Явление электромагнитной индукции, онлайн калькулятор, конвертер - услуги электромонтажа, строительства и ремонта

3. путем изменения положения контура, помещенного в постоянное магнитное поле.

Содержание

Явление электромагнитной индукции.

Явление электромагнитной индукции был открыт английским ученым М. Фарадеем 29 августа 1831 года.

Явление электромагнитной индукции заключается в том, что каждое изменение магнитного потока, входящего в цепь замкнутого проводника, порождает в этом проводнике электрический ток, который существует в течение всего процесса изменения магнитного потока. Явление электромагнитной индукции может быть обнаружено в следующих ситуациях:

1. когда катушка и магнит находятся в относительном движении;

2. путем изменения индукции магнитного поля в цепи, перпендикулярной линиям магнитного поля.

На этом рисунке катушка Акоторая находится в цепи источника тока, вставляется в другую катушку Скоторый подключен к гальванометру. Замыкая и размыкая цепь катушки А в катушке С генерирует индукционный ток. Индуцированный ток также создается при изменении тока в катушке C С или путем перемещения катушек относительно друг друга;

3. путем изменения положения контура, находящегося в постоянном магнитном поле.

Ток в цепи также может появиться, если цепь вращается в поле постоянного магнита (рис. а), или вращением самого магнита внутри петли (рис. б).

Открытие электромагнитной индукции относится к числу наиболее важных открытий 19 века. Это вызвало появление и быстрое развитие электротехники и радиотехники.

Явление электромагнитной индукции легло в основу мощных электрогенераторов, в разработке которых принимали участие ученые и техники из разных стран. Среди них были такие русские ученые, как Эмилий Христианович Ленц, Борис Семенович Якоби, Михаил Иосифович Доливо-Добровольский и другие, внесшие большой вклад в развитие электротехники.

ЭМПвозникающая в контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока Ф через цепь.

История и определение

Фарадей, параллельно с Генри, открыл явление электромагнитной индукции в 1831 году. Однако он успел опубликовать свои результаты раньше. Закон Фарадея используется повсеместно в технике, в электродвигателях, трансформаторах, генераторах и дросселях. В чем суть закона Фарадея для электромагнитной индукции, если говорить простым языком? Это оно!

Когда магнитный поток изменяется в замкнутом проводящем контуре, в нем возникает электрический ток. Это означает, что если скрутить проволочную рамку и поместить ее в изменяющееся магнитное поле (взять магнит и вращать его вокруг рамки), то через рамку потечет ток!

Рама в поле

Фарадей назвал это явление индукцией тока и дал ему название электромагнитная индукция.

Электромагнитная индукция – Индукция электрического тока в замкнутом контуре путем изменения магнитного потока, проходящего через контур.

Формулировка основного закона электродинамики, закона электромагнитной индукции Фарадея, выглядит и звучит следующим образом

ЭМПсоздаваемый в контуре, пропорционален скорости изменения магнитного потока Ф через цепь.

А откуда взялся знак минус в формуле, спросите вы. Чтобы объяснить знак минус в этой формуле, существует специальный Принцип Ленца. Это говорит о том, что знак минус в данном случае указывает направление результирующего ЭМП. Дело в том, что магнитное поле, создаваемое индукционным током, так направлено, что препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего индукционный ток.

Для определения направления индукционного тока используется знаменитое правило Боракса, также известное как правило правой руки или правило правого винта. Если расположить ладонь правой руки так, чтобы линии магнитного поля шли внутрь, а согнутый большой палец указывал на движение проводника, то четыре вытянутых пальца укажут направление индукционного тока.

