Что такое явление электромагнитной индукции: Явление электромагнитной индукции. Видеоурок. Физика 9 Класс

Содержание

Электромагнитная индукция — урок. Физика, 9 класс.

Индукционный ток

Великому английскому физику Майклу Фарадею потребовалось почти \(10\) лет, чтобы ответить в \(1831\) году на вопрос: как превратить магнетизм в электричество?

Что же служит причиной появления тока в катушке, в цепи которой нет источника тока? Ток в катушке всегда возникает при изменении магнитного поля, в котором она находится.

Электрический ток в замкнутом контуре, возникающий при изменении магнитного поля, называется индукционным.

Индукционный ток, так же как и ток от гальванического элемента или аккумулятора, представляет собой упорядоченное движение электронов. 

Причины электромагнитной индукции

Явление возникновения индукционного тока в контуре называют электромагнитной индукцией.

Многочисленные опыты М. Фарадея привели к выводу, что индукционный ток в контуре, замкнутом на гальванометр, возникает при изменении:

  • магнитного поля;
  • площади контура;
  • ориентации контура в магнитном поле. 

 

Во всех случаях изменяется число линий магнитной индукции, то есть меняется магнитный поток.

Индукционный ток возникает при всяких изменениях магнитного потока Ф, пронизывающего контур замкнутого проводника.

Если же магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром, не меняется, то индукционный ток в контуре не возникает.

Пример:

если вращать полосовой магнит внутри катушки, замкнутой на гальванометр, вокруг его вертикальной оси, то индукционный ток не возникает, так как магнитный поток не меняется.

Развитие электротехники

Открытие электромагнитной индукции вызвало появление и бурное развитие электротехники. На основе этого явления были созданы генераторы электрической энергии. В их разработке принимали участие учёные и техники разных стран, в том числе и наши соотечественники: Э. Х. Ленц, Б. С. Якоби, М. И. Доливо-Добровольский и др.

 

 

Применение электромагнитной индукции

Явление электромагнитной индукции лежит в основе действия индукционной плиты. Индукционные токи при изменении магнитного поля возникают не только в проволочных контурах, но и в массивных образцах металла. Эти токи называют вихревыми токами, или токами Фуко. В массивных проводниках вследствие малости электрического сопротивления токи могут быть очень большими и вызывать значительное нагревание. Принцип работы индукционной плиты показан на рисунке. Под стеклокерамической поверхностью плиты находится катушка индуктивности, по которой протекает переменный электрический ток, создающий переменное магнитное поле. Частота тока составляет \(20\)–\(60\) кГц. В дне посуды наводятся токи индукции, которые нагревают его, а заодно и помещённые в посуду продукты. Нет никакой теплопередачи снизу вверх, от конфорки через стекло к посуде, а значит, нет и тепловых потерь. С точки зрения эффективности использования потребляемой электроэнергии индукционная плита выгодно отличается от всех других типов кухонных плит.

 

 

1 — посуда из ферромагнитного материала;

2 — стеклокерамическая поверхность;

3 — слой изоляции;

4 — катушка индуктивности.

Электромагнитная индукция: применение индукции

 

Мы уже знаем, что электрический ток, двигаясь по проводнику, создает вокруг него магнитное поле. На основе этого явления человек изобрел и широко применяет самые разнообразные электромагниты. Но возникает вопрос: если электрические заряды, двигаясь, вызывают возникновение магнитного поля, а не работает ли это и наоборот?

То есть, может ли магнитное поле явиться причиной возникновения электрического тока в проводнике? В 1831 году Майкл Фарадей установил, что в замкнутой проводящей электрической цепи при изменении магнитного поля возникает электрический ток. Такой ток назвали индукционным током, а явление возникновения тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля, пронизывающего этот контур, носит название электромагнитной индукции.

Явление электромагнитной индукции

Само название «электромагнитная» состоит из двух частей: «электро» и «магнитная». Электрические и магнитные явления неразрывно связаны друг с другом. И если электрические заряды, двигаясь, изменяют магнитное поле вокруг себя, то и магнитное поле, изменяясь, поневоле заставит перемещаться электрические заряды, образуя электрический ток.

При этом именно изменяющееся магнитного поля вызывает возникновение электрического тока. Постоянное магнитное поле не вызовет движение электрических зарядов, а соответственно, и индукционный ток не образуется. Более детальное рассмотрение явления электромагнитной индукции , вывод формул и закона электромагнитной индукции относится к курсу девятого класса.

Применение электромагнитной индукции

В данной же статье мы поговорим о применении электромагнитной индукции. На использовании законов электромагнитной индукции основано действие многих двигателей и генераторов тока. Принцип их работы понять довольно просто.

Изменение магнитного поля можно вызвать, например, перемещением магнита. Поэтому, если каким-либо сторонним воздействием передвигать магнит внутри  замкнутой цепи, то в этой цепи возникнет ток. Так можно создать генератор тока.

Если же наоборот, пустить ток от стороннего источника по цепи, то находящийся внутри цепи магнит начнет двигаться под воздействием магнитного поля, образованного электрическим током. Таким образом можно собрать электродвигатель.

Описанными выше генераторами тока преобразовывают механическую энергию в электрическую на электростанциях. Механическая энергия это энергия угля, дизельного топлива, ветра, воды и так далее. Электричество поступает по проводам к потребителям и там обратным образом преобразовывается в механическую в электродвигателях.

Электродвигатели пылесосов, фенов, миксеров, кулеров, электромясорубок и прочих многочисленных приборов, используемых нами ежедневно, основаны на использовании электромагнитной индукции и магнитных сил. Об использовании в промышленности этих же явлений и говорить не приходится, понятно, что оно повсеместно.

Нужна помощь в учебе?



Предыдущая тема: Действие магнитного поля на проводник с током: схема простого электродвигателя
Следующая тема:&nbsp&nbsp&nbspСвет: свойства, источники света, распространение света

Практическое применение явления электромагнитной индукции

Радиовещание


Переменное магнитное поле, возбуждаемое изменяющимся током, создаёт в окружающем пространстве электрическое поле, которое в свою очередь возбуждает магнитное поле, и т.д. Взаимно порождая друг друга, эти поля образуют единое переменное электромагнитное поле — электромагнитную волну. Возникнув в том месте, где есть провод с током, электромагнитное поле распространяется в пространстве со скоростью света -300000 км/с.

Магнитотерапия


В спектре частот разные места занимают радиоволны, свет, рентгеновское излучение и другие электромагнитные излучения. Их обычно характеризуют непрерывно связанными между собой электрическими и магнитными полями.

Синхрофазотроны


В настоящее время под магнитным полем понимают особую форму материи состоящую из заряженных частиц. В современной физике пучки заряженных частиц используют для проникновения в глубь атомов с целью их изучения. Сила, с которой действует магнитное поле на движущуюся заряженную частицу, называется силой Лоренца.

Расходомеры — счётчики


Метод основан на применении закона Фарадея для проводника в магнитном поле: в потоке электропроводящей жидкости, движущейся в магнитном поле наводится ЭДС, пропорциональная скорости потока, преобразуемая электронной частью в электрический аналоговый/цифровой сигнал.

Генератор постоянного тока


В режиме генератора якорь машины вращается под действием внешнего момента. Между полюсами статора имеется постоянный магнитный поток, пронизывающий якорь. Проводники обмотки якоря движутся в магнитном поле и, следовательно, в них индуктируется ЭДС, направление которой можно определить по правилу «правой руки». При этом на одной щетке возникает положительный потенциал относительно второй. Если к зажимам генератора подключить нагрузку, то в ней пойдет ток.

