Глава 23. Закон электромагнитной индукции

Если в магнитном поле находится замкнутый проводящий контур, не содержащий источников тока, то при изменении магнитного поля в контуре возникает электрический ток. Это явление называется электромагнитной индукцией. Появление тока свидетельствует о возникновении в контуре электрического поля, которое может обеспечить замкнутое движение электрических зарядов или, другими словами, о возникновении ЭДС. Электрическое поле, которое возникает при изменении поля магнитного и работа которого при перемещении зарядов по замкнутому контуру не равна нулю, имеет замкнутые силовые линии и называется вихревым.

Для количественного описания электромагнитной индукции вводится понятие магнитного потока (или потока вектора магнитной индукции) через замкнутый контур. Для плоского контура, расположенного в однородном магнитном поле (а только такие ситуации и могут встретиться школьникам на едином государственном экзамене), магнитный поток определяется как

(23.1)

где — индукция поля, — площадь контура, — угол между вектором индукции и нормалью (перпендикуляром) к плоскости контура (см. рисунок; перпендикуляр к плоскости контура показан пунктиром). Единицей магнитного потока в международной системе единиц измерений СИ является Вебер (Вб), который определяется как магнитный поток через контур площади 1 м² однородного магнитного поля с индукцией 1 Тл, перпендикулярной плоскости контура.

Величина ЭДС индукции , возникающая в контуре при изменении магнитного потока через этот контур, равна скорости изменения магнитного потока

(23.2)

Здесь — изменение магнитного потока через контур за малый интервал времени . Важным свойством закона электромагнитной индукции (23.2) является его универсальность по отношению к причинам изменения магнитного потока: магнитный поток через контур может меняться из-за изменения индукции магнитного поля, изменения площади контура или изменения угла между вектором индукции и нормалью, что происходит при вращении контура в поле. Во всех этих случаях по закону (23.2) в контуре будет возникать ЭДС индукции и индукционный ток.

Знак минус в формуле (23.2) «отвечает» за направление тока, возникающего в результате электромагнитной индукции (правило Ленца). Однако понять на языке закона (23.2), к какому направлению индукционного тока приведет этот знак при том или ином изменении магнитного потока через контур, не так-то просто. Но достаточно легко запомнить результат: индукционный ток будет направлен таким образом, что созданное им магнитное поле будет «стремиться» компенсировать то изменение внешнего магнитного поля, которое этот ток и породило. Например, при увеличении потока внешнего магнитного поля через контур в нем возникнет индукционный ток, магнитное поле которого будет направлено противоположно внешнему магнитному полю так, чтобы уменьшить внешнее поле и сохранить, таким образом, первоначальную величину магнитного поля. При уменьшении потока поля через контур поле индукционного тока будет направлено так же, как и внешнее магнитное поле.

Если в контуре с током ток в силу каких-то причин изменяется, то изменяется и магнитный поток через контур того магнитного поля, которое создано самим этим током. Тогда по закону (23.2) в контуре должна возникать ЭДС индукции. Явление возникновения ЭДС индукции в некоторой электрической цепи в результате изменения тока в самой этой цепи называется самоиндукцией. Для нахождения ЭДС самоиндукции в некоторой электрической цепи необходимо вычислить поток магнитного поля, создаваемого этой цепью через нее саму. Такое вычисление представляет собой сложную проблему из-за неоднородности магнитного поля. Однако одно свойство этого потока является очевидным. Поскольку магнитное поле, создаваемого током в цепи, пропорционально величине тока, то и магнитный поток собственного поля через цепь пропорционален току в этой цепи

(23.3)

где — сила тока в цепи, — коэффициент пропорциональности, который характеризует «геометрию» цепи, но не зависит от тока в ней и называется индуктивностью этой цепи. Единицей индуктивности в международной системе единиц СИ является Генри (Гн). 1 Гн определяется как индуктивность такого контура, поток индукции собственного магнитного поля через который равен 1 Вб при силе тока в нем 1 А. С учетом определения индуктивности (23.3) из закона электромагнитной индукции (23.2) получаем для ЭДС самоиндукции

(23.4)

Благодаря явлению самоиндукции ток в любой электрической цепи обладает определенной «инерционностью» и, следовательно, энергией. Действительно, для создания тока в контуре необходимо совершить работу по преодолению ЭДС самоиндукции. Энергия контура с током и равна этой работе. Необходимо запомнить формулу для энергии контура с током

(23.5)

где — индуктивность контура, — сила тока в нем.

Явление электромагнитной индукции широко применяется в технике. На нем основано создание электрического тока в электрических генераторах и электростанциях. Благодаря закону электромагнитной индукции происходит преобразование механических колебаний в электрические в микрофонах. На основе закона электромагнитной индукции работает, в частности, электрическая цепь, которая называется колебательным контуром (см. следующую главу), и которая является основой любой радиопередающей или радиопринимающей техники.

Рассмотрим теперь задачи.

Из перечисленных в задаче 23.1.1 явлений только одно есть следствие закона электромагнитной индукции — появление тока в кольце при проведении сквозь него постоянного магнита (ответ

3). Все остальное — результат магнитного взаимодействия токов.

Как указывалось во введении к настоящей главе, явление электромагнитной индукции лежит в основе работы генератора переменного тока (задача 23.1.2), т.е. прибора, создающего переменный ток, заданной частоты (ответ 2).

Индукция магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом, уменьшается с увеличением расстояния до него. Поэтому при приближении магнита к кольцу (задача 23.1.3) поток индукции магнитного поля магнита через кольцо изменяется, и в кольце возникает индукционный ток. Очевидно, это будет происходить при приближении магнита к кольцу и северным, и южным полюсом. А вот направление индукционного тока в этих случаях будет различным. Это связано с тем, что при приближении магнита к кольцу разными полюсами, поле в плоскости кольца в одном случае будет направлено противоположно полю в другом. Поэтому для компенсации этих изменений внешнего поля магнитное поле индукционного тока должно быть в этих случаях направлено по-разному. Поэтому и направления индукционных токов в кольце будут противоположными (ответ

4).

Для возникновения ЭДС индукции в кольце необходимо, чтобы менялся магнитный поток через кольцо. А поскольку магнитная индукция поля магнита зависит от расстояния до него, то в рассматриваемом в

задаче 23.1.4 случае поток через кольцо будет меняться, в кольце возникнет индукционный ток (ответ 1).

При вращении рамки 1 (задача 23.1.5) угол между линиями магнитной индукции (а, значит, и вектором индукции) и плоскостью рамки в любой момент времени равен нулю. Следовательно, магнитный поток через рамку 1 не изменяется (см. формулу (23.1)), и индукционный ток в ней не возникает. В рамке 2 индукционный ток возникнет: в положении показанном на рисунке, магнитный поток через нее равен нулю, когда рамка повернется на четверть оборота — будет равен , где — индукция, — площадь рамки. Еще через четверть оборота поток снова будет равен нулю и т.д. Поэтому поток магнитной индукции через рамку 2 изменяется в процессе ее вращения, следовательно, в ней возникает индукционный ток (ответ

2).

В задаче 23.1.6 индукционный ток возникает только в случае 2 (ответ 2). Действительно, в случае 1 рамка при движении остается на одном и том же расстоянии от проводника, и, следовательно, магнитное поле, созданное этим проводником в плоскости рамки, не изменяется. При удалении рамки от проводника магнитная индукция поля проводника в области рамки изменяется, меняется магнитный поток через рамку, и возникает индукционный ток

В законе электромагнитной индукции утверждается, что индукционный ток в кольце будет течь в такие моменты времени, когда изменяется магнитный поток через это кольцо. Поэтому пока магнит покоится около кольца (

задача 23.1.7) индукционный ток в кольце течь не будет. Поэтому правильный ответ в этой задаче — 2.

Согласно закону электромагнитной индукции (23.2) ЭДС индукции в рамке определяется скоростью изменения магнитного потока через нее. А поскольку по условию задачи 23.1.8 индукция магнитного поля в области рамки изменяется равномерно, скорость ее изменения постоянна, величина ЭДС индукции не изменяется в процессе проведения опыта (ответ 3).

В задаче 23.1.9 ЭДС индукции, возникающая в рамке во втором случае, вчетверо больше ЭДС индукции, возникающей в первом (ответ 4). Это связано с четырехкратным увеличением площади рамки и, соответственно, магнитного потока через нее во втором случае.

В задаче 23.1.10 во втором случае в два раза увеличивается скорость изменения магнитного потока (индукция поля меняется на ту же величину, но за вдвое меньшее время). Поэтому ЭДС электромагнитной индукции, возникающая в рамке во втором случае, в два раза больше, чем в первом (ответ 1).

При увеличении тока в замкнутом проводнике в два раза (задача 23.2.1), величина индукции магнитного поля возрастет в каждой точке пространства в два раза, не изменившись по направлению. Поэтому ровно в два раза изменится магнитный поток через любую малую площадку и, соответственно, и весь проводник (ответ 1). А вот отношение магнитного потока через проводник к току в этом проводнике, которое и представляет собой индуктивность проводника , при этом не изменится (задача 23.2.2 — ответ 3).

Используя формулу (23.3) находим в задаче 32.2.3 Гн (ответ 4).

Связь между единицами измерений магнитного потока, магнитной индукции и индуктивности (задача 23.2.4) следует из определения индуктивности (23.3): единица магнитного потока (Вб) равна произведению единицы тока (А) на единицу индуктивности (Гн) — ответ 3.

Согласно формуле (23.5) при двукратном увеличении индуктивности катушки и двукратном уменьшении тока в ней (задача 23.2.5) энергия магнитного поля катушки уменьшится в 2 раза (ответ 2).

Когда рамка вращается в однородном магнитном поле, магнитный поток через рамку меняется из-за изменения угла между перпендикуляром к плоскости рамки и вектором индукции магнитного поля. А поскольку и в первом и втором случае в задаче 23.2.6 этот угол меняется по одному и тому же закону (по условию частота вращения рамок одинакова), то ЭДС индукции меняются по одному и тому же закону, и, следовательно, отношение амплитудных значений ЭДС индукции в рамках равно единице (ответ 2).

Магнитное поле, создаваемое проводником с током в области рамки (задача 23.2.7), направлено «от нас» (см. решение задач главы 22). Величина индукции поля провода в области рамки при ее удалении от провода будет уменьшаться. Поэтому индукционный ток в рамке должен создать магнитное поле, направленное внутри рамки «от нас». Используя теперь правило буравчика для нахождения направления магнитной индукции, заключаем, что индукционный ток в рамке будет направлен по часовой стрелке (ответ 1).

При увеличении тока в проводе будет возрастать созданное им магнитное поле и в рамке возникнет индукционный ток (задача 23.2.8). В результате возникнет взаимодействие индукционного тока в рамке и тока в проводнике. Чтобы найти направление этого взаимодействия (притяжение или отталкивание) можно найти направление индукционного тока, а затем по формуле Ампера силу взаимодействия рамки с проводом. Но можно поступить и по-другому, используя правило Ленца. Все индукционные явления должны иметь такое направление, чтобы компенсировать вызывающую их причину. А поскольку причина — увеличение тока в рамке, сила взаимодействия индукционного тока и провода должна стремиться уменьшить магнитный поток поля провода через рамку. А поскольку магнитная индукция поля провода убывает с увеличением расстояния до него, то эта сила будет отталкивать рамку от провода (ответ 2). Если бы ток в проводе убывал, то рамка притягивалась бы к проводу.

Задача 23.2.9 также связана с направлением индукционных явлений и правилом Ленца. При приближении магнита к проводящему кольцу в нем возникнет индукционный ток, причем направление его будет таким, чтобы компенсировать вызывающую его причину. А поскольку эта причина — приближение магнита, кольцо будет отталкиваться от него (ответ 2). Если магнит отодвигать от кольца, то по тем же причинам возникло бы притяжение кольца к магниту.

Задача 23.2.10 — единственная вычислительная задача в этой главе. Для нахождения ЭДС индукции нужно найти изменение магнитного потока через контур . Это можно сделать так. Пусть в некоторый момент времени перемычка находилась в положении, показанном на рисунке, и пусть прошел малый интервал времени . За этот интервал времени перемычка переместится на величину . Это приведет к увеличению площади контура на величину . Поэтому изменение магнитного потока через контур будет равно , а величина ЭДС индукции (ответ 4).

Направление индукционного тока. Правило Ленца. Вихревое поле.

Направление индукционного тока

При внесении в катушку магнита в ней возникает индукционный ток. Если к катушке присоединить гальванометр, то можно заметить, что направление тока будет зависеть от того приближаем ли мы магнит или удаляем его.

Магнит будет взаимодействовать с катушкой либо притягиваясь, либо отталкиваясь от нее. Это будет возникать вследствие того, что катушка с проходящим по ней током, будет подобна магниту с двумя полюсами. Направление индуцируемого тока будет определять, где у катушки будет находиться какой из полюсов.

Если приближать к катушке магнит, то в ней будет возникать индукционный ток такого направления, что катушка обязательно будет отталкиваться от магнита. Если мы будет удалять магнит от катушки, то при этом в катушке возникнет такой индукционный ток, что она будет притягиваться к магниту.

Стоит отметить, что не важно каким полюсом мы подносим или убираем магнит, всегда при подносе катушка будет отталкиваться, а при удалении притягиваться. Различие состоит в том, что при приближении магнита к катушке магнитный поток, который будет пронизывать катушку, увеличивается, так как у полюса магнита кучность линий магнитной индукции увеличивается. А при удалении магнита, магнитный поток, пронизывающий катушку, будет уменьшаться.

Узнать направление индукционного тока можно. Для этого существует правило Ленца. Оно основано на законе сохранения. Рассмотрим следующий опыт.