Принцип правой руки

Некоторые авторы, например, М. Лившиц в журнале “Квант” за 1998 год [2], отрицают корректность использования термина Закон Фарадея или закон электромагнитной индукции и т.д. к формуле = – </ dt>”” width=”” height=”” /> в случае движущегося контура (оставив для обозначения этого случая или его связи со случаем переменного магнитного поля, например, термин принцип потока) [3] . В этом смысле закон Фарадея – это закон, относящийся только к циркуляции электрического поля (а не к ЭДС, создаваемой силой Лоренца), и в этом смысле концепция Закон Фарадея в точности совпадает с содержанием соответствующего уравнения Максвелла.
Однако возможность (пусть и с некоторыми оговорками для уточнения области применимости) сближения формулировки “правила флюса” с законом электромагнитной индукции нельзя назвать чисто случайной. Дело в том, что, по крайней мере в определенных ситуациях, это совпадение кажется очевидным проявлением принципа относительности. А именно, например, для случая относительного движения катушки с присоединенным к ней вольтметром, измеряющим ЭДС, и источника магнитного поля (постоянного магнита или другой катушки с током), в системе отсчета, связанной с первой катушкой, ЭДС равна циркуляции электрического поля, а в системе отсчета, связанной с источником магнитного поля (магнитом), возникновение ЭДС связано с действием силы Лоренца на носители заряда, движущиеся вместе с первой катушкой. Однако две ЭДС должны совпадать, потому что вольтметр показывает одно и то же значение независимо от того, для какой системы отсчета мы его рассчитываем.

История

В 1820 г. Ханс Кристиан Эрстед продемонстрировал, что электрический ток, протекающий в цепи, вызывает отклонение магнитного указателя. Если электрический ток производит магнетизм, то существование электрического тока должно быть связано с магнетизмом. Эта идея привлекла внимание английского ученого М. Фарадея. “Преобразовать магнетизм в электричество”, – записал он в своем дневнике в 1822 году. В течение многих лет он упорно пытался провести множество экспериментов, но безуспешно, и только 29 августа 1831 года он одержал победу: он открыл явление электромагнитной индукции. Аппарат, на котором Фарадей сделал свое открытие, состоял из кольца из мягкого железа шириной около 2 см и диаметром 15 см и наматывания множества витков медной проволоки на каждую половину кольца. Контур одной катушки был замкнут проволокой, а магнитная стрелка в катушках находилась достаточно далеко, чтобы не нарушался магнетизм, возникающий в кольце. Через другую обмотку пропускался ток от батареи гальванических элементов. При включении тока магнитный указатель совершал несколько колебаний и успокаивался; когда ток прерывался, указатель снова совершал колебания. Оказалось, что стрелка отклонялась в одну сторону, когда ток был включен, и в другую сторону, когда ток прерывался. Фарадей обнаружил, что с помощью простого магнита можно “превратить магнетизм в электричество”.

В это же время американский физик Джозеф Генри проводил успешные эксперименты по индукции токов, но как раз в тот момент, когда он собирался опубликовать результаты своих экспериментов, в прессе появилось открытие М. Фарадея об электромагнитной индукции.

М. Фарадей пытался использовать открытое им явление для получения нового источника электрической энергии.

Аналогичным образом он обнаружил, что взаимодействие магнитных полюсов зависит от среды. Доказав, что все без исключения вещества в природе приобретают составляющую намагниченности, противоположную направлению внешнего магнитного поля, он открыл явление диамагнетизма.

Мир движим верой, истиной и индукцией.

Он был знаменит уже при жизни, и его вклад в химию и физику был огромен. Он был настолько противоречивой фигурой, что многие считали, что его гениальные открытия объясняются недостатком образования. Он шел своим собственным научным путем, в полном противоречии с преобладающим научным мировоззрением, и часто находил закономерности там, где никто до него их не видел и не мог увидеть.

Майкл Фарадей родился в Ньюингтон Батс, Великобритания. Его семья была набожной и страшно бедной, но его родители предпочитали накапливать духовные блага, а не гнаться за материальными. Но воспитание маленького Майкла было действительно суетливым. В 13 лет, когда Фарадей устроился на работу переплетчиком, он прочитал статью об электричестве в “Британской энциклопедии”. Этот момент перевернул всю его жизнь: Майкл начал искать любую информацию об этом явлении и пытался сам проводить эксперименты.

Желая заниматься наукой, Фарадей написал ученому сэру Дж. Дэви и в возрасте 20 лет стал его личным помощником. Он посвятил себя науке, завел знакомства с ведущими учеными, путешествовал с Г. Дэви по Европе и много времени уделял самообразованию, пытался получить электричество без батарей, проводил опыты с магнитами в поисках объяснения явления электричества.

И 17 октября 1831 года эксперимент, который сегодня показался бы тривиальным, увенчался успехом: две отдельные катушки проволоки были намотаны вокруг металлического кольца. Через один из них, подключенный к батарее, пропускался электрический ток. Идея заключалась в том, чтобы проверить, получит ли “мертвый” провод ток от “живого”. Таким образом было открыто явление магнитной индукции. Этот гений-самоучка, твердо веривший в единство “живого Бога” и живой природы, изобрел динамо, или генератор постоянного тока. Он отвергал все деловые предложения, сулившие большие деньги, продолжая возиться с проводами и магнитами.

Между 1833 и 1834 годами ученый установил законы электролиза. Затем он заменил проводящую жидкость в электролитической ванне на непроводящую жидкость и экспериментально доказал, что электростатическая индукция зависит от среды.

Аналогичным образом он обнаружил, что взаимодействие магнитных полюсов зависит от среды. Доказав, что все без исключения вещества в природе приобретают компонент намагниченности, противоположный направлению внешнего магнитного поля, он открыл явление диамагнетизма.

Наконец, Фарадей обнаружил вращение плоскости поляризации света в магнитном поле.

В каждом случае он устанавливал факт взаимодействия между ранее не связанными между собой сущностями.

И в его жизни по-прежнему царила троица: наука, семья и церковь. Его научные открытия были признаны девяносто семью академиями наук, а члены общины избрали его одним из своих “пророков”. Однако он не счел нужным принять ни одного научного звания, не отказался и от дворянского титула.

На заседании Лондонского королевского общества в 1831 году, после представления доклада о законе электромагнитной индукции, Фарадея спросили: “Какую пользу обществу принесет ваше открытие?”. Он ответил: “Через сто лет вы обложите налогом мое открытие”. В 1938 году в архивах Королевского общества было найдено ранее неизвестное письмо Фарадея.

Письмо Фарадея об электромагнитных волнах, обнаруженное Герцем только через 55 лет после его смерти, было найдено в архивах Королевского общества.

Фарадей был убежден, что “истина не может быть получена даже самым беспрецедентным проявлением человеческой мудрости”. Она открывается не разумом, а верой в данные нам свидетельства.

Судя по тому, насколько совершенными и поразительно простыми были его эксперименты, можно сказать, что Фарадей служил науке в самом прямом смысле этого слова.

где?? это изменение коэрцитивного потока в момент времени ?t.

Электродвижущая сила, индуцированная в проводе

Если провод движется с постоянной скоростью ν, то свободные электроны и положительные ионы в проводе будут двигаться с одинаковой скоростью. Если провод движется в однородном поле перпендикулярно магнитным линиям, то на каждую заряженную частицу действует электромагнитная сила, направление которой определяется следующим образом правило левой руки. Под действием этих сил электроны будут двигаться к одному концу провода, создавая на нем отрицательный заряд, а на другом конце провода отсутствие электронов приведет к появлению положительного заряда. Разделение зарядов прекратится, если электромагнитные силы будут уравновешены электрическими силами притяжения противоположных зарядов. Таким образом, работа электромагнитных сил в проводнике производит электромагнитную энергию, которую мы называем электромагнитной индукцией, а само явление называется электромагнитная индукция. В этом случае механическая энергия, используемая для перемещения проводника, преобразуется в электрическую.

Явление электромагнитной индукции было открыто в 1831 году английским физиком М. Фарадеем. На концах открытого провода напряжение U равно электромагнитной индукции E, поэтому (1-3);

Поэтому электромагнитная индукция, наведенная в проводе, пропорциональна величине магнитной индукции поля, в котором движется провод, длине провода и его скорости в направлении, перпендикулярном магнитным линиям.. Это первая формулировка закона электромагнитной индукции. Направление индуцированной ЭДС определяется правилом правило правой руки. Ладонь правой руки располагается так, чтобы магнитные линии входили в нее, большой палец, согнутый под прямым углом, располагается на одной линии с направлением проводника, затем четыре вытянутых пальца указывают в направлении индуцированной ЭДС.

Позднее эксперимент Фарадея был модифицирован, и теперь в школах его представляют следующим образом.

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вы должны добавить его в свой личный кабинет через покупку в каталоге.

Получите удивительные возможности

Конспект урока “Явление электромагнитной индукции. Магнитный поток. Закон электромагнитной индукции.

Самая большая ошибка

это то, что мы быстро сдаемся.

Иногда, чтобы получить то, что вы хотите,

нужно просто попробовать еще раз.

Томас Эдисон

Современный мир не может обойтись без таких, казалось бы, обыденных устройств, как микрофоны и динамики, трансформаторы и генераторы, планшеты и мобильные телефоны, и многие, многие другие.

В чем суть этих устройств? Без феномена, который был обнаружен Майклом Фарадеем. чуть больше 180 лет назад.эти устройства и сегодня было бы невозможно создать.

На предыдущих уроках мы говорили, что магнитное поле в любой точке пространства полностью характеризуется вектором магнитной индукции..

Возникает вопрос: Можно ли ввести величину, характеризующую магнитное поле не только в данной точке поля, но и во всех точках поверхности, ограниченной замкнутым контуром?

Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим плоский замкнутый контур, помещенный в однородное магнитное поле и ограниченный поверхностью с полем S. Пусть нормаль (вектор, длина которого равна единице и который всегда перпендикулярен контуру) образует некоторый угол a с вектором магнитной индукции.

Рассмотрим, что произойдет с контуром и линиями магнитной индукции, если мы изменим некоторые значения.

Сначала измените магнитное поленапример, усиливая его с помощью другого магнита. Как мы видим, по количество магнитных силовых линий увеличиваетсяТаким образом, количество линий силы увеличивается, а значит, увеличивается количество линий силы, которые будут передаваться нашим контуром.

Если мы уменьшим площадь схемы а индукция магнитного поля остается неизменной. приведет к уменьшению количества линий, проникающих в контур.

Вращение контура также приводит к изменению количества линий, проникающих в замкнутый контур.

Если плоскость контура параллельна линиям магнитной индукции, ни одна из этих линий не проникнет в контур.

Необходимо было ввести величину, которая характеризовала бы все эти распределения магнитного поля. И физики нашли способ сделать это. По аналогии с потоком воздуха, который меняется в зависимости от силы ветра или поверхности пространства, в котором он заключен, или потоком воды в реке в зависимости от ее ширины или обильных осадков, это количество было названо магнитный поток или поток вектора магнитной индукции.

В настоящее время по магнитный поток плоской поверхностью понимается как скалярная величина, численно равная произведению модуля магнитной индукции на площадь поверхности, ограниченной контуром, и на косинус угла между нормалью поверхности и магнитной индукцией.

Произведение модуля магнитной индукции на косинус угла альфа равно проекция вектора магнитной индукции на нормаль к поверхности контура.

Анализируя формулу, можно легко заметить, что чем больше магнитный поток, тем больше линий магнитной индукции проникает в контур и тем больше площадь контура.

Магнитный поток обозначается заглавной греческой буквой F

Единицей СИ магнитного потока является Vb (webber).

1 Вебер – магнитный поток однородного магнитного поля с индукцией 1 Тесла через перпендикулярную поверхность площадью 1 м 2 .

Представленная физическая величина является одним из наиболее важных физических явлений в современном мире: явление электромагнитная индукция.

В чем заключается это явление?

Как известно, в 1820 году Ханс Кристиан Эрстед продемонстрировал с помощью серии экспериментов, что вокруг каждого проводника электричества существует магнитное поле. Таким образом, если у вас есть электрический ток, вы можете получить магнитное поле.

Но в это время возник другой вопрос: Можете ли вы, наоборот, с помощью магнитного поля получить электрический ток? И если это возможно, то что для этого нужно сделать?

Многие ученые пытались решить эту проблему в начале 19 века. Среди них были швейцарский физик Жан-Даниэль Колладон и английский физик Майкл Фарадей, которые начали заниматься этой проблемой почти одновременно. Написав в своем дневнике фразу: “Превратить магнетизм в электричество!”, Фарадей провел 10 лет в интенсивных экспериментах, чтобы решить эту проблему.

Майкл Фарадей был убежден, что электрические и магнитные явления были явлениями одной природы.. Благодаря своему упорству и вере в неразделимость электрических и магнитных явлений, он сделал открытие, которое стало основой для генераторов всех электростанций мира, преобразующих механическую энергию в энергию электрического тока. Открытие было сделано 17 октября 1831 года.

Ниже приводится полное описание первого успешного эксперимента: “Двести три фута медной проволоки в одном куске были намотаны на большой деревянный барабан; еще двести три фута той же проволоки были намотаны по спирали между витками первой обмотки, причем металлический контакт везде был устранен с помощью струны. Одна из этих спиралей была соединена с гальванометром, другая – с хорошо заряженной батареей из ста пар двойных медных пластин площадью четыре дюйма. При замыкании контакта на гальванометре наблюдалось внезапное, но очень слабое действие, и такое же слабое действие происходило при размыкании контакта с батареей”.

Это был первый эксперимент, давший положительный результат после десятилетнего поиска. Фарадей установил, что индукция токов в противоположных направлениях, когда контакт замкнут и когда разомкнут..

Затем он приступает к исследованию влияния железа на индукцию. “Кольцо было сварено из круглого, стержнеобразного, мягкого железа; толщина металла составляла семь или восемь дюймов, а внешний диаметр кольца – шесть дюймов. На одной части этого кольца были намотаны три спирали, каждая из которых содержала около двадцати четырех футов медной проволоки толщиной в одну двадцатую дюйма. Спирали были изолированы от железа и друг от друга и накладывались одна на другую. Они могут использоваться по отдельности и в комбинации; эта группа обозначается буквой А. Около шестидесяти футов той же медной проволоки в количестве двух штук было намотано на другую часть кольца таким же образом, образуя спираль. Bкоторая имела то же направление, что и спираль А, но была отделена от них с каждого конца примерно полудюймовой полосой голого железа.

Спираль B был соединен медными проводами с гальванометром, расположенным в трех футах от кольца. Отдельные спирали А были соединены конец в конец так, чтобы образовать общую спираль, концы которой были подключены к батарее из десяти пар пластин площадью четыре дюйма. Гальванометр отреагировал немедленно, причем гораздо сильнее, чем наблюдалось выше, когда использовалась в десять раз более прочная спираль без железа.

Таким образом, задача, поставленная Фарадеем в 1820 году, была решена: магнетизм был превращен в электричество..

О том, какие случайности могли помешать этому открытию, свидетельствует следующий факт. Как уже упоминалось в начале, одновременно с Фарадеем швейцарский физик Колладон также пытался получить ток в катушке с помощью магнита. В своей работе он использовал гальванометр, световой магнитный указатель которого был помещен внутрь катушки прибора. Чтобы предотвратить прямое взаимодействие магнита с магнитным указателем, концы катушки были вынесены в отдельную комнату и там подключены к гальванометру.

Вставив магнит в катушку, Колладон перешел в следующую комнату и с разочарованием обнаружил, что гальванометр показывает отсутствие тока в цепи.

Действительно, по мере магнит, покоящийся на катушке, не может индуцировать ток в катушке.. Если бы он наблюдал за гальванометром и попросил своего помощника поработать с магнитом, проблема была бы решена.

Научный мир, да и не только мир, долгое время спорил о необходимости и ненужности открытия этого явления. В архивах сохранилась следующая замечательная запись: “Однажды после лекции Фарадея в Королевском обществе, где он демонстрировал свои эксперименты, к нему подошел богатый купец, который поддерживал общество материально, и надменным голосом спросил:

– Все, что вы нам здесь показали, мистер Фарадей, действительно прекрасно. Но теперь скажите мне, для чего нужна эта магнитная индукция?

– А для чего полезен новорожденный ребенок? – ответил разъяренный Фарадей”.

В последующие годы многие ученые и изобретатели ответили на вопрос продавца, в первую очередь Вернер фон Сименс, который изобрел динамо-машину в 1866 году. Динамо, заложившее основы промышленного производства электроэнергии, было изобретено в 1866 году..

Позднее эксперимент Фарадея был модифицирован, и теперь в школах его представляют следующим образом.

Проволока наматывается на катушку, концы которой подключаются к гальванометру. Если в катушку вставить постоянный магнит, например, стержневой магнит, в цепи возникнет электрический ток. Если магнит вытащить из катушки, гальванометр также зарегистрирует ток в цепи, но в противоположном направлении. Электрический ток также возникает, когда магнит остается неподвижным, а катушка перемещается относительно него..

Однако не каждое движение магнита (или катушки) создает электрический ток в цепи. НапримерЕсли магнит вращается в катушке, гальванометр не обнаружит наличия тока в цепи..

Аналогичный эксперимент можно провести, используя вместо постоянного магнита другую катушку, но с током. Нетрудно заметить, что ток в катушке возникает всякий раз, когда изменяется магнитный поток через катушку.

Таким образом, Явление возникновения электрического тока в замкнутой цепи при изменении магнитного потока, входящего в цепь, называется явлением электромагнитной индукции. Результирующий ток называется наведенный ток.

Как известно, ток в проводнике возникает только тогда, когда внешние силы действуют на свободные заряды проводника. Работа этих сил по перемещению единичного заряда по замкнутому проводнику называется электродвижущей силой (сокращенно ЭДС). (сокращенно ЭМП).

Поэтому, когда магнитный поток изменяется на поверхности, ограниченной контуром (т.е. При изменении числа линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность), возникают внешние силы, действие которых характеризует ЭДС, называемую Индукция ЭМП.

Обозначается греческой буквой x_i (xi) и измеряется в В (вольтах).

Опыты показали, что величина индукционного тока, а значит и ЭДС индукции, не зависит от причин изменения магнитного потока (меняется ли площадь, ограниченная контуром, меняется ли его ориентация в пространстве, связано ли это с изменениями в среде и т.д.) Именно скорость изменения магнитного потока является наиболее важной и значимой (например, стрелка гальванометра будет отклоняться тем больше, чем быстрее мы двигаем магнит вперед-назад).

Поэтому мы можем сказать, что сила индукционного тока пропорциональна скорости изменения магнитного потока через область, ограниченную контуром.

Давайте сформулируем прямо Закон электромагнитной индукции: средняя ЭДС индукции в проводящем контуре пропорциональна скорости изменения магнитного потока на поверхности, ограниченной контуром.

где Dt – период времени, в течение которого изменился магнитный поток.

Стоит отметить, что закон электромагнитной индукции формулируется только для ЭДС, а а не для индукционного токапотому что ток также зависит от свойств проводника, а ЭДС определяется только изменением магнитного потока.

Почему закон электромагнитной индукции имеет знак минус? Какова его цель? Индукционный ток противодействует изменению магнитного потока. Поэтому ЭДС индукции и скорость изменения магнитного потока имеют разные знаки.

Проблема. Из проволоки длиной 2 м, уложенной горизонтально, был сделан квадрат. Какой заряд потечет по проволоке, если ее протянуть через две противоположные вершины так, чтобы она изогнулась? Провод имеет сопротивление 0,1 Ом, а вертикальная составляющая индукции магнитного поля Земли равна 50 мкТл.

Основные выводы:

– Магнитный поток над плоской поверхностью является скалярной величиной, численно равной произведению модуля магнитной индукции на площадь поверхности, ограниченной контуром, и на косинус угла между нормалью к поверхности и магнитной индукцией.

– Единицей СИ магнитного потока является Vb (webber).

– Явление возникновения ЭДС в проводящей цепи (или тока, если цепь замкнута) вследствие изменения магнитного потока через цепь называется явление электромагнитной индукции.

– Ток, полученный таким образом, называется индуцированный ток.

Закон электромагнитной индукцииявляется: среднее значение индуктивной ЭДС в проводящем контуре пропорционально скорости изменения магнитного потока на поверхности, охватываемой контуром.

Читайте далее: