущая сила (сокращенно ЭДС), величина которой прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока.
Этот закон выражается следующим уравнением.
Ɛi = -ΔF/Δt, где:.
- Ɛi – появляющаяся в токопроводящем контуре электродвижущая сила индукции;
- ΔФ/Δt – скорость, с которой изменяется проходящий через замкнутый контур магнитный поток.
Таким образом, мощность индукционного тока, возникающего в проводящем замкнутом контуре при приложении электродвижущей силы, зависит от скорости изменения потока динамической линии магнита через него.
Векторная форма
В векторной форме этот закон выражается следующим уравнением
Согласно этому обозначению, напряженность электрического поля (E) индуцированного тока увеличивается по мере увеличения скорости изменения тока B при пересечении динамической линией замкнутой цепи.
Потенциальная форма
Используя векторные потенциалы, закон электромагнитной индукции имеет следующую символику.
E = ΔA/Δt, где.
- Е – напряженность электрического поля, порождаемого индукционным током;
- ΔA/Δt – изменение векторного потенциала магнитного поля, проходящего через замкнутый контур, являющийся частью замкнутой цепи проводника.
Правило Ленца
Как гласит это правило, направление индуцированного тока зависит от причины (фактора), которая его вызвала. Если значение F увеличивается, то увеличению препятствует индукционный ток. Если значение F уменьшается, то происходит обратное. Индуцированный ток меняет направление и начинает препятствовать уменьшению плотности линий магнитного поля, проходящих через контур. Вот почему закон Фарадея содержит знак минус.
В качестве примера взаимодействия между магнитом и цепью, магнит помещается на катушку медной проволоки. По мере того как магнит медленно вдвигается в катушку, магнитный поток, создаваемый магнитом в катушке, постепенно увеличивается. В результате плавного движения частицы в катушке вращаются по часовой стрелке и создают собственное магнитное поле, которое ослабляет магнитное поле магнита, тем самым отталкивая магнит от катушки.
Когда магнит удаляется из цепи, его магнитный поток уменьшается, и заряженные частицы начинают двигаться против часовой стрелки, а возникающие линии магнитного поля притягивают магнит.
В качестве примера. Для разомкнутых цепей: щелевых металлических или алюминиевых колец, катушек, не закороченных амперметром или источником питания, этот закон не работает, как закон Ленца.
Если отрезок длиной (l) движется со скоростью (v) в неподвижном однородном магнитном поле с индукцией, то ЭДС электромагнитной индукции равна
Ответы на вопросы «Электромагнетизм. § 32. Электромагнитная индукция»
Электромагнитная индукция — это природное явление, заключающееся в возникновении тока в замкнутой цепи при изменении магнитно-индуцированного тока через поверхность, замкнутую цепью.
Изменение магнитного потока может быть вызвано временным изменением поверхности, заключенной в контуре (измеряемый вектор магнитной индукции). Это угол, образованный вектором индукции и вектором ее поверхности.
В каком случае направление индукционного тока считается положительным, а в каком — отрицательным?
Если направление выбранного периметра совпадает с направлением индуцированного тока, то он считается положительным. Если выбранное направление шунтирования противоположно направлению индуцированного тока, то оно отрицательное.
HED электромагнитной индукции в замкнутом контуре равен знаку, противоположному измеренной скорости изменения магнитного потока через поверхность, замкнутую этим контуром.
Сформулируйте правило Ленца. Приведите примеры его применения
Возникающий в контуре индукционный ток компенсирует изменение магнитного потока, вызванное током, протекающим через его магнитное поле. Например, при увеличении магнитного потока через контур, потоки индуктированных токов становятся отрицательными и результирующий поток равен их сумме. И когда магнитный поток через контур уменьшается, поток индуцированного тока поддерживает результирующий поток и не дает ему резко уменьшиться.
Физика 11 класс (В.А. Касьянов, 2002), «Электромагнетика. Задача №34 в главе «§32. электромагнитная индукция».