Имеется катушка с подключенным к ней гальванометром. К одному и краев катушки начинаем подносить магнит, например, северным полюсом. Количество линий, которые будут пронизывать поверхность каждого витка катушки, будет увеличиваться. Следовательно, будет увеличиваться и значение магнитного потока.

Так как должен выполняться закон сохранения, должно возникнуть магнитное поле, которое будет препятствовать изменению магнитного потока. В нашем случае магнитный поток увеличивался, следовательно, ток должен течь в таком направлении, чтобы линии вектора магнитной индукции, создаваемые катушкой, были направлены в противоположном направлении линиям магнитной индукции, создаваемым магнитом.

То есть они должны в нашем случае быть направлены вверх. Теперь воспользуемся правилом буравчика. Направляем большой палец правой руки по необходимому нам направлению линий магнитной индукции, то есть — вверх. Тогда остальные пальцы укажут, в какую сторону должен быть направлен индукционный ток. В нашем случае, слева на право.

Аналогичный процесс происходит при удалении магнита. Убираем магнит, магнитный поток уменьшается, следовательно, должно возникнуть поле которое будет увеличивать магнитный поток. То есть поле линии магнитной индукции, которого будут сонаправлены с линиями магнитной индукции, создаваемыми постоянным магнитом. В нашем случае эти лини направлены вниз. Опять пользуемся правилом буравчика и определяем направление индукционного тока.

Правило Ленца.

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.

Применять правило Ленца для нахождения направления индукционного тока в контуре надо так:

1.      Определить направление линий магнитной индукции вектора В внешнего магнитного поля.

2.      Выяснить, увеличивается ли поток вектора магнитной индукции этого поля через поверхность, ограниченную контуром (ΔФ > 0), или уменьшается (ΔФ < 0).

3.      Установить направление линий магнитной индукции вектора В’ магнитного поля индукционного тока. Эти линии должны быть согласно правилу Ленца направлены противоположно линиям магнитной индукции вектора В’ при ΔФ > 0 и иметь одинаковое с ними направление при ΔФ < 0.

4.      Зная направление линий магнитной индукции вектора В’, найти направление индукционного тока, пользуясь правилом буравчика.

Направление индукционного тока определяется с помощью закона сохранения энергии. Индукционный ток во всех случаях направлен так, чтобы своим магнитным полем препятствовать изменению магнитного потока, вызывающего данный индукционный ток.

Вихревое электрическое поле.

Причина возникновения электрического тока в неподвижном проводнике — электрическое поле.

Всякое изменение магнитного поля порождает индукционное электрическое поле независимо от наличия или отсутствия замкнутого контура, при этом если проводник разомкнут, то на его концах возникает разность потенциалов; если проводник замкнут, то в нем наблюдается индукционный ток.

Индукционное электрическое поле является вихревым.Направление силовых линий вихревого электрического поля совпадает с направлением индукционного тока

Индукционное электрическое поле имеет совершенно другие свойства в отличии от электростатического поля.

электростатическое поле	индукционное электрическое поле (вихревое электрическое поле )
1. создается неподвижными электрическими зарядами	1. вызывается изменениями магнитного поля
2. силовые линии поля разомкнуты -потенциальное поле	2. силовые линии замкнуты — вихревое поле
3. источниками поля являются электрические заряды	3. источники поля указать нельзя
4. работа сил поля по перемещению пробного заряда по замкнутому пути равна нулю.	4. работа сил поля по перемещению пробного заряда по замкнутому пути равна ЭДС индукции

 

явление электромагнитной индукции(опыты Фарадея)



явление электромагнитной индукции(опыты Фарадея)

32)Явление электромагнитной индукции.

В 1831 г. Фарадей открыл, что во всяком замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции через поверхность, ограниченную этим контуром, возникает электрический ток. Это явление называют электромагнитной индукцией, а возникающий ток индукционным.

Рис. 105.

Величина индукционного тока не зависит от способа, которым вызывается изменение потока магнитной индукции Ф, но определяется лишь скоростью изменения Ф, т. е. значением dФ/dt. При изменении знака dФ/dt меняется также направление тока. Поясним сказанное следующим примером. На рис. 105 изображен контур 1, силу тока в котором i1 можно менять с помощью реостата. Ток i1 создает магнитное поле, пронизывающее контур 2. Если увеличивать ток i1 поток магнитной индукции Ф через контур 2 будет расти. Это приведет к появлению в контуре 2 индукционного тока i2, регистрируемого гальванометром. Уменьшение тока i1 обусловит убывание потока магнитной индукции через второй контур, что приведет к появлению в нем индукционного тока иного направления, чем в первом случае. Индукционный ток i2 можно вызвать также, приближая контур 2 к первому контуру, или удаляя второй контур от первого. В обоих случаях направления возникающего тока будут противоположными. Наконец, электромагнитную индукцию можно вызвать, не перемещая контур 2 поступательно, а поворачивая его так, чтобы менялся угол между нормалью к контуру и направлением поля.

Заполнение всего пространства, в котором поле отлично от нуля, однородным магнетиком приводит, при прочих равных условиях, к увеличению индукционного тока в μ раз. Этим подтверждается то, что индукционный ток обусловлен изменением не потока вектора Н, а потока магнитной индукции.

Ленц установил правило, с помощью которого можно найти направление индукционного тока. Правило Ленца гласит, что индукционный ток всегда направлен так, чтобы противодействовать причине, его вызывающей. Если, например, изменение Ф вызвано перемещением контура, то возникает индукционный ток такого направления, что сила, действующая на него во внешнем поле, противится движению контура. При приближении контура 2 к первому контуру возникает ток i2 (рис. 105), магнитный момент которого направлен против внешнего поля (угол α между векторами рm и В равен π). Следовательно, согласно формуле (48.8) на контур 2 будет действовать сила, отталкивающая его от первого контура. При удалении контура 2 от первого контура возникает ток i2″, момент которого рm совпадает по направлению с В (α = 0), так что сила, действующая на контур 2, имеет направление к первому контуру.

Пусть контур 2 неподвижен, и ток индуцируется в нем путем изменения тока i1 в первом контуре. В этом случае индуцируется ток i2 такого направления, что создаваемый им собственный магнитный поток стремится ослабить изменения внешнего потока, приведшие к появлению индукционного тока. При увеличении i1 т. е. возрастании внешнего магнитного потока, направленного вправо, возникнет ток i2”, создающий поток, направленный влево. При уменьшении i1 возникает ток I, собственный магнитный поток которого направлен так же, как и внешний поток, и, следовательно, стремится поддержать внешний поток неизменным.

ЯВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРО-МАГ. ИНДУКЦИИ. ПРАВИЛО ЛЕНЦА.

Явление электромагнитной индукции заключается в том, что в замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции, охватываемой этим контуром возникает электрический ток, называемый индукционным потоком. Эксперементально установленно, что величина индукции тока не зависит от способов изменения магнитного потока, а определяет лишь скорость изменения. Индукционный ток в проводнике может возникнуть только под действием ЭДС. ЭДС, возникшая в проводнике при изменении магнитного потока, называется ЭДС-индукции. Согласно закону Фарадея: ε инд=k dФm/dt. Направление индукции тока определяется по правилу Ленца. При всяком изменении магнитного потока сквозь поверхность натянутую на замкнутый контур, в нем возникает индукционный ток такого направления, что его магнитное поле препятствует изменению магнитного потока. С учетом правила Ленца закон Фарадея имеет вид: ε инд = — dФm/dt; Поскольку для замкнутого контура dФm=dψ, то ε инд = — dψ/dt

«Изучение явления электромагнитной индукции». Явление электромагнитной индукции Изучение явления эми лабораторная работа

Контрольные вопросы

1.Что такое электроемкость?

2. Дайте определение следующих понятий: переменный ток, амплитуда, частота, циклическая частота, период, фаза колебаний

Лабораторная работа 11

Изучение явления электромагнитной индукции

Цель работы: изучить явление электромагнитной индукции.

Оборудование: миллиамперметр; катушка-моток; магнит дугообразный; источник питания; катушка с железным сердечником от разборного электромагнита; реостат; ключ; провода соединительные; модель генератора электрического тока (одна).

Ход работы

1. Подключите катушку-моток к зажимам миллиамперметра.

2. Наблюдая за показаниями миллиамперметра, подводите один из полюсов магнита к катушке, потом на несколько секунд остановите магнит, а затем вновь приближайте его к катушке, вдвигая в нее (рис). Запишите, возникал ли в катушке индукционный ток во время движения магнита относительно катушки; во время его остановки.

3. Запишите, менялся ли магнитный поток Ф, пронизывающий катушку, во время движения магнита; во время его остановки.

4. На основании ваших ответов на предыдущий вопрос сделайте и запишите вывод о том, при каком условии в катушке возникал индукционный ток.

5. Почему при приближении магнита к катушке магнитный поток, пронизывающий эту катушку, менялся? (Для ответа на этот вопрос вспомните, во-первых, от каких величин зависит магнитный поток Ф и, во-вторых, одинаков ли модуль вектора индукции В магнитного поля постоянного магнита вблизи этого магнита и вдали от него.)

6. О направлении тока в катушке можно судить по тому, в какую сторону от нулевого деления отклоняется стрелка миллиамперметра.
Проверьте, одинаковым или различным будет направление индукционного тока в катушке при приближении к ней и удалении от нее одного и того же полюса магнита.

7. Приближайте полюс магнита к катушке с такой скоростью, чтобы стрелка миллиамперметра отклонялась не более чем на половину предельного значения его шкалы.

Повторите тот же опыт, но при большей скорости движения магнита, чем в первом случае.

При большей или меньшей скорости движения магнита относительно катушки магнитный поток Ф, пронизывающий эту катушку, менялся быстрее?

При быстром или медленном изменении магнитного потока сквозь катушку в ней возникал больший по модулю ток?

На основании вашего ответа на последний вопрос сделайте и запишите вывод о том, как зависит модуль силы индукционного тока, возникающего в катушке, от скорости изменения магнитного потока Ф, пронизывающего эту катушку.

8.Соберите установку для опыта по рисунку.

9. Проверьте, возникает ли в катушке-мотке 1 индукционный ток в следующих случаях:

a. при замыкании и размыкании цепи, в которую включена катушка 2;

b. при протекании через катушку 2 постоянного тока;

c. при увеличении и уменьшении силы тока, протекающего через катушку 2, путем перемещения в соответствующую сторону движка реостата.

10. В каких из перечисленных в пункте 9 случаев меняется магнитный поток, пронизывающий катушку? Почему он меняется?

11. Пронаблюдайте возникновение электрического тока в модели генератора (рис.). Объясните, почему в рамке, вращающейся в магнитном поле, возникает индукционный ток.

Контрольные вопросы

1. Сформулируйте закон электромагнитной индукции.

2. Кем и когда был сформулирован закон электромагнитной индукции?

Лабораторная работа 12

Измерение индуктивности катушки

Цель работы: Изучение основных закономерностей электрических цепей переменного тока и знакомство с простейшими способами измерения индуктивности и емкости.

Краткая теория

Под действием переменной электродвижущей силы (ЭДС) в электрической цепи, в ней возникает переменный ток.

Переменным называется такой ток, который изменяется по направлению и по величине. В данной работе рассматривается только такой переменный ток, величина которого изменяется периодически по синусоидальному закону.

Рассмотрение синусоидального тока вызвано тем обстоятельством, что все крупные электростанции вырабатывают переменные токи, весьма близкие к синусоидальным токам.

Переменный ток в металлах представляет собой движение свободных электронов то в одном, то в противоположном направлении. При синусоидальном токе характер этого движения совпадает с гармоническими колебаниями. Таким образом, синусоидальный переменный ток имеет период Т  время одного полного колебания и частоту v  число полных колебаний за единицу времени. Между этими величинами имеется зависимость

Цепь переменного тока, в отличие от цепи постоянного тока, допускает включение конденсатора.

https://pandia.ru/text/80/343/images/image073.gif» alt=»http://web-local.rudn.ru/web-local/uem/ido/8/Image443.gif»>,

называемая полным сопротивлением или импедансом цепи. Поэтому выражение (8) называют законом Ома для переменного тока.

В данной работе активное сопротивление R катушки определяется при помощи закона Ома для участка цепи постоянного тока.

Рассмотрим два частных случая.

1. В цепи отсутствует конденсатор . Это значит, что конденсатор отключается и вместо него цепь замыкается проводником, падение потенциала на котором практически равно нулю, то есть величина U в уравнении (2) равна нулю..gif» alt=»http://web-local.rudn.ru/web-local/uem/ido/8/Image474.gif»>.

2. В цепи отсутствует катушка : следовательно .

При из формул (6), (7) и (14) соответственно имеем

На этом уроке мы проведем лабораторную работу №4 «Изучение явления электромагнитной индукции». Целью этого занятия будет изучение явления электромагнитной индукции. С помощью необходимого оборудования мы проведем лабораторную работу, в конце которой узнаем, как правильно изучать и определять это явление.

Цель — изучение явления электромагнитной индукции .

Оборудование:

1. Миллиамперметр.

2. Магнит.

3. Катушка-моток.

4. Источник тока.

5. Реостат.

6. Ключ.

7. Катушка от электромагнита.

8. Соединительные провода.

Рис. 1. Экспериментальное оборудование

Начнем лабораторную работу со сбора установки. Чтобы собрать схему, которую мы будем использовать в лабораторной работе, присоединим моток-катушку к миллиамперметру и используем магнит, который будем приближать или удалять от катушки. Одновременно с этим мы должны вспомнить, что будет происходить, когда будет появляться индукционный ток.

Рис. 2. Эксперимент 1

Подумайте над тем, как объяснить наблюдаемое нами явление. Каким образом влияет магнитный поток на то, что мы видим, в частности происхождение электрического тока. Для этого посмотрите на вспомогательный рисунок.

Рис. 3. Линии магнитного поля постоянного полосового магнита

Обратите внимание, что линии магнитной индукции выходят из северного полюса, входят в южный полюс. При этом количество этих линий, их густота различна на разных участках магнита. Обратите внимание, что направление индукции магнитного поля тоже изменяется от точки к точке. Поэтому можно сказать, что изменение магнитного потока приводит к тому, что в замкнутом проводнике возникает электрический ток, но только при движении магнита, следовательно, изменяется магнитный поток, пронизывающий площадь, ограниченную витками этой катушки.

Следующий этап нашего исследования электромагнитной индукции связан с определением направления индукционного тока . О направлении индукционного тока мы можем судить по тому, в какую сторону отклоняется стрелка миллиамперметра. Воспользуемся дугообразным магнитом и увидим, что при приближении магнита стрелка отклонится в одну сторону. Если теперь магнит двигать в другую сторону, стрелка отклонится в другую сторону. В результате проведенного эксперимента мы можем сказать, что от направления движения магнита зависит и направление индукционного тока. Отметим и то, что от полюса магнита тоже зависит направление индукционного тока.

Обратите внимание, что величина индукционного тока зависит от скорости перемещения магнита, а вместе с тем и от скорости изменения магнитного потока.

Вторая часть нашей лабораторной работы связана будет с другим экспериментом. Посмотрим на схему этого эксперимента и обсудим, что мы будем теперь делать.

Рис. 4. Эксперимент 2

Во второй схеме в принципе ничего не изменилось относительно измерения индукционного тока. Тот же самый миллиамперметр, присоединенный к мотку катушки. Остается все, как было в первом случае. Но теперь изменение магнитного потока мы будем получать не за счет движения постоянного магнита, а за счет изменения силы тока во второй катушке.

В первой части будем исследовать наличие индукционного тока при замыкании и размыкании цепи. Итак, первая часть эксперимента: мы замыкаем ключ. Обратите внимание, ток нарастает в цепи, стрелка отклонилась в одну сторону, но обратите внимание, сейчас ключ замкнут, а электрического тока миллиамперметр не показывает. Дело в том, что нет изменения магнитного потока, мы уже об этом говорили. Если теперь ключ размыкать, то миллиамперметр покажет, что направление тока изменилось.

Во втором эксперименте мы проследим, как возникает индукционный ток , когда меняется электрический ток во второй цепи.

Следующая часть опыта будет заключаться в том, чтобы проследить, как будет изменяться индукционный ток, если менять величину тока в цепи за счет реостата. Вы знаете, что если мы изменяем электрическое сопротивление в цепи, то, следуя закону Ома, у нас будет меняться и электрический ток. Раз изменяется электрический ток, будет изменяться магнитное поле. В момент перемещения скользящего контакта реостата изменяется магнитное поле, что приводит к появлению индукционного тока.

В заключение лабораторной работы мы должны посмотреть на то, как создается индукционный электрический ток в генераторе электрического тока.

Рис. 5. Генератор электрического тока

Главная его часть — это магнит, а внутри этих магнитов располагается катушка с определенным количеством намотанных витков. Если теперь вращать колесо этого генератора в обмотке катушки будет наводиться индукционный электрический ток. Из эксперимента видно, что увеличение числа оборотов приводит к тому, что лампочка начинает гореть ярче.

Список дополнительной литературы:

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н. Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 347-348. Мякишев Г.Я. Физика: Электродинамика. 10-11 классы. Учебник для углубленного изучения физики / Г.Я. Мякишев, А.3. Синяков, В.А. Слободсков. — М.: Дрофа, 2005. — 476с. Пурышева Н.С. Физика. 9 класс. Учебник. / Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е., Чаругин В.М. 2-е изд., стереотип. — М.: Дрофа, 2007.

Учитель физики ГБОУ СОШ №58 г. Севастополя Сафроненко Н.И.

Тема урока: Опыты Фарадея. Электромагнитная индукция.

Лабораторная работа «Исследование явления электромагнитной индукции»

Цели урока : Знать/понимать: определение явления электромагнитной индукции. Уметь описывать и объяснять электромагнитную индукцию, уметь проводить наблюдения природных явлений, использовать простые измерительные приборы для изучения физических явлений.

— развивающая: развивать логическое мышление, познавательный интерес, наблюдательность.

— воспитательная: Формировать убеждённость в возможности познания природы, необходимость разумного использования достижений науки для дальнейшего развития человеческого общества, уважения к творцам науки и техники .

Оборудование : Электромагнитная индукция: катушка с гальванометром, магнит, катушка с сердечником, источник тока, реостат, катушка с сердечником по которой течет переменный ток, сплошное и кольцо с прорезью, катушка с лампочкой. Фильм о М.Фарадее.

Тип урока: комбинированный урок

Метод урока: частично-поисковый, объяснительно-иллюстративный

Домашнее задание:

§21(стр.90-93), устно отвечать на вопросы стр.90, тест 11 стр.108

Лабораторная работа

Исследование явления электромагнитной индукции

Цель работы : выяснить

1)при каких условиях в замкнутом контуре (катушке) возникает индукционный ток;

2)от чего зависит направление индукционного тока;

3)от чего зависит сила индукционного тока.

Оборудование : миллиамперметр, катушка, магнит

Ход урока.

Соедините концы катушки с клеммами миллиамперметра.

1. Выясните, что электрический ток (индукционный) в катушке возникает при изменении магнитного поля внутри катушки. Изменения магнитного поля внутри катушки можно вызвать, вдвигая магнит в катушку или удаляя его из неё.

А)Введите магнит южным полюсом в катушку, а затем удалите.

Б) Введите магнит северным полюсом в катушку, а затем удалите.

При движении магнита появился ток (индукционный) в катушке? (При изменении магнитного поля внутри катушки появился индукционный ток?)

2. Выясните, что направление индукционного тока зависит от направления движения магнита относительно катушки (вносят магнит или удаляют) и от того каким полюсом вносят или удаляют магнит.

А)Введите магнит южным полюсом в катушку, а затем удалите. Пронаблюдайте, что происходит со стрелкой миллиамперметра в обоих случаях.

Б) Введите магнит северным полюсом в катушку, а затем удалите. Пронаблюдайте, что происходит со стрелкой миллиамперметра в обоих случаях. Нарисуйте направления отклонения стрелки миллиамперметра:

Полюса магнита

В катушку

Из катушки

Южный полюс

Северный полюс

3. Выясните, что сила индукционного тока зависит от скорости движения магнита (скорости изменения магнитного поля в катушке).

Медленно вводите магнит в катушку. Пронаблюдайте за показаниями миллиамперметра.

Быстро вводите магнит в катушку. Пронаблюдайте за показаниями миллиамперметра.

Вывод.

Ход урока

Дорога к знаниям? Её легко понять. Ответить можно просто: «Вы ошибаетесь и ошибаетесь опять, но меньше, меньше с каждым разом. Я выражаю надежду, что сегодняшний урок будет ещё одним меньше на этой дороге знаний. Наш урок посвящён явлению электромагнитной индукции, которое открыл английский физик Майкл Фарадей 29 августа 1831 года. Редкий случай, когда дата нового замечательного открытия известна так точно!

Явление электромагнитной индукции – явление возникновения электрического тока в замкнутом проводнике (катушке) при изменении внешнего магнитного поля внутри катушки. Ток называется индукционным. Индукция — наведение, получение.

Цель урока: изучить явление электромагнитной индукции, т.е. при каких условиях в замкнутом контуре (катушке) возникает индукционный ток, выяснить от чего зависит направление и величина индукционного тока.

Одновременно с изучением материала будете выполнять лабораторную работу.

В начале 19 века (1820г.) после опытов датского учёного Эрстеда стало ясно, что электрический ток создаёт вокруг себя магнитное поле. Вспомним ещё раз этот опыт. (Ученик рассказывает опыт Эрстеда ). После этого встал вопрос о том, нельзя ли получить ток с помощью магнитного поля, т.е. произвести обратные действия. В первой половине 19 века учёные обратились именно к таким опытам: стали искать возможность создания электрического тока за счёт магнитного поля. М.Фарадей в своём дневнике записал: «Превратить магнетизм в электричество». И шёл к своей цели почти десять лет. Справился с задачей блестяще. Как напоминание о том, над чем ему всё время следует думать, он носил в кармане магнит. Этим уроком мы отдадим дань уважения великому учёному.

Вспомним Майкла Фарадея. Кто же он такой? (Ученик рассказывает о М.Фарадее ).

Сын кузнеца, разносчик газет, переплётчик книг, самоучка, самостоятельно изучивший физику и химию по книгам, лаборант выдающегося химика Деви и наконец учёный, проделал большую работу, проявил изобретательность, настойчивость, упорство пока не получил электрический ток с помощью магнитного поля.

Совершим путешествие в те далёкие времена и воспроизведём опыты Фарадея. Фарадея считают крупнейшим в истории физики экспериментатором.

N S

1) 2)

S N

Магнит вводили в катушку. При движении магнита в катушке регистрировался ток (индукционный). Первая схема была довольно простой. Во-первых, М.Фарадей использовал в опытах катушку с большим числом витков. Катушка была присоединена к прибору миллиамперметру. Нужно сказать, что в те далёкие времена не было достаточно хороших инструментов для измерения электрического тока. Поэтому пользовались необычным техническим решением: брали магнитную стрелку, располагали рядом с ней проводник, по которому протекал ток, и по отклонению магнитной стрелки судили о протекающем токе. Мы будем судить о токе по показаниям миллиамперметра.

Учащиеся воспроизводят опыт, выполняют п.1 в лабораторной работе. Обратили внимание, что стрелка миллиамперметра отклоняется от своего нулевого значения, т.е. показывает, что в цепи появился ток тогда, когда магнит движется. Стоит магниту остановиться, как стрелка возвращается в нулевое положение, т.е.электрического тока в цепи нет. Ток появляется тогда, когда изменяется магнитное поле внутри катушки.

Пришли к тому о чём говорили в начале урока: получили электрический ток с помощью изменяющегося магнитного поля. Это первая заслуга М. Фарадея.

Вторая заслуга М. Фарадея — установил от чего зависит направление индукционного тока. Установим и мы это. Учащиеся выполняют п.2 в лабораторной работе. Обратимся к п.3 лабораторной работы. Выясним, что сила индукционного тока зависит от скорости движения магнита (скорости изменения магнитного поля в катушке).

Какие выводы сделал М.Фарадей?

Электрический ток появляется в замкнутой цепи тогда, когда магнитное поле изменяется (если магнитное поле существует, но не меняется, то тока нет).

Направление индукционного тока зависит от направления движения магнита и его полюсов.

Сила индукционного тока пропорциональна скорости изменения магнитного поля.

Второй эксперимент М.Фарадея:

Взял две катушки на общем сердечнике. Одну подсоединил к миллиамперметру, а вторую с помощью ключа к источнику тока. Как только цепь замыкалась миллиамперметр показывал индукционный ток. Размыкалась тоже показывал ток. Пока цепь замкнута, т.е. в цепи идёт ток, миллиамперметр не показывал ток. Магнитное поле существует, но не меняется.

Рассмотрим современный вариант опытов М.Фарадея. В катушку соединённую с гальванометром вносим и выносим электромагнит, сердечник, включаем и выключаем ток, с помощью реостата меняем силу тока. На сердечник катушки, по которой течёт переменный ток надевают катушку с лампочкой.

Выяснили условия возникновения в замкнутой цепи (катушке) индукционного тока. А что является причиной его возникновения? Вспомним условия существования электрического тока. Это: заряженные частицы и электрическое поле. Дело в том, что изменяющееся магнитное поле порождает в пространстве электрическое поле (вихревое), которое действует на свободные электроны в катушке и приводит их в направленное движение, создавая таким образом индукционный ток.

Изменяется магнитное поле, изменяется количество силовых линий магнитного поля через замкнутый контур. Если вращать рамку в магнитном поле, то в ней появится индукционный ток. Показать модель генератора.

Открытие явления электромагнитной индукции имело огромное значение для развития техники, для создания генераторов, с помощью которых вырабатывается электрическая энергия, которые стоят на энергетических промышленных предприятиях (электростанциях). Демонстрируется фильм о М.Фарадее «От электричества до электрогенераторов» с 12.02 минуты.

На явлении электромагнитной индукции работают трансформаторы, с помощью которых передают электроэнергию без потерь. Демонстрируется линия электропередачи.

Явление электромагнитной индукции используется в работе дефектоскопа, с помощью которого исследуют стальные балки, рельсы (неоднородности в балке искажают магнитное поле и в катушке дефектоскопа возникает индукционный ток).

Хочется вспомнить слова Гельмгольца: «Пока люди будут пользоваться благами электричества, они будут помнить имя Фарадея».

«Да будут святы те, кто в творческом пылу, исследуя весь мир, открыли в нём законы».

Я думаю, что на нашей дороге знаний ошибок стало ещё меньше.

Что нового узнали? (Что ток можно получить с помощью изменяющегося магнитного поля. Выяснили от чего зависит направление и величина индукционного тока).

Чему научились? (Получать индукционный ток с помощью изменяющегося магнитного поля).

Вопросы:

В металлическое кольцо в течении первых двух секунд вдвигают магнит, в течении следующих двух секунд он неподвижен внутри кольца, в течении следующих двух секунд его вынимают. В каких промежутках времени в катушке идёт ток? (От 1-2с; 5-6с).

На магнит надевают кольцо с прорезью и без. В каком возникает индукционный ток? (В замкнутом кольце)

На сердечнике катушки, которая подключена к источнику переменного тока, находится кольцо. Включают ток и кольцо подпрыгивает. Почему?

Оформление доски:

«Превратить магнетизм в электричество»

М.Фарадей

Портрет М.Фарадея

Рисунки опытов М.Фарадея.

Электромагнитная индукция – явление возникновения электрического тока в замкнутом проводнике (катушке) при изменении внешнего магнитного поля внутри катушки.

Этот ток называется индукционным.

Изучением явления электромагнитной индукции занялся вплотную первым Майкл Фарадей. Точнее сказать, он установил и исследовал это явление в поисках способов превратить магнетизм в электричество.

У него на решение такой задачи ушло десять лет, мы же сейчас пользуемся плодами его труда повсеместно, и не представляем себе современную жизнь без применения электромагнитной индукции . В 8 классе, мы уже рассматривали эту тему, в 9 классе это явление рассматривается уже более детально, но вывод формул относится к курсу 10 класса. По этой ссылке вы можете перейти для ознакомления со всеми аспектами данного вопроса.

Явление электромагнитной индукции: рассмотрим опыт

Мы рассмотрим, что представляет собой явление электромагнитной индукции. Можно провести опыт, для которого понадобится гальванометр, постоянный магнит и катушка. 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.

Теперь проделаем похожий 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. Мы 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

Из всего этого следует вывод, что изменение магнитного поля вызывает появление электрического тока в проводнике . Ток этот ничем не отличается от тока, который мы можем получить от батареек, например. Но чтобы указать причину его возникновения, такой ток назвали индукционным.

Во всех случаях у нас менялось магнитное поле, а точнее, магнитный поток через проводник, вследствие чего и возникал ток. Таким образом, можно вывести следующее определение:

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

Направление индукционной силы тока

Автор На чтение 12 мин. Опубликовано 12.12.2019

Причиной электродвижущей силы может стать изменение магнитного поля в окружающем пространстве. Это явление называется электромагнитной индукцией. Величина ЭДС индукции в контуре определяется выражением

где — поток магнитного поля через замкнутую поверхность , ограниченную контуром. Знак «−» перед выражением показывает, что индукционный ток, созданный ЭДС индукции, препятствует изменению магнитного потока в контуре

Индукцио́нный ток — электрический ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции, пронизывающего этот контур. Величина и направление индукционного тока определяются законом электромагнитной индукции и правилом Ленца.

Правило Ленца определяет направление индукционного тока и гласит:

Индукционный ток всегда имеет такое направление, что он ослабляет действие причины, возбуждающей этот ток.

Правило сформулировано в 1833 году Э. Х. Ленцем. Позднее оно было обобщено на все физические явления в работах Ле Шателье (1884 год) и Брауна (1887 год), это обобщение известно как принцип Ле Шателье — Брауна.

Эффектной демонстрацией правила Ленца является опыт Элиу Томсона.

Физическая суть правила

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея при изменении магнитного потока , пронизывающего электрический контур, в нём возбуждается ток, называемый индукционным. Величина электродвижущей силы, ответственной за этот ток, определяется уравнением [1] :

где знак «минус» означает, что ЭДС индукции действует так, что индукционный ток препятствует изменению потока. Этот факт и отражён в правиле Ленца.

Правило Ленца носит обобщённый характер и справедливо в различных физических ситуациях, которые могут отличаться конкретным физическим механизмом возбуждения индукционного тока. Так, если изменение магнитного потока вызвано изменением площади контура (например, за счёт движения одной из сторон прямоугольного контура), то индукционный ток возбуждается силой Лоренца, действующей на электроны перемещаемого проводника в постоянном магнитном поле. Если же изменение магнитного потока связано с изменением величины внешнего магнитного поля, то индукционный ток возбуждается вихревым электрическим полем, появляющимся при изменении магнитного поля. Однако в обоих случаях индукционный ток направлен так, чтобы скомпенсировать изменение потока магнитного поля через контур.

Если внешнее магнитное поле, пронизывающее неподвижный электрический контур, создаётся током, текущим в другом контуре, то индукционный ток может оказаться направлен как в том же направлении, что и внешний, так и в противоположном: это зависит от того, уменьшается или увеличивается внешний ток. Если внешний ток увеличивается, то растёт создаваемое им магнитное поле и его поток, что приводит к появлению индукционного тока, уменьшающего это увеличение. В этом случае индукционный ток направлен в сторону, противоположную основному. В обратном случае, когда внешний ток уменьшается со временем, уменьшение магнитного потока приводит к возбуждению индукционного тока, стремящегося увеличить поток, и этот ток направлен в ту же сторону, что и внешний ток.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Студент – человек, постоянно откладывающий неизбежность. 10624 – | 7341 – или читать все.

Явление электромагнитной индукции

Электромагнитная индукция – явление возникновения тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего его.

Явление электромагнитной индукции было открыто М. 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.

Опыты показали, что индукционный ток возникает только при изменении линий магнитной индукции. Направление тока будет различно при увеличении числа линий и при их уменьшении.

Сила индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока. Может изменяться само поле, или контур может перемещаться в неоднородном магнитном поле.

Объяснения возникновения индукционного тока

Ток в цепи может существовать, когда на свободные заряды действуют сторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура равна ЭДС. Значит, при изменении числа магнитных линий через поверхность, ограниченную контуром, в нем появляется ЭДС, которую называют ЭДС индукции.

Электроны в неподвижном проводнике могут приводиться в движение только электрическим полем. Это электрическое поле порождается изменяющимся во времени магнитным полем. Его называют вихревым электрическим полем. Представление о вихревом электрическом поле было введено в физику великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1861 году.

Свойства вихревого электрического поля:

• источник – переменное магнитное поле;
• обнаруживается по действию на заряд;
• не является потенциальным;
• линии поля замкнутые.

Работа этого поля при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна ЭДС индукции в неподвижном проводнике.

Магнитный поток

Магнитным потоком через площадь ​ ( S ) ​ контура называют скалярную физическую величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции ​ ( B ) ​, площади поверхности ​ ( S ) ​, пронизываемой данным потоком, и косинуса угла ​ ( alpha ) ​ между направлением вектора магнитной индукции и вектора нормали (перпендикуляра к плоскости данной поверхности):

Обозначение – ​ ( Phi ) ​, единица измерения в СИ – вебер (Вб).

Магнитный поток в 1 вебер создается однородным магнитным полем с индукцией 1 Тл через поверхность площадью 1 м 2 , расположенную перпендикулярно вектору магнитной индукции:

Магнитный поток можно наглядно представить как величину, пропорциональную числу магнитных линий, проходящих через данную площадь.

В зависимости от угла ​ ( alpha ) ​ магнитный поток может быть положительным ( ( alpha ) ( alpha ) > 90°). Если ( alpha ) = 90°, то магнитный поток равен 0.

Изменить магнитный поток можно меняя площадь контура, модуль индукции поля или расположение контура в магнитном поле (поворачивая его).

В случае неоднородного магнитного поля и неплоского контура магнитный поток находят как сумму магнитных потоков, пронизывающих площадь каждого из участков, на которые можно разбить данную поверхность.

Закон электромагнитной индукции Фарадея

Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея):

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:

Знак «–» в формуле позволяет учесть направление индукционного тока. Индукционный ток в замкнутом контуре имеет всегда такое направление, чтобы магнитный поток поля, созданного этим током сквозь поверхность, ограниченную контуром, уменьшал бы те изменения поля, которые вызвали появление индукционного тока.

Если контур состоит из ​ ( N ) ​ витков, то ЭДС индукции:

Сила индукционного тока в замкнутом проводящем контуре с сопротивлением ​ ( R ) ​:

При движении проводника длиной ​ ( l ) ​ со скоростью ​ ( v ) ​ в постоянном однородном магнитном поле с индукцией ​ ( vec ) ​ ЭДС электромагнитной индукции равна:

где ​ ( alpha ) ​ – угол между векторами ​ ( vec ) ​ и ( vec ) .

Возникновение ЭДС индукции в движущемся в магнитном поле проводнике объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы.

Движущийся в магнитном поле проводник, по которому протекает индукционный ток, испытывает магнитное торможение. Полная работа силы Лоренца равна нулю.

Количество теплоты в контуре выделяется либо за счет работы внешней силы, которая поддерживает скорость проводника неизменной, либо за счет уменьшения кинетической энергии проводника.

Важно!
Изменение магнитного потока, пронизывающего 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, явления индукции в движущихся и неподвижных проводниках протекают одинаково, но физическая причина возникновения индукционного тока оказывается в этих двух случаях различной:

• 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: индукционный ток, возбуждаемый в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток.

Алгоритм решения задач с использованием правила Ленца:

• 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 физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии.

Самоиндукция

Самоиндукция – это явление возникновения ЭДС индукции в проводнике в результате изменения тока в нем.

При изменении силы тока в катушке происходит изменение магнитного потока, создаваемого этим током. Изменение магнитного потока, пронизывающего катушку, должно вызывать появление ЭДС индукции в катушке.

В соответствии с правилом Ленца ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока при включении и убыванию силы тока при выключении цепи.

Это приводит к тому, что при замыкании цепи, в которой есть источник тока с постоянной ЭДС, сила тока устанавливается через некоторое время.

При отключении источника ток также не прекращается мгновенно. Возникающая при этом ЭДС самоиндукции может превышать ЭДС источника.

Явление самоиндукции можно наблюдать, собрав электрическую цепь из катушки с большой индуктивностью, резистора, двух одинаковых ламп накаливания и источника тока. Резистор должен иметь такое же электрическое сопротивление, как и провод катушки.

Опыт показывает, что при замыкании цепи электрическая лампа, включенная последовательно с катушкой, загорается несколько позже, чем лампа, включенная последовательно с резистором. Нарастанию тока в цепи катушки при замыкании препятствует ЭДС самоиндукции, возникающая при возрастании магнитного потока в катушке.

При отключении источника тока вспыхивают обе лампы. В этом случае ток в цепи поддерживается ЭДС самоиндукции, возникающей при убывании магнитного потока в катушке.

ЭДС самоиндукции ​ ( varepsilon_ ) ​, возникающая в катушке с индуктивностью ​ ( L ) ​, по закону электромагнитной индукции равна:

ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна индуктивности катушки и скорости изменения силы тока в катушке.

Индуктивность

Электрический ток, проходящий по проводнику, создает вокруг него магнитное поле. Магнитный поток ​ ( Phi ) ​ через контур из этого проводника пропорционален модулю индукции ​ ( vec ) ​ магнитного поля внутри контура, а индукция магнитного поля, в свою очередь, пропорциональна силе тока в проводнике.

Следовательно, магнитный поток через контур прямо пропорционален силе тока в контуре:

Индуктивность – коэффициент пропорциональности ​ ( L ) ​ между силой тока ​ ( I ) ​ в контуре и магнитным потоком ​ ( Phi ) ​, создаваемым этим током:

Индуктивность зависит от размеров и формы проводника, от магнитных свойств среды, в которой находится проводник.

Единица индуктивности в СИ – генри (Гн). Индуктивность контура равна 1 генри, если при силе постоянного тока 1 ампер магнитный поток через контур равен 1 вебер:

Можно дать второе определение единицы индуктивности: элемент электрической цепи обладает индуктивностью в 1 Гн, если при равномерном изменении силы тока в цепи на 1 ампер за 1 с в нем возникает ЭДС самоиндукции 1 вольт.

Энергия магнитного поля

При отключении катушки индуктивности от источника тока лампа накаливания, включенная параллельно катушке, дает кратковременную вспышку. Ток в цепи возникает под действием ЭДС самоиндукции.

Источником энергии, выделяющейся при этом в электрической цепи, является магнитное поле катушки.

Для создания тока в контуре с индуктивностью необходимо совершить работу на преодоление ЭДС самоиндукции. Энергия магнитного поля тока вычисляется по формуле:

Основные формулы раздела «Электромагнитная индукция»

Алгоритм решения задач по теме «Электромагнитная индукция»:

1. Внимательно прочитать условие задачи. Установить причины изменения магнитного потока, пронизывающего контур.

2. Записать формулу:

• закона электромагнитной индукции;
• ЭДС индукции в движущемся проводнике, если в задаче рассматривается поступательно движущийся проводник; если в задаче рассматривается электрическая цепь, содержащая источник тока, и возникающая на одном из участков ЭДС индукции, вызванная движением проводника в магнитном поле, то сначала нужно определить величину и направление ЭДС индукции. После этого задача решается по аналогии с задачами на расчет цепи постоянного тока с несколькими источниками.

3. Записать выражение для изменения магнитного потока и подставить в формулу закона электромагнитной индукции.

4. Записать математически все дополнительные условия (чаще всего это формулы закона Ома для полной цепи, силы Ампера или силы Лоренца, формулы кинематики и динамики).

5. Решить полученную систему уравнений относительно искомой величины.

Направление индукционного тока зависит от характера вызвавшего его изменения магнитного потока. Если приближать и удалять магнит относительно разрезанного кольца, то взаимодействия кольца с магнитом не наблюдается, так как в разомкнутой цепи не возникает индукционный ток.

Направление индукционного тока / зависит от характера изменения магнитного потока. Например, из рис. 167 видно, как изменяется направление индукционного тока в приемном контуре в зависимости от того, каким полюсом мы вставляем в него ( или вынимаем из него) постоянный магнит.

ЗАКОН ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

Опыты Фарадея показали, что сила индукционного тока Ii в проводящем контуре прямо пропорциональна скорости изменения числа линий магнитной индукции , пронизывающих поверхность, ограниченную этим контуром.9;i.

По закону Ома для замкнутой цепи

Так как R не зависит от , то

ЭДС индукции совпадает по направлению с индукционным током, а этот ток в соответствии с правилом Ленца направлен так, что созданный им магнитный поток противодействует изменению внешнего магнитного потока.

21.индукционный ток

6.2. Индукционный ток. Индукционный заряд.

Вихревое электрическое поле

Рассмотрим явление электромагнитной индукции, возникающее в короткозамкнутой катушке. Пусть катушка содержит N витков общим сопротивлением R. Если потокосцепление катушки изменяется во времени, то в катушке появляется ЭДС индукции:

.

Сила индукционного тока, возникающего в катушке, равна

.

За время существования в катушке индукционного тока (от момента времени до момента ) по катушке пройдет индуцированный (индукционный) электрический заряд

, (6.4)

где и – значения потокосцепления катушки в начальный и конечный моменты времени наблюдения. Важно, что величина индукционного заряда не зависит от времени наблюдения, а определяется лишь начальным и конечным потокосцеплениями.

Проиллюстрируем этот вывод следующим примером. Пусть потокосцепление катушки дважды меняется от значения до значения с разными постоянными скоростями , а время наблюдения электромагнитной индукции определяется интервалами () и (). Тогда получаем следующий график изменения потокосцепления (рис. 6.7). Зависимость силы индукционного тока от времени в двух случаях, согласно закону электромагнитной индукции, показана на рис. 6.8. Поскольку начальные и конечные значения потокосцеплений одинаковы, то, согласно (6.4), индукционный заряд, прошедший через катушку в двух случаях, один и тот же: . Поскольку величина прошедшего заряда определяется площадью под графиком зависимости силы тока от времени, то заштрихованные на рис. 6.8 площади одинаковы.

Если в проводящем контуре при изменении магнитного потока через него возникает ЭДС, то величина ЭДС определяется суммарной удельной работой сторонних сил по переносу зарядов в контуре. Поскольку электрические заряды могут перемещаться под действием сил со стороны электрического поля, то

. (6.5)

Если закон электромагнитной индукции (6.3) дает отличное от нуля значение , то из этого следует, что возникающее стороннее электрическое поле не потенциально (циркуляция его напряженности по замкнутому контуру отлична от нуля). Следовательно, это электрическое поле не является кулоновским. Каковы его принципиальные отличия от изученного нами ранее электростатического поля?

Во-первых, это электрическое поле создается не электрическими зарядами, а переменным во времени магнитным потоком.

Во-вторых, силовые линии такого поля не являются разомкнутыми. Они замкнуты сами на себя, т.е. рассматриваемое нами электрическое поле является вихревым. Поясним сказанное. Если переменное во времени магнитное поле попадает в сплошную проводящую среду (некоторый проводящий контур), то замкнутые силовые линии возникающего вихревого электрического поля определяют направление движения зарядов в среде, т.е. направление индукционного тока (рис.6.9). Однако возникает вопрос: будет ли наблюдаться явление электромагнитной индукции, если переменное магнитное поле не встречает проводящей среды? “Знает” ли магнитное поле о существовании свободных носителей заряда на своем пути? Очевидно, что в этом случае вихревое электрическое поле также возникает, и его можно зафиксировать, исследовав поведение в пространстве его силовых линий (рис.6.10). В частности, если поместить в пространство проводящий контур, совпадающий с силовыми линиями вихревого поля, то в нем появится индукционный ток.

Это можно пояснить еще одним примером. Рассмотрим взаимное сближение проводящего контура и постоянного магнита (рис.6.11). Если мы связываем рассмотрение с системой отсчета , то наблюдаем движение контура с некоторой скоростью вправо. Тогда свободные электроны кольца движутся в магнитном поле, и дальнейшее появление индукционного тока можно объяснить действием на них силы со стороны магнитного поля (см. п.6.1). Однако если рассмотреть процесс в системе отсчета , связанной с кольцом, то появление индукционного тока нельзя будет связать с действием на электроны магнитных сил, т.к. они неподвижны в этой системе отсчета. Тем не менее, индукционный ток существует в кольце независимо от способа объяснения его появления. Следовательно, поскольку движение электрически заряженных частиц может быть вызвано либо действием на них магнитных сил (которые в системе (xyz) отсутствуют), либо действием электрических сил, то следует предположить возникновение некоторого вихревого электрического поля. Именно его действие на заряды кольца и вызывают появление индукционного тока. Заметим, что такое объяснение годится для любой системы отсчета, следовательно, является универсальным.

Объединим выражения (6.3) и (6.5):

. (6.6)

Фигурирующий в основном законе электромагнитной индукции магнитный поток сквозь ограниченную контуром поверхность может изменяться по ряду причин – благодаря изменению формы контура и его расположения в поле, а также из-за переменности самого поля. Полная производная учитывает все эти причины. В случае неподвижного контура поток может изменяться только при изменении магнитной индукции во всех точках неподвижной поверхности S, натянутой на контур L, с течением времени. В таком случае закон (6.6) записывают в виде

. (6.7)

Направление индукционного тока: правило Ленца и опыт

 

При внесении в катушку магнита в ней возникает индукционный ток. Если к катушке присоединить гальванометр, то можно заметить, что направление тока будет зависеть от того приближаем ли мы магнит или удаляем его.

Магнит будет взаимодействовать с катушкой либо притягиваясь, либо отталкиваясь от нее. Это будет возникать вследствие того, что катушка с проходящим по ней током, будет подобна магниту с двумя полюсами. Направление индуцируемого тока будет определять, где у катушки будет находиться какой из полюсов.

Если приближать к катушке магнит, то в ней будет возникать индукционный ток такого направления, что катушка обязательно будет отталкиваться от магнита. Если мы будет удалять магнит от катушки, то при этом в катушке возникнет такой индукционный ток, что она будет притягиваться к магниту.

Стоит отметить, что не важно каким полюсом мы подносим или убираем магнит, всегда при подносе катушка будет отталкиваться, а при удалении притягиваться. Различие состоит в том, что при приближении магнита к катушке магнитный поток, который будет пронизывать катушку, увеличивается, так как у полюса магнита кучность линий магнитной индукции увеличивается. А при удалении магнита, магнитный поток, пронизывающий катушку, будет уменьшаться.

Узнать направление индукционного тока можно. Для этого существует правило Ленца. Оно основано на законе сохранения. Рассмотрим следующий опыт.

рисунок

Имеется катушка с подключенным к ней гальванометром. К одному и краев катушки начинаем подносить магнит, например, северным полюсом. Количество линий, которые будут пронизывать поверхность каждого витка катушки, будет увеличиваться. Следовательно, будет увеличиваться и значение магнитного потока.

Так как должен выполняться закон сохранения, должно возникнуть магнитное поле, которое будет препятствовать изменению магнитного потока. В нашем случае магнитный поток увеличивался, следовательно, ток должен течь в таком направлении, чтобы линии вектора магнитной индукции, создаваемые катушкой, были направлены в противоположном направлении линиям магнитной индукции, создаваемым магнитом.  

То есть они должны в нашем случае быть направлены вверх. Теперь воспользуемся правилом буравчика. Направляем большой палец правой руки по необходимому нам направлению линий магнитной индукции, то есть — вверх. Тогда остальные пальцы укажут, в какую сторону должен быть направлен индукционный ток. В нашем случае, слева на право.

Аналогичный процесс происходит при удалении магнита. Убираем магнит, магнитный поток уменьшается, следовательно, должно возникнуть поле которое будет увеличивать магнитный поток. То есть поле линии магнитной индукции, которого будут сонаправлены с линиями магнитной индукции, создаваемыми постоянным магнитом. В нашем случае эти лини направлены вниз. Опять пользуемся правилом буравчика и определяем направление индукционного тока.

Нужна помощь в учебе?

Предыдущая тема: Открытие электромагнитной индукции: магнитный поток
Следующая тема:&nbsp&nbsp&nbspЗакон электромагнитной индукции:магнитный поток и электродвижущая сила

Электромагнитная индукция — тригонометрия и генерация однофазного переменного тока для электриков

Электромагнитная индукция — это когда напряжение создается путем пропускания проводника через магнитное поле.

Рисунок 45. Магнитные полюса и индукция

Величину напряжения можно изменять тремя факторами:

1. Размер магнитного поля. Чем больше линий магнитного потока, тем больше линий магнитного потока необходимо для разрезания проводника. Сила потока прямо пропорциональна наведенному напряжению.
2. Активная длина проводника. Активная длина означает часть проводника, которая фактически проходит через поле. Активная длина прямо пропорциональна индуцированному напряжению.
3. Скорость, с которой проводник проходит через поле. Чем быстрее проводник проходит через поле, тем больше индуцируемое напряжение. Скорость прямо пропорциональна наведенному напряжению.

Эти отношения к напряжению можно разбить на следующую формулу: e = βlv.

Где:

e = пиковое напряжение, индуцированное в катушке индуктивности (вольт)

B = напряженность поля между полюсами (тесла)

l = активная длина проводника (метры)

v = скорость проводника через поле (м / сек)

Вот пример.

Проводник с активной длиной 4 метра проходит через поле 5 тесла со скоростью 15 метров в секунду. Определите пиковое напряжение, наведенное на этом проводе.

(4 м) (5 Тл) (15 м / сек) = 300 В пиковое значение

Это безумие! Кто это открыл?

Открытие электромагнитной индукции приписывается Майклу Фарадею, который обнаружил, что когда он пропускает магнитное поле через проводник, течет ток.

Пока существует движение между полем и проводником, может индуцироваться напряжение. Это может означать, что проводник проходит через поле или поле проходит через проводник.

Далее: Генератор

Закон индукции Фарадея: Закон Ленца

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Рассчитайте ЭДС, ток и магнитные поля, используя закон Фарадея.
• Объясните физические результаты Закона Ленца.

Закон Фарадея и Ленца

Эксперименты Фарадея показали, что ЭДС, вызванная изменением магнитного потока, зависит только от нескольких факторов. Во-первых, ЭДС прямо пропорциональна изменению магнитного потока Δ Φ . Во-вторых, ЭДС является наибольшей, когда изменение во времени Δ t наименьшее, то есть ЭДС обратно пропорциональна Δ t . Наконец, если катушка имеет Н витков, будет создана ЭДС, которая в Н в раз больше, чем для одиночной катушки, так что ЭДС прямо пропорциональна Н .Уравнение для ЭДС, вызванной изменением магнитного потока, равно

[латекс] \ text {emf} = — N \ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta t} \\ [/ latex].

Это соотношение известно как закон индукции Фарадея . Обычно единицами измерения ЭДС являются вольты. Знак минус в законе индукции Фарадея очень важен. Минус означает, что ЭДС создает ток I и магнитное поле B, которые препятствуют изменению потока Δ Φ — это известно как закон Ленца . Направление (обозначенное знаком минус) ЭДС настолько важно, что оно было названо законом Ленца в честь русского Генриха Ленца (1804–1865), который, подобно Фарадею и Генри, независимо исследовал аспекты индукции.Фарадей знал о направлении, но Ленц так ясно изложил его, что ему приписывают его открытие. (См. Рисунок 1.)

Рис. 1. (a) Когда стержневой магнит вставляется в катушку, сила магнитного поля в катушке увеличивается. Ток, наведенный в катушке, создает другое поле в направлении, противоположном стержневому магниту, чтобы противодействовать увеличению. Это один из аспектов закона Ленца: индукция препятствует любому изменению потока. (b) и (c) — две другие ситуации. Убедитесь сами, что показанное направление индуцированной катушки B действительно противодействует изменению магнитного потока и что показанное направление тока согласуется с RHR-2.

Стратегия решения проблем закона Ленца

Чтобы использовать закон Ленца для определения направлений индуцированных магнитных полей, токов и ЭДС:

1. Сделайте набросок ситуации для использования при визуализации и записи направлений.
2. Определите направление магнитного поля Б.
3. Определите, увеличивается или уменьшается поток.
4. Теперь определите направление индуцированного магнитного поля B. Оно противодействует изменению магнитного потока, добавляя или вычитая из исходного поля.
5. Используйте RHR-2 для определения направления индуцированного тока I, который отвечает за индуцированное магнитное поле B.
6. Направление (или полярность) наведенной ЭДС теперь будет управлять током в этом направлении и может быть представлено как ток, выходящий из положительной клеммы ЭДС и возвращающийся к ее отрицательной клемме.

Для практики примените эти шаги к ситуациям, показанным на Рисунке 1, и другим, которые являются частью следующего текстового материала.

Применение электромагнитной индукции

Существует множество применений закона индукции Фарадея, которые мы исследуем в этой и других главах. На этом этапе позвольте нам упомянуть несколько, которые связаны с хранением данных и магнитными полями. Очень важное приложение связано с записью аудио и видео на магнитные ленты . Пластиковая лента, покрытая оксидом железа, проходит мимо записывающей головки. Эта записывающая головка представляет собой круглое железное кольцо, вокруг которого намотана катушка с проволокой — электромагнит (рис. 2).Сигнал в виде переменного входного тока от микрофона или камеры поступает на записывающую головку. Эти сигналы (которые являются функцией амплитуды и частоты сигнала) создают переменные магнитные поля на записывающей головке. Когда лента движется мимо записывающей головки, ориентация магнитного поля молекул оксида железа на ленте изменяется, таким образом записывая сигнал. В режиме воспроизведения намагниченная лента проходит мимо другой головки, аналогичной по конструкции записывающей головке. Различная ориентация магнитного поля молекул оксида железа на ленте индуцирует ЭДС в проволочной катушке в воспроизводящей головке.Затем этот сигнал отправляется на громкоговоритель или видеоплеер.

Рис. 2. Головки для записи и воспроизведения, используемые с аудио- и видеомагнитными лентами. (кредит: Стив Юрветсон)

Аналогичные принципы применимы и к жестким дискам компьютеров, но с гораздо большей скоростью. Здесь записи находятся на вращающемся диске с покрытием. Исторически считывающие головки создавались по принципу индукции. Однако входная информация передается в цифровой, а не аналоговой форме — на вращающемся жестком диске записывается серия нулей или единиц.Сегодня большинство считывающих устройств с жестких дисков не работают по принципу индукции, а используют технологию, известную как гигантское магнитосопротивление . (Открытие того факта, что слабые изменения магнитного поля в тонкой пленке из железа и хрома могут приводить к гораздо большим изменениям электрического сопротивления, было одним из первых крупных успехов нанотехнологии.) Еще одно применение индукции можно найти на магнитной полосе на магнитной полосе. на оборотной стороне вашей личной кредитной карты, которая использовалась в продуктовом магазине или в банкомате.Это работает по тому же принципу, что и аудио- или видеопленка, упомянутая в последнем абзаце, в которой голова считывает личную информацию с вашей карты.

Другое применение электромагнитной индукции — это когда электрические сигналы должны передаваться через барьер. Рассмотрим кохлеарный имплант , показанный ниже. Звук улавливается микрофоном на внешней стороне черепа и используется для создания переменного магнитного поля. Ток индуцируется в приемнике, закрепленном в кости под кожей, и передается на электроды во внутреннем ухе.Электромагнитная индукция может использоваться и в других случаях, когда электрические сигналы должны передаваться через различные среды.

Рис. 3. Электромагнитная индукция, используемая при передаче электрического тока через среды. Устройство на голове ребенка индуцирует электрический ток в приемнике, закрепленном в кости под кожей. (кредит: Бьорн Кнетч)

Еще одна современная область исследований, в которой электромагнитная индукция успешно реализуется (и имеет значительный потенциал), — это транскраниальное магнитное моделирование.Множество расстройств, включая депрессию и галлюцинации, можно объяснить нерегулярной локальной электрической активностью в головном мозге. В транскраниальной магнитной стимуляции быстро меняющееся и очень локализованное магнитное поле помещается рядом с определенными участками, идентифицированными в головном мозге. В идентифицированных участках индуцируются слабые электрические токи, которые могут привести к восстановлению электрических функций в тканях мозга.

Апноэ сна («остановка дыхания») поражает как взрослых, так и младенцев (особенно недоношенных детей, и это может быть причиной внезапной детской смерти [SID]).У таких людей дыхание может многократно останавливаться во время сна. Прекращение действия более чем на 20 секунд может быть очень опасным. Инсульт, сердечная недостаточность и усталость — вот лишь некоторые из возможных последствий для человека, страдающего апноэ во сне. У младенцев проблема заключается в задержке дыхания на это более длительное время. В одном из типов мониторов, предупреждающих родителей о том, что ребенок не дышит, используется электромагнитная индукция. В проводе, обмотанном вокруг груди младенца, проходит переменный ток. Расширение и сжатие грудной клетки младенца во время дыхания изменяет площадь спирали.В расположенной рядом катушке датчика индуцируется переменный ток из-за изменения магнитного поля исходного провода. Если ребенок перестанет дышать, наведенный ток изменится, и родители могут быть предупреждены.

Установление соединений: сохранение энергии

Закон Ленца — это проявление сохранения энергии. Индуцированная ЭДС создает ток, который противодействует изменению потока, потому что изменение потока означает изменение энергии.Энергия может входить или уходить, но не мгновенно. Закон Ленца — следствие. Когда изменение начинается, закон гласит, что индукция противодействует и, таким образом, замедляет изменение. Фактически, если бы индуцированная ЭДС была в том же направлении, что и изменение потока, была бы положительная обратная связь, которая не давала бы нам бесплатную энергию из любого видимого источника — закон сохранения энергии был бы нарушен.

Пример 1. Расчет ЭДС: насколько велика наведенная ЭДС?

Рассчитайте величину наведенной ЭДС, когда магнит, изображенный на Рисунке 1 (а), вдавливается в катушку, учитывая следующую информацию: одноконтурная катушка имеет радиус 6.00 см, а среднее значение B cos θ (это дано, поскольку поле стержневого магнита сложное) увеличивается с 0,0500 Тл до 0,250 Тл за 0,100 с.

Стратегия

Чтобы найти величину ЭДС , мы используем закон индукции Фарадея, как указано в [latex] \ text {emf} = — N \ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta t} \\ [/ latex], но без знака минус, указывающего направление:

[латекс] \ text {emf} = N \ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta t} \\ [/ latex].

Решение

Нам дано, что N = 1 и Δ t = 0.100 с, но мы должны определить изменение потока Δ Φ , прежде чем мы сможем найти ЭДС. Поскольку площадь петли фиксирована, мы видим, что

ΔΦ = Δ ( BA cos θ ) = AΔ ( B cos θ ).

Теперь Δ ( B cos θ ) = 0,200 Тл, поскольку было задано, что B cos θ изменяется от 0,0500 до 0,250 Тл. Площадь контура A = πr2 = (3,14…) ( 0,060 м) ² = 1,13 × 10 ⁻² м ² .{2} \ right) \ left (0.200 \ text {T} \ right)} {0.100 \ text {s}} = 22.6 \ text {mV} \\ [/ latex].

Обсуждение

Хотя это напряжение легко измерить, его явно недостаточно для большинства практических приложений. Больше петель в катушке, более сильный магнит и более быстрое движение делают индукцию практическим источником напряжения, которым она и является.

Исследования PhET: Электромагнитная лаборатория Фарадея

Поиграйте с стержневым магнитом и катушками, чтобы узнать о законе Фарадея.Поднесите стержневой магнит к одной или двум катушкам, чтобы лампочка загорелась. Просмотрите силовые линии магнитного поля. Измеритель показывает направление и величину тока. Просмотрите силовые линии магнитного поля или используйте измеритель, чтобы показать направление и величину тока. Вы также можете играть с электромагнитами, генераторами и трансформаторами!

Щелкните, чтобы загрузить симуляцию. Запускать на Java.

Сводка раздела

Концептуальные вопросы

1. Человек, работающий с большими магнитами, иногда помещает голову в сильное поле.Она сообщает, что у нее кружится голова, когда она быстро поворачивает голову. Как это может быть связано с индукцией?
2. Ускоритель частиц отправляет заряженные частицы с высокой скоростью по откачанной трубе. Объясните, как катушка с проволокой, намотанная вокруг трубы, может обнаруживать прохождение отдельных частиц. Нарисуйте график выходного напряжения катушки при прохождении через нее одиночной частицы.

Задачи и упражнения

1. Как показано на Рисунке 5 (а), каково направление тока, индуцируемого в катушке 2: (а) Если ток в катушке 1 увеличивается? (b) Если ток в катушке 1 уменьшается? (c) Если ток в катушке 1 постоянный? Ясно покажите, как вы следуете шагам из приведенной выше стратегии решения проблем для закона Ленца .

Рис. 5. (a) Катушки лежат в одной плоскости. (б) Проволока находится в плоскости катушки.

2. Как показано на Рисунке 5 (b), в каком направлении индуцируется ток в катушке: (a) Если ток в проводе увеличивается? (б) Если ток в проводе уменьшится? (c) Если ток в проводе внезапно меняет направление? Ясно покажите, как вы следуете шагам из приведенной выше стратегии решения проблем для закона Ленца .

3. Как показано на Рисунке 6, каковы направления токов в катушках 1, 2 и 3 (предположим, что катушки лежат в плоскости цепи): (a) Когда переключатель в первый раз замкнут? (б) Когда выключатель был замкнут в течение длительного времени? (c) Сразу после размыкания переключателя?

Рисунок 6.

4. Повторите предыдущую проблему с перевернутой батареей.

5. Убедитесь, что единицами измерения Δ Φ / Δ t являются вольты. То есть показать, что 1 Тл м ² / с = 1 В.

6. Предположим, что 50-витковая катушка лежит в плоскости страницы в однородном магнитном поле, направленном внутрь страницы. Змеевик изначально имел площадь 0,250 м ² . Он растягивается, чтобы не было площади за 0,100 с. Каковы направление и величина наведенной ЭДС, если однородное магнитное поле имеет напряженность 1.50 т?

7. (a) Техник МРТ перемещает свою руку из области очень низкой напряженности магнитного поля в поле 2,00 Тл сканера МРТ, указывая пальцами в направлении поля. Найдите среднюю ЭДС, индуцированную в его обручальном кольце, учитывая его диаметр 2,20 см и предполагая, что для его перемещения в поле требуется 0,250 с. (б) Обсудите, может ли этот ток существенно изменить температуру кольца.

8. Integrated Concepts Ссылаясь на ситуацию в предыдущей задаче: (a) Какой ток индуцируется в кольце, если его сопротивление равно 0.0100 Ом? (б) Какая средняя мощность рассеивается? (c) Какое магнитное поле индуцируется в центре кольца? (d) Каково направление индуцированного магнитного поля относительно поля МРТ?

9. ЭДС индуцируется вращением катушки с 1000 витками диаметром 20,0 см в магнитном поле Земли 5,00 × 10 ⁻⁵ Тл. Какая средняя ЭДС индуцируется, если плоскость катушки изначально перпендикулярна полю Земли и повернута параллельно полю за 10,0 мс?

10.Катушка с 500 витками радиусом 0,250 м поворачивается на одну четверть оборота за 4,17 мс, первоначально ее плоскость перпендикулярна однородному магнитному полю. (Это 60 об / с.) Найдите напряженность магнитного поля, необходимую для индукции средней ЭДС 10 000 В.

11. Integrated Concepts Примерно как ЭДС, наведенная в петле на рисунке 5 (b), зависит от расстояния центра петли от провода?

12. Integrated Concepts (a) Молния создает быстро меняющееся магнитное поле.Если болт ударяется о землю вертикально и действует как ток в длинном прямом проводе, он вызывает напряжение в петле, выровненной, как показано на рисунке 5 (b). Какое напряжение индуцируется в петле диаметром 50,0 м 1,00 м от удара молнии 2,00 × 10 6 , если ток падает до нуля за 25,0 мкс? (b) Обсудите обстоятельства, при которых такое напряжение может привести к заметным последствиям.

Глоссарий

Закон индукции Фарадея:

средство вычисления ЭДС в катушке из-за изменения магнитного потока, заданное как [latex] \ text {emf} = — N \ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta t} \\ [/ latex]

Закон Ленца:

знак минус в законе Фарадея, означающий, что ЭДС, индуцированная в катушке, противодействует изменению магнитного потока.

Избранные решения проблем и упражнения

1.(a) CCW (b) CW (c) Нет наведенного тока

3. (a) 1 против часовой стрелки, 2 против часовой стрелки, 3 по часовой стрелке (b) 1, 2 и 3 без тока индуцированного (c) 1 CW, 2 CW, 3 CCW

7. (a) 3,04 мВ (b) В качестве нижнего предела для кольца оценим R = 1,00 мОм. Передаваемое тепло составит 2,31 мДж. Это небольшое количество тепла.

9. 0,157 В

11. пропорционально [латексу] \ frac {1} {r} \\ [/ latex]

Индуцированный потенциал и эффект генератора — Индуцированный потенциал и трансформаторы — Eduqas — Редакция GCSE Physics (Single Science) — Eduqas

Для протекания электрического тока в цепи требуется разность потенциалов или напряжение.

Создание разности потенциалов

Разность потенциалов может индуцироваться (создаваться) в проводнике при движении между проводником и магнитным полем. Это может происходить двумя разными способами:

• катушка провода перемещается в магнитном поле
• магнит перемещается в катушку провода

Это называется электромагнитной индукцией и часто упоминается как эффект генератора.

Индуцированное напряжение создает индуцированный ток, если проводник включен в полную цепь.Как и все токи, индуцированный ток создает вокруг себя магнитное поле. Обратите внимание, что это магнитное поле противодействует первоначальному изменению. Например, если магнит помещается в катушку с проволокой, индуцированное магнитное поле имеет тенденцию отталкивать магнит обратно из катушки. Этот эффект возникает независимо от того, перемещается ли магнит в катушку или катушка перемещается вокруг магнита.

Факторы, влияющие на наведенный потенциал

Направление наведенной разности потенциалов или наведенного тока зависит от направления движения.Ток меняется на противоположный, когда:

• магнит перемещается из катушки
• другой полюс магнита перемещается в катушку

Изображения иллюстрируют, как это работает.

1. Стержневой магнит находится снаружи катушки с проволокой, подключенной к амперметру, показывающему отсутствие тока

2. Магнит перемещается в катушку с проволокой, и амперметр регистрирует положительный ток.

3. Магнит неподвижен внутри катушки провод. Нет тока

4.Магнит выходит из катушки с проволокой, и амперметр регистрирует отрицательный ток.

Индуцированная разность потенциалов или индуцированный ток увеличиваются, если:

• скорость движения увеличивается
• увеличивается напряженность магнитного поля
• число количество витков на катушке увеличено

Электромагнитная индукция

Электромагнитная индукция

---

ВСЕ ТАБЛИЦЫ НА ОДНОЙ СТРАНИЦЕ ДЛЯ ЛЕГКОЙ ПЕЧАТИ

ОСОБЫЕ ЗАДАЧИ

Чтобы понять закон индукции Фарадея, закон Ленца и правило правой руки с помощью простых экспериментов.

ОБОРУДОВАНИЕ

Гальванометр, постоянный стержневой магнит, компас, две катушки соленоида (грубая и мелкая), железный стержень, алюминиевый стержень и аккумулятор.

ИСТОРИЯ

Провод, по которому проходит электрический ток, создает магнитное поле вокруг провод. Если провод свернут в спираль, называемую соленоидом, тогда магнитное поле напоминает магнитное поле стержневого магнита. Один из концов соленоида будет вести себя как северный (ищущий) полюс. стержневого магнита, а другой конец будет вести себя как южный полюс.Полярность зависит от направления тока и задается

ПРАВИЛО ПРАВОЙ РУКИ — Если взять катушку правой рукой так, чтобы пальцы указывают в направлении тока, большой палец указывает ближе к концу, который ведет себя как северный полюс. Противоположный конец ведет себя как Южный полюс.

EMF — Electro-Motive Force — старое название создаваемого напряжения не батареей, а изменяющимся магнитным полем. ЭДС может подтолкнуть электронов в проводнике, так как напряжение батареи может подтолкнуть электроны через провод.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ — Всякий раз, когда проводник находится в изменяющемся магнитное поле, в нем есть наведенная ЭДС. Если проводящий путь — это замкнутая цепь, ток будет течь. Величина тока зависит от от ЭДС (напряжения) и сопротивления цепи (помните закон Ома). В направление тока совпадает с направлением наведенной ЭДС.

ЗАКОН ИНДУКЦИИ ФАРАДА для ЭДС, индуцированной в проводящей петле, имеет вид

ЭДС = — N d / dt то есть величина наведенной ЭДС зависит от количества витков провода N в петле и от скорости изменения магнитного поток, который является продуктом магнитное поле В, и площадь петли.Поток может измениться так как

1. магнитное поле меняется — B увеличивается или уменьшается
2. Площадь петли меняется — меняется форма
3. ориентация контура относительно направления магнитного поля меняется.

Направление наведенной ЭДС задается законом Ленца.

ЗАКОН ЛЕНЦА — всякий раз, когда ток течет в результате наведенной ЭДС, его направление таково, чтобы установить магнитный поток, противодействующий изменение условий возникновения наведенной ЭДС.Индуцированный ток стремится поддерживать постоянный поток через контур.

ГАЛЬВАНОМЕТР — очень чувствительный датчик тока, который может считывать ток, проходящий через него в любом направлении. Игла кончит по направлению к входящему току. (Представьте себе флюгер, указывающий на ветер.)

FERROMAGNETIC — описывает вещество, обладающее сильным магнитным эффекты. Образец будет привлечен либо к северному, либо к южному полюсу. магнита.

ПРОЦЕДУРА

1. Обратите внимание на полярность стержневого магнита. Наблюдайте за эффектом планки магнит на компасе. Стрелка компаса указывает на или от северного полюса стержневого магнита?
2. Предусмотрены две катушки соленоида: первичная с несколькими витками грубая проволока, а вторичная — с большим количеством витков тонкой проволоки.
3. Обратите внимание на направление намотки первичной обмотки. Раньше на самом деле попробовав, спрогнозируй, используя правило правой руки, как должна быть батарея подключен к первичной обмотке для создания северного полюса на узком конце.Проверять ваше предсказание с компасом. Поменяйте ориентацию батареи и убедитесь, что южный полюс создается на узком конце первичной обмотки.
4. Подсоедините вторичную катушку к гальванометру.
5. Обратите внимание на направление намотки вторичной обмотки. Раньше на самом деле проводя эти эксперименты, с помощью закона Ленца вывести направление, в котором стрелка гальванометра отклонится.
6. Результаты экспериментов в этой лаборатории являются качественными, а не количественными.Вы запишите направление тока через гальванометр. (вправо или влево) и относительная величина отклонения гальванометра индикатор (большой или маленький).
7. Следующие инструкции кратко изложены в таблицы, в которых используются следующие сокращения
   • НП — северный полюс
   • SP — южный полюс
   • M — магнит
   • П — первичный соленоид
   • S — вторичный соленоид
   
   
8. Быстро переместите северный полюс магнита во вторичную обмотку и обратите внимание направление и размер прогиба.Быстро уберите северный полюс от вторичной обмотки и отметьте направление и величину отклонения.
9. Медленно переместите северный полюс магнита во вторичную обмотку и обратите внимание направление и размер прогиба. Медленно удалите северный полюс от вторичной обмотки и отметьте направление и величину отклонения.
10. Быстро переместите южный полюс магнита во вторичную обмотку и обратите внимание направление и размер прогиба. Быстро уберите южный полюс от вторичной обмотки и отметьте направление и величину отклонения.
11. Медленно переместите южный полюс магнита во вторичную обмотку и обратите внимание направление и размер прогиба. Медленно снимите южный полюс от вторичной обмотки и отметьте направление и величину отклонения.
12. Обратите внимание, показывает ли гальванометр отклонение, когда северный полюс Магнит находится внутри вторичной обмотки, но не движется относительно нее.
13. Нарисуйте большую четкую схему для обозначения ваших экспериментов. Включите полярность и направление движения магнита, в каком смысле вторичная обмотка намотана, и направление индуцированного тока в вторичный.Одной диаграммы может быть достаточно, если она достаточно общая.
14. Объясните свои результаты, используя закон Ленца. Обобщайте как можно больше чтобы не перечислять каждый отдельный случай отдельно.

    ---

    
    
15. Поместите первичную обмотку полностью внутрь вторичной. Используйте закон Ленца, чтобы предсказать результаты следующих экспериментов. Подключите аккумулятор к первичный, так что северный полюс создается на узком конце начальный. Обратите внимание на направление и размер отклонения. Отключите аккумулятор и отметьте направление и размер отклонения.
16. Подключите батарею к первичной обмотке так, чтобы южный полюс был узкий конец первичной обмотки. Обратите внимание на направление и размер прогиб. Отсоедините аккумулятор и обратите внимание на направление и размер прогиб.
17. Обратите внимание на отклонение, когда батарея подключена к первичной и цепь не замыкается или не размыкается, то есть когда ток через первичный постоянный.
18. Соответствуют ли ваши экспериментальные результаты с использованием первичного результаты использования стержневого магнита? Объяснять.
19. Поместите алюминиевый стержень (более легкий из двух) внутрь первичной обмотки. который все еще находится внутри вторичного. Алюминий — хороший проводник электричества, но это не ферромагнетик. Подключите аккумулятор к первичный, так что северный полюс создается на узком конце начальный. Обратите внимание на направление и размер отклонения. Отключите аккумулятор и отметьте направление и размер отклонения.
20. Подключите батарею к первичной обмотке так, чтобы южный полюс был узкий конец первичной обмотки.Обратите внимание на направление и размер прогиб. Отсоедините аккумулятор и обратите внимание на направление и размер прогиб.
21. Есть ли экспериментально измеряемая разница между заполненными воздухом первичный и первичный заполненный алюминием?
22. Поместите железный стержень (более тяжелый из двух) внутрь первичной обмотки. который все еще находится внутри вторичного. Железо — посредственный проводник электричества, и это ферромагнетик. Подключите аккумулятор к первичный, так что северный полюс создается на узком конце начальный.Обратите внимание на направление и размер отклонения. Отключите аккумулятор и отметьте направление и размер отклонения.
23. Подключите батарею к первичной обмотке так, чтобы южный полюс был узкий конец первичной обмотки. Обратите внимание на направление и размер прогиб. Отсоедините аккумулятор и обратите внимание на направление и размер прогиб.
24. Есть ли экспериментально измеряемая разница между заполненными воздухом первичная и железная первичная?
25. Найдите в Справочнике CRC по химии и физике магнитный восприимчивость алюминия и любых соединений железа.Как вы думаете, что представляет собой это число?
26. Нарисуйте большую четкую схему для обозначения ваших экспериментов. Включите направление намотки первичной обмотки, направление приложения ток через первичную обмотку, в том смысле, в котором вторичная обмотка рана и направление индуцированного тока во вторичной обмотке. А может быть достаточно одной диаграммы, если она достаточно общая.
27. Объясните свои результаты, используя закон Ленца.

    ---

    
    
28. Снимите первичную обмотку с неповрежденным железным сердечником из вторичной обмотки и поместите два соленоида на стол так, чтобы первичный клапан был перпендикулярен середина средней школы.Подключите аккумулятор к первичной цепи так, чтобы северный полюс создается на узком конце первичной обмотки. Обратите внимание на направление и размер прогиба. Отсоедините аккумулятор и обратите внимание на направление и размер прогиба.
29. Объясните свои результаты, используя закон Ленца.

Не забывайте свои два случайных и два систематических источника ошибок.

---

Назад к руководству по электричеству и магнетизму

Индуцированный ток> Лаборатория поддержки лекций по физике и астрономии> USC Dana and David Dornsife College of Letters, Arts and Sciences

EM.2 (1) — Эксперимент Фарадея по электромагнитной индукции

В этой демонстрации используются индукционная катушка и лекционный гальванометр. Погруженный в катушку стержневой магнит создает в катушке электрический ток, который отображается на гальванометре. Когда магнит удаляется, возникает ток в противоположном направлении. Прогиб стрелки гальванометра хорошо виден всем классом.

Эксперимент Фарадея теперь проводится с одной петлей вместо катушки с проволокой.Прогиб гальванометра в этом случае намного меньше. Это также можно сделать с увеличивающимся числом петель, чтобы показать его зависимость от числа петель.

Верх

EM.2 (2) — Индукционные рельсы

К лекционному гальванометру подключаются две токопроводящие шины. Рельсы размещены вокруг магнитного поля большого подковообразного магнита. Когда проводник быстро скользит по рельсам, разрезая магнитное поле, индуцируется ЭДС.На индуцированную ЭДС указывает отклонение стрелки гальванометра. Переместите стержень в противоположном направлении, и стрелка гальванометра отклонится в противоположном направлении. Индуцированный ток направлен в таком направлении, чтобы создать магнитный поток, который противодействует изменению магнитного поля, вызванному скольжением проводника.

Верх

EM.2 (3) — Катушки с токовой связью

Две индукционные катушки соединены длинными проводами и расположены далеко друг от друга в аудитории.Рядом с ними расположены высокие стойки, так что стержневые магниты на пружинах колеблются в них. Когда один магнит настроен на колебание, индуцированный ток заставляет колебаться и другой.

Верх

EM.2 (4) — Индуцированный ток — две катушки

Одна индукционная катушка подключена к лекционным гальванометрам, как в EM.2 (2), а другая — к источнику питания постоянного тока и переключателю. Одна катушка установлена ​​поверх другой, но они не подключены.Включите блок питания. Когда переключатель разомкнут или замкнут, ток, индуцированный в другой катушке, будет отображаться на гальванометре.

Железный сердечник, установленный через обе катушки, усилит эффект.

Верх

EM.2 (5) — Эксперимент с прыгающим кольцом

Индукционная катушка с очень длинным железным сердечником поддерживается вертикально, при этом часть стального сердечника выдвигается вверх. Сплошное металлическое кольцо установлено вокруг железного сердечника над катушкой.Индукционная катушка подключена к источнику переменного тока. Когда на катушку подается переменный ток, металлическое кольцо подбрасывается вверх в воздух. Попробуйте с разрезным кольцом, и ничего не произойдет.

Ток, наведенный в металлическом кольце, создает магнитное поле, которое противодействует полю, создаваемому индукционной катушкой.

Нажмите здесь, чтобы посмотреть видео этой демонстрации.

Верх

EM.2 (6) — Погружная лампа

Используется та же установка, что и EM.2 (5), но теперь с опущенным железным сердечником, так что стакан может быть помещен поверх змеевика. Внутри стакана находится небольшой моток проволоки с небольшой лампочкой посередине. Когда на индукционную катушку подаётся переменная ЭДС, загорается фонарик. Наполните стакан водой, и он снова загорится при подаче переменного тока ЭДС.

Верх

EM.2 (7) — Магнитный фонарик

При встряхивании фонарика в течение 1 минуты будет светиться 1-2 часа. Внутри него две катушки, которые могут легко увидеть наблюдатели. Эта демонстрация демонстрирует принципы закона Ленца.

Верх

EM.2 (8) — Электромагнитное демпфирование

Индукционная катушка укладывается на бок и поддерживается так, чтобы стальной сердечник располагался горизонтально.Железный сердечник может выступать из катушки примерно на половину своей длины. Опорный стержень, прикрепленный к торцевой пластине индукционной катушки, удерживает медное или алюминиевое кольцо на сердечнике магнита с помощью шнура. Кольцо свободно висит вокруг сердечника. Катушка подключается к батарее 6 В или источнику постоянного тока через переключатель. Быстро замкните выключатель. Кольцо внезапно вытолкнется наружу, а затем медленно вернется в вертикальное положение без колебаний. Откройте переключатель, и кольцо сначала повернется к катушке, а затем начнет колебаться в своем свободном положении.

Когда переключатель замкнут, ток, наведенный в кольце, создает противоположное поле, которое, взаимодействуя с полем, создаваемым током в индукционной катушке, замедляет движение кольца. Энергия, передаваемая движением кольца, поглощается индуцированным током в кольце, таким образом обеспечивая превосходную демонстрацию электромагнитного затухания. Когда переключатель разомкнут, магнитное поле практически отсутствует и затухание не происходит.

Генератор с ручным заводом, подключенный к электрической лампочке, также является полезной демонстрацией закона Ленца, поскольку доброволец может проверить, что намного легче повернуть, когда в цепи нет нагрузки, т.е.е. когда лампочка отключена.

Верх

EM.2 (9) — Индукционная искровая катушка

Этот эксперимент демонстрирует электромагнитную индукцию: повторяющиеся обрывы первичного тока вызывают импульсы высокого напряжения на вторичных выводах. Это визуально наблюдается по возникающим искрам между этими выводами (расположенными наверху индукционной катушки). Аппарат подключен к источнику постоянного тока (напряжение ~ 7В, ток ~ 2А).

Включите прибор, убедившись, что вибратор расположен далеко от основного вывода. Медленно поверните ручку, чтобы переместить вибратор в сторону вывода, пока первый не начнет вибрировать и искры не начнут прыгать по вторичным выводам.

Верх

EM.2 (10) — Индукционная трубка

Цель этого эксперимента — продемонстрировать реализацию индукционного тока. К усилителю подключается трубка длиной примерно три фута с одинаково расположенными, плотно связанными катушками.Каждый набор катушек подключается к предыдущему набору, в конце концов, сходясь к месту подключения выводов. Индуцированный ток, собранный с катушек, передается от места подключения выводов к усилителю, где сигнал проявляется на слух через три пятидюймовых динамика. Сигнал может быть довольно низким, поэтому рекомендуется установить усилитель на максимальную громкость.

Нажмите здесь, чтобы посмотреть видео этой демонстрации.

Верх

EM.2 (11) — Петля индукционного проводника

Цель этого эксперимента — показать, что напряжение (следовательно, ток) будет индуцироваться вокруг контура, когда магнитный поток, проходящий через контур, изменяется со временем. Величина наведенного напряжения зависит от количества витков в проводящей петле. В этом эксперименте есть три варианта. Чтобы увидеть изменение наведенного напряжения, воспользуемся проекционным измерителем. Чтобы максимизировать отклонение вольтметра, перемещайте петлю рукой вместо встроенного двигателя.(ПРИМЕЧАНИЕ: индуцированное напряжение вызывает небольшое отклонение вольтметра, чтобы произвести впечатление на учащегося, вы можете переключиться в режим тока, который максимизирует отклонение проекционного измерителя).

Нажмите здесь, чтобы посмотреть видео этой демонстрации.

Верх

EM.2 (12) — Радиомодуль с двумя катушками индуктивности

В этом эксперименте используются два набора туго намотанных катушек. Цель этого эксперимента — показать, как ток / напряжение могут передаваться от приемника к динамику с помощью магнитной индукции.Установка состоит из приемника, подключенного к DVD-плееру, который обеспечивает передачу музыки. Приемник подключен к одному набору катушек, набору A, который обеспечивает зависящее от времени магнитное поле, необходимое для возникновения магнитной индукции. Второй набор катушек, набор B, подключен к пятидюймовому динамику, через который будет записываться выходной сигнал DVD-плеера. По мере приближения наборов A и B друг к другу магнитный поток будет увеличиваться в наборе B, тем самым увеличивая силу выходного сигнала, громкость.Изменение выходного сигнала относительно расстояния между наборами A и B может быть проанализировано вместе с эффектом вращения. Относительное вращение между наборами A и B изменит выходную мощность таким образом, что при 90 градусах магнитный поток в наборе B будет равен нулю, т.е. отсутствует выходной сигнал.

Нажмите здесь, чтобы посмотреть видео этой демонстрации.

Верх

EM.2 (13) — Динамик для бумажных стаканчиков

Динамик — это устройство, преобразующее электронный сигнал в звук.В этой демонстрации электронный сигнал преобразуется в переменный ток и проходит через провод от источника сигнала. Токовая петля из проволоки индуцирует магнитное поле, перпендикулярное проволочной петле. Это небольшое магнитное поле взаимодействует с большим магнитным полем, создаваемым при вставке большого постоянного магнита в чашку динамика. Магнитный поток создает в среде возмущение, колебания, которые генерируют звук, который мы слышим из-за присутствия воздуха.

Нажмите здесь, чтобы посмотреть видео этой демонстрации.

Top

Демонстрационное оборудование

Набор индукционной первичной вторичной катушки (Science First item # 10-140) Аккумулятор 4,5 В Гальвонометр Переключатель Зажимы для Алигатора (4) Скрепки

Студенты могут задаться вопросом, как работают трансформаторы и генераторы. Здесь описана потенциальная лаборатория или демонстрация принципа электромагнитной индукции Фарадея.Поскольку медные катушки (называемые петлей) содержат изменяющийся электрический заряд, объект, помещенный в электрическое поле, станет заряженным (намагниченным). Когда стержень вставляется и выходит из катушек, магнитное поле вокруг катушки заменены. Это, в свою очередь, заставляет электроны (ток) в катушка двигаться. Это можно наблюдать по чередующемуся (+) и (-) движениям. на гальванометре. Альтернативно или дополнительно устройство можно переконфигурировать так, чтобы электрический ток, генерируемый батареей, проходил через катушку.Стержень обеспечивает направление тока и стабилизирует его. Кроме того, стержень намагничивается, и его можно использовать для захвата небольших металлических предметов, например скрепок. Справочная информация: Закон индукции Фарадея Прописью: Индуцированная ЭДС (напряжение или разность потенциалов) вокруг замкнутого контура равна мгновенной скорости изменения (производной) магнитного потока через контур. В форме уравнения: Есть три способа изменить магнитный поток через петлю: Изменение напряженности магнитного поля (увеличение, уменьшение) по площади поверхности Изменить площадь петли (увеличить за счет расширения петли, уменьшить за счет сжатия петли) Измените угол между поверхностью, определяемой петлей, и вектором магнитного поля.Помните, что поток — это интеграл скалярного произведения между B и dA . Следовательно, изменение угла либо увеличивает, либо уменьшает поток, потому что скалярное произведение зависит от синуса угла между векторами B и dA . Так работает генератор. Генератор вращает петлю (на самом деле несколько витков) провода через фиксированное магнитное поле и индуцирует напряжение вокруг петли, быстро изменяя поток через петлю при ее вращении.Это индуцированное напряжение вокруг контуров заставляет ток течь через провод, и это выходной ток генератора. Знак минус указывает, что индуцированное напряжение направлено в направлении, которое создает ток, противодействующий изменению магнитного потока в контуре. Это соотношение зафиксировано в Законе Ленца. Закон Ленца : Индуцированный ток в проволочной петле будет в направлении, противоположном изменению потока через петлю.Другими словами, если поток через контур увеличивается, то индуцированный ток создаст свой собственный поток, который будет пытаться компенсировать увеличение потока. Если поток через петлю уменьшается, то индуцированный ток будет в направлении, которое пытается увеличить поток через петлю.

Процедура : Соберите материалы Подключите первичную (большую) катушку к гальванометру с помощью алигатора. зажимы Вводите стержень в катушку и из нее и наблюдайте за перемещением гальванометра в направлении движения Измените конфигурацию проводов и зажимов так, чтобы батарея замыкала цепь с большой катушкой. Продемонстрируйте, что стержень, помещенный в катушку, теперь намагничен и может захватывать скрепки, тактические скрепки и скобы. Используйте то же расположение с батареей, на этот раз используя катушку меньшего диаметра. Обратите внимание, что с большим количеством витков катушка меньшего диаметра будет производить более сильный магнетизм, чем катушка большего размера. Стержень в меньшей катушке захватит больше зажимов. Записать результаты в таблицу данных Попросите учащихся ответить на вопросы Проведите мозговой штурм «реальных» приложений электромагнитных индукционный

Что это такое и как это работает

Главная> Индукционный нагрев> Что такое индукционный нагрев

Индукционный нагрев — это процесс, который используется для склеивания, упрочнения или размягчения металлов или других проводящих материалов.Для многих современных производственных процессов индукционный нагрев предлагает привлекательное сочетание скорости, стабильности и контроля.

Основные принципы индукционного нагрева были изучены и применялись в производстве с 1920-х годов. Во время Второй мировой войны технология быстро развивалась, чтобы удовлетворить насущные потребности военного времени в быстром и надежном процессе упрочнения металлических деталей двигателя. В последнее время акцент на бережливых производственных технологиях и упор на улучшенный контроль качества привели к новому открытию индукционной технологии, наряду с разработкой полностью контролируемых твердотельных индукционных источников питания.

В чем уникальность этого метода нагрева? В наиболее распространенных методах нагрева к металлической части непосредственно прикладывают горелку или открытое пламя. Но при индукционном нагреве тепло фактически «индуцируется» внутри самой детали за счет циркулирующих электрических токов.

Индукционный нагрев основан на уникальных характеристиках радиочастотной (РЧ) энергии — той части электромагнитного спектра, которая ниже инфракрасной и микроволновой энергии. Поскольку тепло передается продукту посредством электромагнитных волн, деталь никогда не вступает в прямой контакт с каким-либо пламенем, сам индуктор не нагревается (см. Рисунок 1), и продукт не загрязняется.При правильной настройке процесс становится очень повторяемым и управляемым.

Как работает индукционный нагрев

Как именно работает индукционный нагрев? Это помогает получить базовое представление о принципах электричества. Когда переменный электрический ток подается на первичную обмотку трансформатора, создается переменное магнитное поле. Согласно закону Фарадея, если вторичная обмотка трансформатора находится в магнитном поле, индуцируется электрический ток.

В базовой установке индукционного нагрева, показанной на Рисунке 2, твердотельный ВЧ-источник питания посылает переменный ток через индуктор (часто медную катушку), а нагреваемая часть (заготовка) помещается внутри индуктора. Индуктор служит первичной обмоткой трансформатора, а нагреваемая часть становится вторичной обмоткой короткого замыкания. Когда металлическая деталь помещается в индуктор и попадает в магнитное поле, внутри детали индуцируются циркулирующие вихревые токи.

Как показано на рисунке 3, эти вихревые токи протекают против удельного электрического сопротивления металла, генерируя точное и локализованное тепло без какого-либо прямого контакта между деталью и индуктором.Это нагревание происходит как с магнитными, так и с немагнитными частями, и его часто называют «эффектом Джоуля», ссылаясь на первый закон Джоуля — научную формулу, выражающую связь между теплотой, производимой электрическим током, проходящим через проводник.

Во-вторых, в магнитных деталях создается дополнительное тепло за счет гистерезиса — внутреннего трения, возникающего при прохождении магнитных деталей через индуктор. Магнитные материалы, естественно, обладают электрическим сопротивлением быстро меняющимся магнитным полям внутри индуктора.Это сопротивление вызывает внутреннее трение, которое, в свою очередь, выделяет тепло.

Таким образом, в процессе нагрева материала нет контакта между индуктором и деталью, и также отсутствуют газы сгорания. Нагреваемый материал может располагаться в помещении, изолированном от источника питания; погруженный в жидкость, покрытый изолированными веществами, в газовой атмосфере или даже в вакууме.

Важные факторы, которые следует учитывать

Эффективность системы индукционного нагрева для конкретного применения зависит от нескольких факторов: характеристик самой детали, конструкции индуктора, мощности источника питания и величины изменения температуры, необходимой для данного применения.

Характеристики детали

МЕТАЛЛ ИЛИ ПЛАСТИК
Во-первых, индукционный нагрев работает напрямую только с проводящими материалами, обычно с металлами. Пластмассы и другие непроводящие материалы часто можно нагревать косвенно, сначала нагревая проводящий металлический приемник, который передает тепло непроводящему материалу.

МАГНИТНЫЙ ИЛИ НЕМАГНИТНЫЙ
Магнитные материалы легче нагревать. Помимо тепла, вызванного вихревыми токами, магнитные материалы также выделяют тепло за счет так называемого эффекта гистерезиса (описанного выше).Этот эффект перестает проявляться при температурах выше «точки Кюри» — температуры, при которой магнитный материал теряет свои магнитные свойства. Относительное сопротивление магнитных материалов оценивается по шкале «проницаемости» от 100 до 500; в то время как немагнитные материалы имеют проницаемость 1, магнитные материалы могут иметь проницаемость до 500.

ТОЛЩАЯ ИЛИ ТОЛЩАЯ
В случае проводящих материалов около 85% теплового эффекта происходит на поверхности или «коже» детали; интенсивность нагрева уменьшается по мере удаления от поверхности.Поэтому мелкие или тонкие детали обычно нагреваются быстрее, чем большие толстые, особенно если более крупные детали необходимо нагреть полностью.

Исследования показали взаимосвязь между частотой переменного тока и глубиной проникновения нагрева: чем выше частота, тем меньше нагрев детали. Частоты от 100 до 400 кГц производят относительно высокоэнергетическое тепло, идеально подходящее для быстрого нагрева небольших деталей или поверхности / кожи больших деталей. Было показано, что для глубокого проникающего тепла наиболее эффективными являются более длительные циклы нагрева на более низких частотах от 5 до 30 кГц.

СОПРОТИВЛЕНИЕ
Если вы используете один и тот же индукционный процесс для нагрева двух кусков стали и меди одинакового размера, результаты будут совершенно разными. Почему? Сталь — наряду с углеродом, оловом и вольфрамом — имеет высокое электрическое сопротивление. Поскольку эти металлы сильно сопротивляются току, быстро накапливается тепло. Металлы с низким удельным сопротивлением, такие как медь, латунь и алюминий, нагреваются дольше. Удельное сопротивление увеличивается с повышением температуры, поэтому очень горячая сталь будет более восприимчива к индукционному нагреву, чем холодная.

Конструкция индуктора

Именно внутри индуктора создается переменное магнитное поле, необходимое для индукционного нагрева, за счет протекания переменного тока. Таким образом, конструкция индуктора — один из наиболее важных аспектов всей системы. Хорошо спроектированный индуктор обеспечивает правильный режим нагрева для вашей детали и максимизирует эффективность источника питания индукционного нагрева, при этом позволяя легко вставлять и извлекать деталь.

Мощность блока питания

Размер индукционного источника питания, необходимый для нагрева конкретной детали, можно легко рассчитать.Во-первых, необходимо определить, сколько энергии необходимо передать заготовке. Это зависит от массы нагреваемого материала, удельной теплоемкости материала и требуемого повышения температуры. Также следует учитывать потери тепла от теплопроводности, конвекции и излучения.