Трансформаторы


Трансформаторы широко применяются при передаче электрической энергии на большие расстояния, распределении ее между приемниками, а также в различных выпрямительных, усилительных, сигнализационных и других устройствах.

Преобразование энергии в трансформаторе осуществляется переменным магнитным полем. Трансформатор представляет собой сердечник из тонких стальных изолированных одна от другой пластин, на котором помещаются две, а иногда и больше обмоток (катушек) из изолированного провода. Обмотка, к которой присоединяется источник электрической энергии переменного тока, называется первичной обмоткой, остальные обмотки — вторичными.

Если во вторичной обмотке трансформатора намотано в три раза больше витков, чем в первичной, то магнитное поле, созданное в сердечнике первичной обмоткой, пересекая витки вторичной обмотки, создаст в ней в три раза больше напряжение.

Явление э/м индукции. Магн. поток. Закон э/м индукции

  • Явление электромагнитной индукции

Электрические и магнитные поля порождаются одними и теми же источниками – электрическими зарядами, поэтому можно предположить, что между этими полями существует определенная связь. Это предположение нашло экспериментальное подтверждение в 1831 г. в опытах выдающегося английского физика М.Фарадея. Он открыл

явление электромагнитной индукции.

Явление электромагнитной индукции лежит в основе работы индукционных генераторов электрического тока, на которые приходится вся вырабатываемая в мире электроэнергия.

  • Магнитный  поток
Замкнутый контур, помещенный в однородное магнитное поле

Количественной характеристикой процесса изменения магнитного поля через замкнутый контур является физическая величина называемая магнитным потоком. Магнитным потоком (Ф) через замкнутый контур площадью (S) называют физическую величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции (В) на площадь контура (S) и на косинус угла  между

вектором В и нормалью к поверхности:  Φ = BS cos α.   Единица магнитного потока Ф — вебер (Вб): 1 Вб = 1 Тл · 1 м2.

Если вектор магнитной индукции перпендикулярен площади контура, то магнитный поток максимальный.

Если вектор магнитной индукции параллелен площади контура, то магнитный поток равен нулю.

  • Закон электромагнитной индукции

Опытным путем был установлен закон электромагнитной индукции: ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:   Эта формула носит название закона Фарадея.

Классической демонстрацией основного закона электромагнитной индукции является первый опыт Фарадея. В нем, чем быстрее перемещать магнит через витки катушки, тем больше возникает индукционный ток в ней, а значит, и ЭДС индукции.

  • Правило Ленца

Зависимость направления индукционного тока от характера изменения магнитного поля через замкнутый контур в 1833 г. опытным путем установил русский физик Э.Х.Ленц. Согласно правилу Ленца, возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим  магнитным  полем противодействует тому изменению  магнитного потока, которым он вызван.  Более кратко это правило можно сформулировать следующим образом: индукционный ток направлен так, чтобы препятствовать причине, его вызывающей. Правило Ленца отражает тот экспериментальный факт, что    всегда имеют противоположные знаки (знак «минус» в формуле Фарадея).

Ленцем был сконструирован прибор, представляющий собой два алюминиевых кольца, сплошное и разрезанное, укрепленные на алюминиевой перекладине. Они могли вращаться вокруг оси, как коромысло. При внесении магнита в сплошное кольцо оно начинало «убегать» от магнита, поворачивая соответственно коромысло. При вынесении магнита из кольца оно стремилось «догнать» магнит. При движении же магнита внутри разрезанного кольца никакого движения не происходило. Ленц объяснял опыт тем, что магнитное поле индукционного тока стремилось компенсировать изменение внешнего магнитного потока.

Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии.

4.2 Явление электромагнитной индукции — ф9 т3 Электромагнитные явления

  Английский ученый Майкл Фарадей:

“Если электрический ток, способен намагнитить кусок железа. Не может ли магнит, в свою очередь, вызвать появление электрического тока?”

В 1821 г. М.Фарадей записал в своем дневнике: “Превратить магнетизм в электричество”. Через 10 лет эта задача была им решена. Он открыл явление электромагнитной индукции.

1 Опыт. Соединив гальванометр с катушкой, мы вдвигаем внутрь катушки постоянный магнит. При этом гальванометр покажет изменение тока в цепи.

Так как никакого источника тока у нас в цепи нет, то логично предположить, что ток возникает вследствие появления магнитного поля внутри катушки. Когда мы будем вытаскивать магнит обратно из катушки, мы увидим, что снова изменятся показания гальванометра, но его стрелка при этом отклонится в противоположную сторону. Мы опять получим ток, но уже направленный в другую сторону.

2 опыт с теми же элементами, только при этом мы зафиксируем магнит неподвижно, а надевать на магнит и снимать с него мы теперь будем саму катушку, подсоединенную к гальванометру. Мы получим те же результаты стрелка гальванометра будет показывать нам появление тока в цепи. При этом, когда магнит неподвижен, тока в цепи нет стрелка стоит на ноле.

Можно провести измененный вариант такого же опыта, только постоянный магнит заменить электрическим, который можно включать и выключать. Получим схожие с первым опытом результаты при движении магнита внутри катушки. Но, кроме того, при выключении и выключении неподвижного электромагнита, он будет вызывать кратковременное появление тока в цепи катушки.

Катушку можно заменить проводящим контуром и проделать опыты по перемещению и вращению самого контура в постоянном магнитном поле, либо же магнита внутри неподвижного контура. Результаты будут те же появление тока в цепи при движении магнита или контура.

Изменение магнитного поля вызывает появление тока, этот ток назвали индукционным ((от лат. inductio, букв. – наведение).

Определение явления электромагнитной индукции: При всяком изменении магнитного потока, пронизывающего контур замкнутого проводника, в этом проводнике возникает электрический ток, существующий в течение всего процесса изменения магнитного потока.

Открытие электромагнитной индукции принадлежит к числу самых замечательных научных достижений первой половины XIX века, которое вызвало бурное развитие электротехники и радиотехники.

Микротест:

В металлическое кольцо в течении первых 2 с вдвигают магнит, в течение следующих 3с магнит оставляют неподвижным, а в течении последних 4 с магнит вынимают из кольца. В какие промежутки времени в катушке течет ток?

а) 0 – 2 с;

б) 0 – 2 с и 5 – 9 с;

в) 0 – 9 с;

г) 2 – 9 с.

2.7. ОТКРЫТИЕ ЯВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ. История электротехники

2.7. ОТКРЫТИЕ ЯВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

Большой вклад в современную электротехнику сделал английский ученый Майкл Фарадей, труды которого, в свою очередь, были подготовлены предшествовавшими работами по изучению электрических и магнитных явлений [1. 1; 1.6; 2.6].

Есть нечто символическое в том, что в год рождения М. Фарадея (1791 г.) был опубликован трактат Луиджи Гальвани с первым описанием нового физического явления — электрического тока, а в год его смерти (1867 г.) была изобретена «динамомашина» — самовозбуждающийся генератор постоянного тока, т.е. появился надежный, экономичный и удобный в эксплуатации источник электрической энергии. Жизнь великого ученого и его неповторимая по своим методам, содержанию и значению деятельность не только открыли новую главу физики, но и сыграли решающую роль в рождении новых отраслей техники: электротехники и радиотехники.

Вот уже более ста лет многие поколения учащейся молодежи на уроках физики и из многочисленных книг узнают историю замечательной жизни одного из самых знаменитых ученых, члена 68 научных обществ и академий. Обычно имя М. Фарадея связывают с самым значительным и потому наиболее известным открытием — явлением электромагнитной индукции, сделанным им в 1831 г. Но еще за год до этого, в 1830 г. за исследования в области химии и электромагнетизма М.Фарадей был избран почетным членом Петербургской Академии наук, членом же Лондонского Королевского общества (Британской академии наук) он был избран еще в 1824 г. Начиная с 1816 г., когда увидела свет первая научная работа М. Фарадея, посвященная химическому анализу тосканской извести, и по 1831 г., когда стал публиковаться знаменитый научный дневник «Экспериментальные исследования по электричеству», М. Фарадеем было опубликовано свыше 60 научных трудов.

Огромное трудолюбие, жажда знаний, прирожденный ум и наблюдательность позволили М. Фарадею достичь выдающихся результатов во всех тех областях научных исследований, к которым обращался ученый. Признанный «король экспериментаторов» любил повторять: «Искусство экспериментатора состоит в том, чтобы уметь задавать природе вопросы и понимать ее ответы».

Каждое исследование М. Фарадея отличалось такой обстоятельностью и настолько согласовывалось с предыдущими результатами, что среди современников почти не находилось критиков его работ.

Если исключить из рассмотрения химические исследования М. Фарадея, которые в своей области также составляли эпоху (достаточно вспомнить об опытах сжижения газов, об открытии бензола, бутилена), то все прочие его работы, на первый взгляд иногда разрозненные, как мазки на полотне художника, взятые вместе, образуют изумительную картину всестороннего исследования двух проблем: взаимопревращений различных форм энергии и физического содержания среды.

Рис. 2.11. Схема «электромагнитных вращений» (по рисунку Фарадея)

1, 2 — чаши с ртутью; 3 — подвижный магнит; 4 — неподвижный магнит; 5, 6 — провода, идущие к батарее гальванических элементов; 7 — медный стержень; 8 — неподвижный проводник; 9 — подвижный проводник 

Работам М. Фарадея в области электричества положило начало исследование так называемых электромагнитных вращений. Из серии опытов Эрстеда, Араго, Ампера, Био, Савара, проведенных в 1820 г., стало известно не только об электромагнетизме, но и о своеобразии взаимодействий тока и магнита: здесь, как уже отмечалось, действовали не привычные для классической механики центральные силы, а силы иные, стремившиеся установить магнитную стрелку перпендикулярно проводнику. М. Фарадей поставил перед собой вопрос: не стремится ли магнит к непрерывному движению вокруг проводника стоком? Опыт подтвердил гипотезу. В 1821 г. М. Фарадей дал описание физического прибора, схематически представленного на рис. 2.11. В левом сосуде с ртутью находился стержневой постоянный магнит, закрепленный шарнирно в нижней части. При включении тока его верхняя часть вращалась вокруг неподвижного проводника. В правом сосуде стержень магнита был неподвижен, а проводник с током, свободно подвешенный на кронштейне, скользил по ртути, совершая вращение вокруг полюса магнита. Поскольку в этом опыте впервые фигурирует магнитоэлектрическое устройство с непрерывным движением, то вполне правомерно начать именно с этого устройства историю электрических машин вообще и электродвигателя в частности. Обратим также внимание на ртутный контакт, нашедший впоследствии применение в электромеханике.

Именно с этого момента, судя по всему, у М. Фарадея начинают складываться представления о всеобщей «взаимопревращаемости сил». Получив при помощи электромагнетизма непрерывное механическое движение, он ставит перед собой задачу обратить явление или, по терминологии М. Фарадея, превратить магнетизм в электричество.

Только абсолютная убежденность в справедливости гипотезы о «взаимопревращаемости» может объяснить целеустремленность и настойчивость, тысячи опытов и 10 лет напряженного труда, затраченного на решение сформулированной задачи. В августе 1831 г. был сделан решающий опыт, а 24 ноября на заседании в Королевском обществе была изложена сущность явления электромагнитной индукции.

Рис. 2.12. Иллюстрация опыта Араго («магнетизма вращения»)

1 — проводящий немагнитный диск; 2 — стеклянное основание для крепления оси диска 

В качестве примера, характеризующего ход мыслей ученого и формирование его представлений об электромагнитном поле, рассмотрим исследование М. Фарадеем явления, получившего тогда название «магнетизма вращения». За много лет до работ М. Фарадея мореплаватели замечали тормозящее влияние медного корпуса компаса на колебания магнитной стрелки. В 1824 г. Д.Ф. Араго (см. § 2.5) описал явление «магнетизма вращения», удовлетворительно объяснить которое ни он, ни другие физики не могли. Сущность явления состояла в следующем (рис. 2.12). Подковообразный магнит мог вращаться вокруг вертикальной оси, а над его полюсами находился алюминиевый или медный диск, который также мог вращаться на оси, направление вращения которой совпадало с направлением вращения оси магнита. В состоянии покоя никаких взаимодействий между диском и магнитом не наблюдалось. Но стоило начать вращать магнит, как диск устремлялся вслед за ним и наоборот. Чтобы исключить возможность увлечения диска потоками воздуха, магнит и диск были разделены стеклом.

Открытие электромагнитной индукции помогло М. Фарадею объяснить явление Д.Ф. Араго и уже в самом начале исследования записать: «Я надеялся сделать из опыта г-на Араго новый источник электричества».

Практически одновременно с М. Фарадеем электромагнитную индукцию наблюдал выдающийся американский физик Джозеф Генри (1797–1878 гг.). Нетрудно себе представить переживания ученого, будущего президента американской Национальной академии наук, когда он, собираясь опубликовать свои наблюдения, узнал о публикации М. Фарадея. Год спустя Д. Генри открыл явление самоиндукции и экстратоки, а также установил зависимость индуктивности цепи от свойств материала и конфигурации сердечников катушек. В 1838 г. Д. Генри изучал «токи высшего порядка», т.е. токи, индуцированные другими индуцированными токами. В 1842 г. продолжение этих исследований привело Д. Генри к открытию колебательного характера разряда конденсатора (позднее, в 1847 г., это открытие повторил выдающийся немецкий физик Герман Гельмгольц) (1821–1894 гг.).

Обратимся к главным опытам М. Фарадея. Первая серия опытов [2.6] закончилась экспериментом, демонстрировавшим явление «вольта-электрической» (по терминологии М. Фарадея) индукции (рис. 2.13, а — г). Обнаружив возникновение тока во вторичной цепи 2 при замыкании или размыкании первичной 1 или при взаимном перемещении первичной и вторичной цепей (рис. 2.13, в), М. Фарадей поставил эксперимент для выяснения свойств индуцированного тока: внутрь спирали б, включенной во вторичную цепь, помещалась стальная игла 7 (рис. 2.13, б), которая намагничивалась индуцированным током. Результат говорил о том, что индуцированный ток подобен току, получаемому непосредственно от гальванической батареи 3.

Рис. 2.13. Схемы основных опытов, приведших к открытию электромагнитной индукции 

Заменив деревянный или картонный барабан 4, на который наматывались первичная и вторичная обмотки, стальным кольцом (рис. 2.13, г), М. Фарадей обнаружил более интенсивное отклонение стрелки гальванометра 5. Данный опыт указывал на существенную роль среды в электромагнитных процессах. Здесь М. Фарадей впервые применяет устройство, которое можно назвать прототипом трансформатора.

Вторая серия опытов иллюстрировала явление электромагнитной индукции, возникавшее при отсутствии источника напряжения в первичной цепи. Исходя из того, что катушка, обтекаемая током, идентична магниту, М. Фарадей заменил источник напряжения двумя постоянными магнитами (рис. 2.13, д) и наблюдал ток во вторичной обмотке при замыкании и размыкании магнитной цепи. Это явление он назвал «магнитоэлектрической индукцией»; позднее им было отмечено, что никакой принципиальной разницы между «вольта-электрической» и «магнитоэлектрической» индукцией нет. Впоследствии оба эти явления были объединены термином «электромагнитная индукция». В заключительных экспериментах (рис. 2.13, е, ж) демонстрировалось появление индуцированного тока при движении постоянного магнита или катушки с током внутри соленоида. Именно этот опыт нагляднее других продемонстрировал возможность превращения «магнетизма в электричество» или, точнее выражаясь, механической энергии в электрическую.

На основе новых представлений М. Фарадей и дал объяснение физической стороны опыта с диском Д.Ф. Араго. Кратко ход его рассуждений можно изложить следующим образом. Алюминиевый (или любой другой проводящий, но немагнитный) диск можно представить себе в виде колеса с бесконечно большим числом спиц — радиальных проводников. При относительном движении магнита и диска эти спицы-проводники «перерезают магнитные кривые» (терминология Фарадея), и в проводниках возникает индуцированный ток. Взаимодействие же тока с магнитом было уже известно. В истолковании М. Фарадея обращает на себя внимание терминология и способ объяснения явления. Для определения направления индуктированного тока он вводит правило ножа, перерезающего силовые линии. Это еще не закон Э.Х. Ленца, для которого свойственна универсальность характеристики явления, а только попытки каждый раз путем подробных описаний установить, будет ли ток протекать от рукоятки к кончику лезвия или наоборот. Но здесь важна принципиальная картина: М. Фарадей в противовес сторонникам теории дальнодействия, заполняет пространство, в котором действуют различные силы, материальной средой, эфиром, развивая эфирную теорию Л. Эйлера, находящегося, в свою очередь, под влиянием идей М.В. Ломоносова.

М. Фарадей придавал магнитным, а затем при исследовании диэлектриков и электрическим силовым линиям физическую реальность, наделял их свойством упругости и находил очень правдоподобные объяснения самым различным электромагнитным явлениям, пользуясь представлением об этих упругих линиях, похожих на резиновые нити.

Прошло более полутора столетий, а мы до сих пор не нашли более наглядного способа и схемы объяснения явлений, связанных с индукцией и электромеханическими действиями, чем знаменитая концепция фарадеевских линий, которые и поныне нам представляются вещественно ощутимыми.

Из диска Д.Ф. Араго М. Фарадей действительно сделал новый источник электричества. Заставив вращаться алюминиевый или медный диск между полюсами магнита, М. Фарадей наложил на ось диска и на его периферию щетки.

Таким образом была сконструирована электрическая машина, получившая позднее наименование униполярного генератора.

При анализе работ М. Фарадея отчетливо проявляется генеральная идея, которая разрабатывалась великим ученым всю его творческую жизнь. Читая М. Фарадея, трудно отделаться от впечатления, что он занимался только одной проблемой взаимопревращений различных форм энергии, а все его открытия совершались между делом и служили лишь целям иллюстрации главной идеи. Он исследует различные виды электричества (животное, гальваническое, магнитное, термоэлектричество) и, доказывая их качественную тождественность, открывает закон электролиза. При этом электролиз, как и вздрагивание мышц препарированной лягушки, служил первоначально лишь доказательством того, что все виды электричеств проявляются в одинаковых действиях.

Исследования статического электричества и явления электростатической индукции привели М. Фарадея к формированию представлений о диэлектриках, к окончательному разрыву с теорией дальнодействия, к замечательным исследованиям разряда в газах (открытие фарадеева темного пространства). Дальнейшее исследование взаимодействия и взаимопревращения сил привели его к открытию магнитного вращения плоскости поляризации света, к открытию диамагнетизма и парамагнетизма. Убежденность во всеобщности взаимопревращений заставила М. Фарадея даже обратиться к исследованию связи между магнетизмом и электричеством, с одной стороны, и силой тяжести, с другой. Правда, остроумные опыты Фарадея не дали положительного результата, но это не поколебало его уверенности в наличии связи между этими явлениями.

Биографы М. Фарадея любят подчеркивать тот факт, что М. Фарадей избегал пользоваться математикой, что на многих сотнях страниц его «Экспериментальных исследований по электричеству» нет ни одной математической формулы. В связи с этим уместно привести высказывание соотечественника М. Фарадея великого физика Джеймса Кларка Максвелла (1831–1879 гг.): «Приступив к изучению труда Фарадея, я установил, что его метод понимания явлений был также математическим, хотя и не представленным в форме обычных математических символов. Я также нашел, что этот метод можно выразить в обычной математической форме и, таким образом, сравнить с методами профессиональных математиков».

«Математичность» мышления Фарадея можно иллюстрировать его законами электролиза или, например, формулировкой закона электромагнитной индукции: количество приведенного в движение электричества прямо пропорционально числу пересеченных силовых линий. Достаточно представить себе последнюю формулировку в виде математических символов, и мы немедленно получаем формулу, из которой очень быстро следует знаменитое d?/dt, где ? — магнитное потокосцепление.

Д.К. Максвелл, родившийся в год открытия явления электромагнитной индукции, очень скромно оценивал свои заслуги перед наукой, подчеркивая, что он лишь развил и облек в математическую форму идеи М. Фарадея. Максвеллову теорию электромагнитного поля [2.8] по достоинству оценили ученые конца XIX и начала XX в., когда на почве идей Фарадея — Максвелла начала развиваться радиотехника.

Для характеристики прозорливости М. Фарадея, его умения проникать в глубь сложнейших физических явлений важно напомнить здесь, что еще в 1832 г. гениальный ученый рискнул предположить, что электромагнитные процессы носят волновой характер, причем магнитные колебания и электрическая индукция распространяются с конечной скоростью.

В конце 1938 г. в архивах Лондонского Королевского общества было обнаружено запечатанное письмо М. Фарадея, датированное 12 марта 1832 г. Оно пролежало в безвестности более 100 лет, а в нем были такие строки:

«Некоторые результаты исследований… привели меня к заключению, что на распространение магнитного воздействия требуется время, т.е. при воздействии одного магнита на другой отдаленный магнит или кусок железа влияющая причина (которую я позволю себе назвать магнетизмом) распространяется от магнитных тел постепенно и для своего распространения требует определенного времени, которое, очевидно, окажется весьма незначительным.

Я полагаю также, что электрическая индукция распространяется точно таким же образом. Я полагаю, что распространение магнитных сил от магнитного полюса похоже на колебания взволнованной водной поверхности или же на звуковые колебания частиц воздуха, т.е. я намерен приложить теорию колебаний к магнитным явлениям, как это сделано по отношению к звуку, и является наиболее вероятным объяснением световых явлений.

По аналогии я считаю возможным применить теорию колебаний к распространению электрической индукции. Эти воззрения я хочу проверить экспериментально, но так как мое время занято исполнением служебных обязанностей, что может вызвать продление опытов … я хочу, передавая это письмо на хранение Королевскому обществу, закрепить открытие за собой определенной датой…» [1.1].

Поскольку эти идеи М. Фарадея оставались неизвестными, нет никаких оснований отказывать великому его соотечественнику Д.К. Максвеллу в открытии этих же идей, которым он придал строгую физико-математическую форму и фундаментальное значение.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

«Явление электромагнитной индукции» (1) — Урок

Тема урока: «Явление электромагнитной индукции»

Класс: 9

Цели урока:

Оборудование:

Используется презентация о Фарадее, созданная учеником.  

ХОД УРОКА

1.Организационный момент.

Учитель. Здравствуйте, ребята. Сегодня у нас урок изучения нового материала. И пройдет он таким образом: «Экспериментаторы»: 1 группа- проводит лабораторную работу на месте, анализируют результаты опытов, делают выводы, готовят отчет о работе для учащихся всего класса, 2и3 группы демонстрируют заранее подготовленные опыты и объясняют их. В это время мы с вами, «Теоретики», повторяем материал предыдущих уроков, который поможет нам перейти к изучению новой темы. В ходе урока мы познакомимся с новым явлением, послушаем сообщение об ученом, который его открыл, проделаем опыты, демонстрирующие это явление, напишем синквейн по новой теме с использованием конспектов, которые лежат у вас на столах. Итак, начинаем работать.

2.Мотивация( самоопределение к учебной деятельности).

З№1. На территории школы под землей проложен электропровод, по которому течет электрический ток. Провод требует замены. Как с помощью приборов определить местоположение провода? Назовите прибор или приборы. Объясните его применение, вспомните физические явления, на основе которых можно объяснить их использование. ( Компас или магнитная стрелка. Стрелка будет отклоняться, т.к. вокруг проводника с током есть магнитное поле. Оно и действует с магнитной силой на магнитную стрелку.)

-Что является источником магнитного поля?( Эл. ток; движущиеся эл. заряды).

-Кто и какого опыта сделал это открытие?( 1820г. датский ученый Х.Эрстед поместил м. стрелку под проводник. Когда по проводнику протекал эл.ток, стрелка поворачивалась. На нее действовало м. поле, порожденное током в проводнике).

-Чем порождается м.поле постоянного магнита?( Гипотеза А. Ампера: кольцевыми одинаково ориентированными токами).

1.Как можно изобразить магнитное поле?

2.Что такое магнитные линии?

3.Как они выглядят для прямого тока?

4.Как найти направление магнитных линий для прямого тока?

5.Сформулируйте правило буравчика. Выполните задание№1.

6.Назовите характеристику магнитного поля. Прочитайте формулу для вычисления модуля вектора магнитной индукции.Решите задачу №3.

7.Как найти направление магнитных линий для кругового тока? Сформулируйте правилоправой руки. Выполните задание№2.

8.Действует ли магнитное поле на проводник с током?

9.По какому правилу можно найти направление магнит ной силы? Сформулируйте правило левой руки. Выполните задания№4,5.

(В процессе постановки вопросов дети выполняют 5 заданий на листах- работа парами)

3.Актуализация .

Итак, м.поле порождается эл. током. Возникает вопрос: нельзя ли с помощью магнитного поля создать эл. ток? Этот вопрос поставил перед собой и англ. ученый Майкл Фарадей в 1822г.

Доклад с презентацией о М. Фарадее.

4.Изучение нового материала.

(Личные наблюдения)

«Превратить магнетизм в электричество»- написал он в своем дневнике. Почти 10 лет упорной работы потребовалось Фарадею на решение этой задачи. В 1831 году Фарадей опытным путем открыл явление электромагнитной индукции. Тема урока: «Явление электромагнитной индукции»( записывают в тетрадь со слайда). В чем же оно заключается? Какие опыты проводил Фарадей?

4.1. Группа «Экспериментаторов»1 демонстрирует и объясняет опыты. (Подготовленные на уроке)

    • Оборудование: катушка, магнит, соединительные провода,

гальванометр демонстрационный, штатив.

О1.Катушку замкнули на гальванометр. Вдвигаем магнит в катушку, стрелка гальванометра отклоняется, указывая на появление эл. тока. Ток получен не от гальванического элемента или аккумулятора. Такой ток называется индукционным( наведенным).

О2.Как только движение магнита прекращается, ток становится равным нулю

О3.Выдвигаем магнит из катушки, стрелка гальванометра отклоняется .Снова появился ток. Значит, ток существует только во время движения магнита относительно катушки.

Учитель: Ток появлялся во время движения магнита . Почему? Что менялось при движении магнита?(Магнитный поток).

— За счет чего менялся магнитный поток в этих опытах?(за счет изменения индукции магнитного поля, т.к.поле магнита неоднородно).

-Как вы думаете: возникнет ли эл. ток в катушке, если не магнит двигать, а саму катушку надевать на магнит или снимать с магнита?(Да).

О4.Надевают катушку на магнит и снимают ее с магнита, появляется ток.

— Сформулируйте вывод: когда в замкнутом контуре возникает эл. ток? (При всяком изменении магнитного потока, пронизывающего контур замкнутого проводника, в нем возникает эл. ток.). В этом и заключается явление электромагнитной индукции.

-Как еще можно получить эл. ток без привычных источников электрического тока?

4.2.Следующий опыт Фарадея. Группа «Экспериментаторов»2 демонстрирует и объясняет опыт.(Подготовлены заранее)

гальванометр демонстрационный, источник тока, ключ.

Опыт, аналогичный с.162, рис.126. Замыкание и размыкание цепи первой катушки вызывает Эл. ток во второй. Движение катушек друг относительно друга вызывает ток во второй катушке( которая не соединена с источником). Вывод: ток в катушке №2 индукционный. Вызван изменением магнитного потока, пронизывающего катушку №2.

— За счет чего меняется магнитный поток в опытах?( при замыкании и размыкании за счет изменения силы тока, при движении- за счет изменения магнитной индукции)

— Какое явление мы наблюдали?( ЭМИ) Как называется возникающий в катушке ток?(Индукционный).

4.3.Следующий опыт Фарадея. Группа «Экспериментаторов»3 демонстрирует и объясняет опыт.(Подготовлены заранее)

гальванометр демонстрационный, источник тока, реостат.

Опыт, аналогичный с.162, рис.126. Изменяем силу тока в цепи первой катушки с помощью реостата, во второй возникает индукционный ток.

— Во всех опытах магнитный поток менялся за счет изменения магнитной индукции. За счет чего можно вообще изменить магнитный поток? (Изменения магнитной индукции, площади , ограниченной контуром, ориентации контура).

4.4.Откройте учебники на стр. 163. прочитайте описание опыта рис 127. Расскажите, какое явление наблюдается в этом опыте?(ЭМИ)

5. Решение задач по новой теме.

5.1.(качественные задачи)1. В металлическое кольцо в течение первых двух минут вдвигают магнит, потом 3с магнит неподвижен, и в течение последних 4 с выдвигают из кольца. В какие промежутки времени в кольце течет ток? (0-2с,6-9с) (Устно)

2.Упр.39 с.164 №2(Устно)

5.2.(исследовательские, экспериментальные)

Создание проекта исследования связи:

а/ направления индукционного тока от:

1.Направления движения магнита.

2.Полюса магнита.

б/величины индукционного тока от быстроты движения магнита.

План(совместно):

1.Вдвигаем и выдвигаем магнит северным полюсом.

2.Вдвигаем северным полюсом, вдвигаем южным полюсом.

3.Вдвигаем медленно, выдвигаем медленно. Вдвигаем быстро, выдвигаем быстро.

Реализация проекта. Выводы:

1/Направление индукционного тока зависит:

от того, увеличивается магнитный поток или уменьшается; направления магнитных линий.

2/ Величина индукционного тока зависит от быстроты изменения магнитного потока.

-Где же используется явление электромагнитной индукции?

6. Практическое применение явления ЭМИ.

Доклад о применении ЭМИ в трансформаторе . Демонстрация опыта работы трансформатора.

Оборудование: трансформатор разборный, штатив, лампа, соединительные провода, источник электрического тока.

7.Рефлексия.

— Какое явление мы сегодня изучили?

-Кто и когда открыл это явление?

-Как называется эл. ток в контуре , порожденный изменяющимся магнитным потоком через площадь, охваченную им?

Создание синквейна.

Индукция.

Электромагнитная, возникающая.

Появляется, наводится, вызывается.

Магнетизм превращен в электричество.

Ток.(Явление)

7.Домашнее задание. Параграф 49, краткий конспект о применении явления ЭМИ

( из дополнительной литературы)

Явление электромагнитной индукции — это (а) процесс зарядки тела.

Knockout JEE Main, апрель 2021 г. (один месяц)

Персонализированный наставник с ИИ и адаптивное расписание, Материал для самообучения, Уроки выходного дня, Наставничество от наших экспертов, Неограниченные пробные тесты и персонализированные аналитические отчеты, Круглосуточная поддержка в чате сомнений.

14000 ₹ / — 4999 / —

купить сейчас
Нокаут NEET, август 2021 г.
(один месяц)

Персонализированный наставник с ИИ и адаптивное расписание, Материал для самообучения, Уроки выходного дня, Наставничество от наших экспертов, Неограниченные пробные тесты и персонализированные аналитические отчеты, Круглосуточная поддержка в чате сомнений.

14000 ₹ / — 4999 / —

купить сейчас
Knockout JEE Main Май 2021 г.

Персонализированный наставник с ИИ и адаптивное расписание, Материал для самообучения, Уроки выходного дня, Наставничество от наших экспертов, Неограниченные пробные тесты и персонализированные аналитические отчеты, Круглосуточная поддержка в чате сомнений.

22999 ₹ / — 9999 ₹ / —

купить сейчас
Нокаут NEET Август 2021

Персонализированный наставник с ИИ и адаптивное расписание, Материал для самообучения, Уроки выходного дня, Наставничество от наших экспертов, Неограниченные пробные тесты и персонализированные аналитические отчеты, Круглосуточная поддержка в чате сомнений.

22999 ₹ / — 9999 ₹ / —

купить сейчас
Серия тестов JEE Main May 2021

Мудрые тесты без ограничений по главам, Неограниченные предметные мудрые тесты, Неограниченные полные пробные тесты, Получите персонализированный отчет об анализе производительности.

6999 / — 2999 / —

купить сейчас

Электромагнитная индукция — Energy Education

Рисунок 1.Одно из первых устройств Майкла Фарадея для демонстрации индукции. [1]

Электромагнитная индукция — это производство электродвижущей силы (ЭДС), возникающей в результате относительного движения между магнитным полем и проводником. Он был открыт в 1831 году Майклом Фарадеем, [2] и закладывает основу для выработки электроэнергии на электростанциях, электродвигателях и схемах переменного тока, которые питают электросети, трансформаторы и многие другие явления.

Уравнение, математически описывающее электромагнитную индукцию, — это закон Фарадея , который гласит, что любое изменение магнитной среды витого провода вызывает индуцирование напряжения (ЭДС). [3] Фарадей нашел много способов для этого, например, изменение напряженности магнитного поля, перемещение магнита через катушку с проволокой и перемещение катушки через магнитное поле, и это лишь некоторые из них. Напряжение (ЭДС), генерируемое в катушке с проволокой, можно описать следующим уравнением: [3]

[math] EMF = -N \ frac {\ Delta (BA)} {\ Delta t} [/ math]

где

  • [math] N [/ math] — количество витков в проводе.
  • [math] \ Delta (BA) [/ math] — изменение магнитного потока.
  • [math] \ Delta t [/ math] — это изменение во времени.

Способы, которые Фарадей нашел для изменения этого потока, как указано выше, могут быть представлены в этом уравнении.Причина, по которой это уравнение является отрицательным, заключается в законе Ленца, который требует, чтобы любое изменение магнитного потока воспроизводилось проводом с одинаковой силой, но в противоположном направлении.

Закон Фарадея важен для многих электромагнитных приложений в мире, включая автомобили. Система зажигания в двигателе внутреннего сгорания автомобиля потребляет от аккумулятора всего 12 вольт и увеличивает его до 40000 вольт! Посетите Hyperphysics, чтобы узнать, как это сделать.

PhET Моделирование индукции

PhET любезно позволил нам использовать их модели, а приведенное ниже демонстрирует закон электромагнитной индукции Фарадея.Видно, что напряжение изменяется по мере изменения магнитного потока через него.

Для дальнейшего чтения

Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:

Ссылки

Закон индукции Фарадея | физика

Закон индукции Фарадея , в физике количественная связь между изменяющимся магнитным полем и электрическим полем, создаваемым этим изменением, разработанная на основе экспериментальных наблюдений, сделанных в 1831 году английским ученым Майклом Фарадеем.

Подробнее по этой теме

электромагнетизм: закон индукции Фарадея

Открытие Фарадеем в 1831 году явления магнитной индукции — одна из важнейших вех на пути к пониманию и …

Явление, называемое электромагнитной индукцией, было впервые замечено и исследовано Фарадеем; закон индукции — это его количественное выражение.Фарадей обнаружил, что всякий раз, когда магнитное поле вокруг электромагнита возрастает и схлопывается за счет замыкания и размыкания электрической цепи, частью которой он является, электрический ток может быть обнаружен в отдельном проводнике поблизости. Перемещение постоянного магнита в катушку с проволокой и из нее также индуцировало ток в проволоке, пока магнит находился в движении. При перемещении проводника рядом с неподвижным постоянным магнитом в проводе также протекал ток, пока он двигался.

Фарадей визуализировал магнитное поле как состоящее из множества линий индукции, вдоль которых будет указывать небольшой магнитный компас. Совокупность линий, пересекающих данную область, называется магнитным потоком. Таким образом, электрические эффекты были объяснены Фарадеем изменяющимся магнитным потоком. Несколько лет спустя шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл предположил, что фундаментальным эффектом изменения магнитного потока является создание электрического поля не только в проводнике (где он может приводить в движение электрический заряд), но и в космосе даже в отсутствие электрического поля. обвинения. Максвелл сформулировал математическое выражение, связывающее изменение магнитного потока с наведенной электродвижущей силой ( E, или ЭДС ).Это соотношение, известное как закон индукции Фарадея (чтобы отличить его от его законов электролиза), гласит, что величина ЭДС , индуцированная в цепи, пропорциональна скорости изменения магнитного потока, проходящего через цепь. Если скорость изменения магнитного потока выражается в единицах веберов в секунду, индуцированная ЭДС имеет единицы вольт. Закон Фарадея — одно из четырех уравнений Максвелла, определяющих теорию электромагнетизма.

Явление электромагнитной индукции — A Класс 12 по физике CBSE

Подсказка: процесс электромагнитной индукции регулируется законом электромагнитной индукции Фарадея.Майкл Фарадей обнаружил, что когда катушка помещается в изменяющийся магнитный поток, в катушке создается электродвижущая сила, которая может вызвать ток при подходящих условиях.

Используемая формула:
ЭДС $ E $, генерируемая в катушке, помещенной в изменяющийся магнитный поток, задается как
$ E = — \ dfrac {d {{\ phi} _ {B}}} {dt} $
где $ \ dfrac {d {{\ phi} _ {B}}} {dt} $ — скорость изменения магнитного потока $ \ left ({{\ phi} _ {B}} \ right) $ со временем $ \ left (т \ право) $.
Отрицательный знак означает, что ЭДС создает ток в направлении, противодействующем изменяющемуся магнитному потоку.

Полный шаг за шагом ответ:
Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Его закон гласит, что ЭДС возникает в проводящей катушке всякий раз, когда она находится в изменяющемся магнитном потоке. Когда к катушке подключена нагрузка, в катушке течет ток из-за ЭДС.
Математическое выражение закона электромагнитной индукции Фарадея выглядит следующим образом.
ЭДС $ E $, генерируемая в катушке, помещенной в изменяющийся магнитный поток, равна
$ E = — \ dfrac {d {{\ phi} _ {B}}} {dt} $
, где $ \ dfrac {d {{\ phi} _ {B}}} {dt} $ — это скорость изменения магнитного потока $ \ left ({{\ phi} _ {B}} \ right) $ со временем $ \ left (t \ right ) $.
Отрицательный знак означает, что ЭДС создает ток в направлении, противодействующем изменяющемуся магнитному потоку.
Магнит создает собственное магнитное поле и, следовательно, магнитный поток. Когда катушка приближается к магниту, и между ними создается относительное движение за счет перемещения магнита или катушки, тогда величина магнитного потока, проходящего через катушку, изменяется. Это изменение магнитного потока вызывает ЭДС и, следовательно, последующий электрический ток в катушке. Поэтому говорят, что ток в катушке индуцируется электромагнитно.
Следовательно, правильный вариант: C) Процесс создания индуцированного тока в катушке всякий раз, когда между катушкой и магнитом происходит относительное движение.

Примечание: учащиеся должны помнить, что только относительное движение вызывает изменение магнитного потока, проходящего через катушку. Таким образом, если магнит и катушка просто держать рядом друг с другом, в катушке не будет индуцированного тока, поскольку нет относительного движения. Эта концепция часто используется в качестве уловки, чтобы соблазнить учащихся пойти по неверному пути мышления.
Отрицательный знак в математическом выражении закона электромагнитной индукции Фарадея очень важен. Это означает, что создаваемая ЭДС имеет тенденцию противодействовать изменению потока, то есть следствие противодействует причине. Это основное свойство многих природных явлений, когда эффект явления пытается противодействовать его причине. Другой такой пример: трение (следствие) возникает только тогда, когда между двумя поверхностями существует относительное движение (причина), и трение пытается противодействовать относительному движению (следствие противостоит причине).

индукционный | Infoplease

индукция, в электричестве и магнетизме, общее название для трех различных явлений. Электромагнитная индукция — это производство электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике в результате изменения магнитного поля вокруг проводника и является наиболее важным из трех явлений. Он был открыт в 1831 году Майклом Фарадеем и независимо Джозефом Генри. Изменение поля вокруг проводника может быть вызвано относительным движением между проводником и источником магнитного поля, как в электрическом генераторе, или изменением силы всего поля, так что поле вокруг проводника также изменяется. .Поскольку магнитное поле создается вокруг проводника с током, такое поле можно изменить, изменив ток. Таким образом, если проводник, в котором должна индуцироваться ЭДС, является частью электрической цепи, индукция может быть вызвана изменением тока в этой цепи; это называется самоиндукцией. Индуцированная ЭДС всегда такова, что противодействует вызывающему ее изменению, согласно закону Ленца. Изменение тока в данной цепи может также вызвать ЭДС в другой, соседней цепи, не связанной с исходной схемой; Этот тип электромагнитной индукции, называемый взаимной индукцией, лежит в основе трансформатора.Электростатическая индукция — это образование несбалансированного электрического заряда на незаряженном металлическом теле в результате того, что заряженное тело подносят к нему, не касаясь его. Если заряженное тело заряжено положительно, электроны незаряженного тела будут притягиваться к нему; если затем заземлить противоположный конец тела, электроны будут течь на него, чтобы заменить те, которые притягиваются к другому концу, тело, таким образом, приобретает отрицательный заряд после разрыва заземления. Аналогичную процедуру можно использовать для создания положительного заряда на незаряженном теле, когда к нему подносят отрицательно заряженное тело.Смотрите электричество. Магнитная индукция — это создание магнитного поля в куске немагнитного железа или другого ферромагнитного вещества при приближении к нему магнита. Магнит заставляет отдельные частицы железа, которые действуют как крошечные магниты, выстраиваться в линию, так что образец в целом становится намагниченным. Большая часть этого наведенного магнетизма теряется при удалении вызывающего его магнита. Смотрите магнетизм.

Колумбийская электронная энциклопедия, 6-е изд. Авторские права 2012, Columbia University Press.Все права защищены.

См. Другие статьи в энциклопедии по: Электротехника

Электромагнитная индукция | Encyclopedia.com

Основы

Приложения

Электромагнитная индукция — это создание электродвижущей силы в замкнутой электрической цепи изменяющимся магнитным полем, которое проходит через цепь. (Чтобы понять, что означает «прохождение» магнитного поля через цепь, представьте себе пучок сырых спагетти, удерживаемых в круге, состоящем из большого и указательного пальцев: пряди спагетти соответствуют линиям магнитного поля, а большой и указательный пальцы соответствуют к проводящей петле или цепи.) Некоторые из самых основных компонентов систем электроснабжения, такие как генераторы и трансформаторы, используют электромагнитную индукцию.

Явление электромагнитной индукции было открыто британским физиком Майклом Фарадеем в 1831 году и вскоре независимо наблюдалось американским физиком Джозефом Генри. До этого было известно, что наличие электрического заряда заставит другие заряды на соседних проводниках перераспределяться. Кроме того, в 1820 году датский физик Ганс Кристиан Эрстед продемонстрировал, что электрический ток создает магнитное поле.Тогда казалось разумным спросить, может ли магнитное поле вызывать какой-то электрический эффект, такой как ток.

Электрический заряд, который неподвижен в магнитном поле, никак не взаимодействует с полем. Также движущийся заряд не будет взаимодействовать с полем, если он движется параллельно

в направлении поля. Однако движущийся заряд, пересекающий поле, будет испытывать силу, перпендикулярную как полю, так и направлению движения заряда (рис. 1).Теперь вместо одного заряда рассмотрим прямоугольную петлю из проволоки, движущуюся через поле. На две стороны петли будут действовать силы, перпендикулярные самой проволоке, так что никакие заряды не будут перемещаться. По двум другим сторонам будет течь заряд, но поскольку силы равны, заряды просто сгруппируются на одной стороне, создавая внутреннее электрическое поле для противодействия приложенной силе, и результирующий ток не будет (рисунок 2).

Как магнитное поле может вызвать прохождение тока через петлю? Фарадей обнаружил, что наличия магнитного поля недостаточно. Чтобы генерировать ток, магнитный поток через петлю — количество заключенных в нее силовых линий магнитного поля — должен изменяться со временем.Термин поток относится к потоку силовых линий магнитного поля через область, ограниченную петлей. Поток силовых линий магнитного поля подобен потоку воды по трубе и может увеличиваться или уменьшаться со временем.

Чтобы понять, как изменение магнитного потока генерирует ток, рассмотрим схему, состоящую из множества прямоугольных петель, соединенных с лампочкой. При каких условиях будет течь ток и лампочка будет гореть? Если цепь протянута через однородное магнитное поле, тока не будет, потому что поток будет постоянным.Но если поле неоднородно, заряды на одной стороне петли будут постоянно испытывать силу, большую, чем на другой стороне. Эта разница сил заставит заряды циркулировать по петле в токе, который зажигает лампочку. Работа, выполняемая при перемещении каждого заряда по цепи, называется электродвижущей силой (ЭДС). Единицами электродвижущей силы являются вольты, как и напряжение батареи, которое также вызывает протекание тока через цепь. Для схемы не имеет значения, вызван ли изменяющийся поток собственным движением контура или движением магнитного поля, поэтому случай стационарной цепи и движущегося неоднородного поля эквивалентен предыдущей ситуации, и снова лампочка будет свет (рисунок 3).

Тем не менее, ток может быть индуцирован в цепи без перемещения ни петли, ни поля. В то время как стационарный контур в постоянном магнитном поле не вызывает зажигания лампы, тот же самый стационарный контур в поле, которое изменяется во времени (например, когда поле включается или выключается), будет испытывать электродвижущую силу. Это происходит потому, что изменяющееся магнитное поле генерирует электрическое поле, направление которого задается правилом правой руки — указав большим пальцем правой руки в направлении изменения магнитного потока, ваши пальцы могут быть обернуты вокруг него. направление индуцированного электрического поля.Когда ЭДС направлена ​​вокруг цепи, будет течь ток, и лампочка загорится (рис. 3).

Различные условия, при которых магнитное поле может вызвать протекание тока через цепь, резюмируются законом индукции Фарадея. Изменение во времени потока магнитного поля через поверхность, ограниченную электрической цепью, создает в этой цепи электродвижущую силу.

Какое направление индуцированного тока? Магнитное поле будет создаваться индуцированным током.Если бы поток этого поля добавлялся к начальному магнитному потоку через цепь, тогда было бы больше тока, который создал бы больший поток, который создал бы больше тока, и так далее

без ограничений. Такая ситуация нарушила бы закон сохранения энергии и тенденцию физических систем сопротивляться изменениям. Таким образом, индуцированный ток будет генерироваться в направлении, которое создаст магнитный поток, который противодействует изменению индуцирующего потока. Этот факт известен как закон Ленца.

Соотношение между изменением тока в цепи и электродвижущей силой, которую оно вызывает само по себе, называется самоиндукцией цепи. Если ток указан в амперах, а ЭДС — в вольтах, единицей самоиндукции является генри. Изменяющийся ток в одной цепи также может вызвать электродвижущую силу в соседней цепи. Отношение наведенной электродвижущей силы к скорости изменения тока в индукционной цепи называется взаимной индуктивностью и также измеряется в генри.

Электрический генератор — это устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую. В этом случае магнитное поле стационарно и не меняется во времени. Это цепь, которая вращается в магнитном поле. Поскольку область, допускающая прохождение силовых линий магнитного поля, изменяется во время вращения цепи, поток через цепь будет изменяться, вызывая ток (рис. 4). Обычно для обеспечения вращения контура используется турбина. Энергия, необходимая для движения турбины, может поступать от пара, вырабатываемого ядерным или ископаемым топливом, или от потока воды через плотину.В результате механическая энергия вращения превращается в электрический ток.

Трансформаторы — это устройства, используемые для передачи электроэнергии между цепями. Они используются в линиях электропередач для преобразования электричества высокого напряжения в электрический ток. В обычных устройствах, таких как радио, телевизоры и блоки питания цифровых устройств, также используются трансформаторы. За счет использования взаимной индуктивности

трансформатора КЛЮЧЕВЫЕ УСЛОВИЯ

Ампер — Стандартная единица измерения электрического тока.

Закон индукции Фарадея — Изменение во времени потока магнитного поля через поверхность, ограниченную электрической цепью, создает в этой цепи электродвижущую силу.

Flux— Расход количества через заданную область.

Генератор — Устройство для преобразования кинетической энергии (энергии движения) в электрическую.

Генри— Стандартная единица измерения индуктивности.

Закон Ленца — Направление тока, индуцируемого в цепи, будет таким, чтобы создавать магнитное поле, которое противодействует индуцирующему изменению потока.

Взаимная индуктивность — Отношение наведенной электродвижущей силы в одной цепи к скорости изменения тока в индукционной цепи.

Правило правой руки (для электрических полей, создаваемых изменяющимися магнитными полями) — Большим пальцем правой руки вдоль направления изменения магнитного потока пальцы согнуты, чтобы указать направление индуцированного электрического поля.

S elf-индуктивность — Электродвижущая сила, индуцированная в цепи, которая возникает в результате изменения во времени тока этой же цепи.

Вольт — Стандартная единица электрического потенциала и электродвижущей силы.

первичная цепь наводит ток во вторичной цепи. Изменяя физические характеристики каждой цепи, выход трансформатора может быть спроектирован в соответствии с конкретными потребностями.

John Appel

Электромагнитная индукция — 2046 Типография

Описание

Используемая во всем, от электрических генераторов до двигателей, электромагнитная индукция описывает, как изменяющееся магнитное поле может производить электрический ток, и, наоборот, как электрический ток генерирует окружающее магнитное поле.

Наиболее распространенное применение электромагнитной индукции — производство электроэнергии; когда генератор или турбина пропускают катушку с проводом в магнитном поле и из него. Силовые линии магнитного поля от магнита заставляют электроны в проводе течь, индуцирует электрический ток.

Чтобы в этой ситуации возникла электромагнитная индукция, провод, отрезок провода, должен быть перпендикулярен силовым линиям магнитного поля, чтобы оказывать максимальное давление на электроны в проводе.Направление протекания тока определяется направлением силовых линий и направлением движения провода в поле.

В генераторе петля из проволоки вращается в магнитном поле, и, поскольку направление магнитного поля изменяется при вращении проволоки, направление тока меняется, меняясь каждые пол-оборота. Этот постоянно меняющийся ток — это то, что мы называем переменным током (AC).

История и закон Фарадея

Явление электромагнитной индукции было окончательно описано Майклом Фарадеем в 1830-х годах.29 августа 1831 года английский ученый провел публичную демонстрацию, в ходе которой два провода обернули вокруг железного кольца, причем каждая проволока была намотана на противоположных сторонах кольца. Подключив один провод к прибору, предназначенному для обнаружения электрического тока, Фарадей показал своей аудитории, что посылка тока по одному проводу вызывает протекание тока по другому проводу.

Ток во втором проводе инициировался током первого провода, который был намотан на железное кольцо, создавая электромагнит.Затем этот электромагнит индуцирует ток во втором проводе. Позже Фарадей обнаружит, что перемещение магнитного стержня из катушки с проволокой также может вызвать электрический ток.

Эксперименты Фарадея с электромагнитной индукцией вдохновили то, что мы теперь знаем как закон индукции Фарадея. Основной закон электромагнетизма гласит, что индуцированное напряжение в цепи зависит от скорости изменения во времени магнитного потока, проходящего через эту цепь. Другими словами, чем быстрее смещается магнитное поле, тем выше будет напряжение в цепи.Направление сдвига магнитного поля определяет направление тока.

Генерируемое напряжение может быть увеличено за счет увеличения количества петель в цепи. С двумя петлями в катушке он генерирует двойное напряжение, чем одна петля, а с тремя петлями оно будет в три раза больше, и так далее. Вот почему промышленные генераторы имеют много-много катушек — для выработки высокой мощности.

Закон Фарадея не только заложил теоретические основы современного общества, но и был позже включен в уравнения Максвелла.Разработанные шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом уравнения Максвелла объединяют электричество и магнетизм в единую электромагнитную силу и описывают электромагнитные волны, от которых мы зависим во всем, от радиопередач до рентгеновских изображений.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *