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.
Направление электрического тока
Свободные электроны.. Электрический ток.. Измерение тока.. Амперметр.. Единица силы тока — Ампер.. Направление электрического тока.. Направление движения электронов..
- Когда электрическое поле прикладывается к проводнику, свободные электроны (носители отрицательного заряда) начинают дрейфовать в соответствии с направлением электрического поля – возникает электрический ток.
- Движение электронов означает движение отрицательных зарядов, следовательно, – электрический ток является мерой количества электрического заряда, переносимого через поперечное сечение проводника за единицу времени.
- Измерение тока
- Единица силы тока Кулон в секунду в системе СИ имеет конкретное название Ампер (А) – в честь знаменитого французского ученого Андре-Мари Ампера (на фото в заголовке статьи).
В международной системе СИ единица измерения заряда – Кулон, а единица времени – секунда. Поэтому единица силы тока – Кулон в секунду (Кл/сек).
Как мы знаем, величина отрицательного электрического заряда электрона -1,602 • 10-19 Кулона. Поэтому один Кулон электрического заряда состоит из 1 / 1,602 • 10-19 = 6,24 • 1018 электронов. Следовательно, если 6,24 • 1018 электронов пересекает поперечное сечение проводника за одну секунду, то величина такого тока равна одному амперу.
Для измерения силы тока существует измерительный прибор — амперметр.
Рис. 1
Амперметр включается в электрическую цепь (рис. 1) последовательно с тем элементом цепи, силу тока в котором необходимо измерить. При подключении амперметра нужно соблюдать полярность: «плюс» амперметра подключается к «плюсу» источника тока, а «минус» амперметра — к «минусу» источника тока.
Направление электрического тока
Если в электрической цепи, показанной на рис. 1 замкнуть контакты выключателя, то по этой цепи потечет электрический ток. Возникает вопрос: «А в каком направлении?»
Мы знаем, что электрическим током в металлических проводниках называется упорядоченное движение отрицательно заряженных частиц – электронов (в других средах это могут быть ионы или ионы и электроны).
Отрицательно заряженные электроны во внешней цепи двигаются от минуса источника к плюсу (одноименные заряды отталкиваются, противоположные — притягиваются), что хорошо иллюстрирует рис.
2.
Рис. 2 Учебник физики за 8 класс дает нам другой ответ: «За направление электрического тока в цепи принято направление движения положительных зарядов», — то есть от плюса источника энергии к минусу источника.
Выбор направления тока, противоположного истинному, иначе как парадоксальным назвать нельзя, но объяснить причины такого несоответствия можно, если проследить историю развития электротехники.
Дело в том, что электрические заряды стали изучать задолго до того, как были открыты электроны, поэтому природа носителей заряда в металлах была еще неизвестна.
Понятие о положительном и отрицательном заряде ввёл американский ученый и политический деятель Бенджамин Франклин.
В своей работе «Опыты и наблюдения над электричеством» (1747 г.) Франклин предпринял попытку теоретически объяснить электрические явления. Именно он первым высказал важнейшее предположение об атомарной, «зернистой» природе электричества: «Электрическая материя состоит из частичек, которые должны быть чрезвычайно мелкими».
Франклин полагал, что тело, которое накапливает электричество, заряжается положительно, а тело, теряющее электричество, заряжается отрицательно. При их соединении избыточный положительный заряд перетекает туда, где его недостает, то есть к отрицательно заряженному телу (по аналогии с сообщающими сосудами).
Эти представления о движении положительных зарядов широко распространились в научных кругах и вошли в учебники физики. Так и получилось, что действительное направление движения электронов в проводнике противоположно принятому направлению электрического тока.
После открытия электрона ученые решили оставить все как есть, поскольку пришлось бы очень многое изменять (и не только в учебниках), если указывать истинное направление тока. Также это связано и с тем, что знак заряда практически ни на что не влияет, пока все используют одно и то же соглашение.
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.
Структура металлов
На предыдущих уроках мы изучили практически все понятия, связанные с возникновением электрического тока: электрические заряды, электрическое поле, источники тока, простейшие электрические цепи и электрические схемы. Теперь нам предстоит выяснить, как течёт электрический ток в металлах, какие действия оказывает электрический ток, а также направление тока.
Металлы, как мы выяснили из экспериментов на предыдущих уроках, хорошо проводят электрический ток. Для того чтобы пояснить этот факт, зададимся вопросом: а что же такое металлы?
Металлы, как правило, – это поликристаллические вещества (состоящие из множества кристаллов) (Рис. 1, 2).
Рис. 1. Металлы (
)
Рис. 2. Структура железа ()
Движение электронов в металлах до появления электрического поля
То есть, в металлах мы имеем дело с упорядоченной структурой атомов: каждый атом находится на своём конкретном месте.
Как мы уже знаем, вокруг ядра атомов движутся электроны.
Что же даёт возможность появления свободных электрических зарядов?
Дело в том, что дальние электроны (те, которые находятся на самых удалённых от ядра орбитах) довольно слабо связаны с ядром. Поэтому они могут довольно легко переходить от одного атома к другому. Такое беспорядочное движение электронов чем-то напоминает электронный газ. Если внутри металла нет электрического поля, то движение этих свободных электронов чем-то напоминает движение поднятого в воздух роя мошкары в летний день (Рис. 3).
Рис. 3. Движение электронов внутри металлического проводника ()
Направление тока
Раньше в учебниках по физике писали так: когда-то давно решили, что ток направлен от плюса к минуса, а потом узнали, что по проводам текут электроны. Но электроны эти — отрицательные, а значит к минусу идти не могут. Но раз уже условились о направлении, поэтому оставим, как есть. Вопрос тогда возникал у всех: почему нельзя поменять направление тока? Но ответ так никто и не получил.
Сейчас пишут немного иначе: положительные частицы текут по проводнику от плюса к минусу, туда и направлен ток. Здесь вопросов ни у кого не возникает.
Так и какая версия верна? На самом деле, обе. Носители заряда в каждом типе материала разные. В металлах — это электроны, в электролитах — ионы. У каждого типа частиц свои знаки и потребность в том, чтобы бежать к противоположно заряженному полюса источника тока. Не будем же мы для каждого типа материала выбирать направление тока, чтобы решить задачу! Поэтому принято направлять ток от плюса к минусу. В большинстве задач школьного курса направление тока роли не играет, но есть то самое коварное меньшинство, где этот момент будет очень важным. Поэтому запомните — направляем ток от плюса к минусу. |
Переменный электрический ток
Если постоянный ток, как следует из названия — не меняет своих характеристик и направления в любой точке проводника, то переменный ток не отличается такими свойствами. Переменный ток — это ток, который с определённой периодичностью меняется по направлению, модулю и своей величине. На графике такой ток повторяет линию синуса с цикличными подъёмами и спадами.
Переменный ток очень широко распространён, т.к. его легко получать различными способами, а так же удобно и относительно просто передавать на большие расстояния. На электрических схемах традиционно обозначается значком с двумя волнистыми линиями.
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.
Действия тока
Поговорим теперь о том, какое действие оказывает электрический ток. За счёт чего он получил такое широкое применение в быту и технике?
Можно выделить три основных действия электрического тока:
1. Тепловое. При прохождении тока проводник нагревается. Это одно из самых главных действий тока, которое используется человеком. Самый простой пример – некоторые бытовые обогреватели (Рис. 5).
Рис. 5. Электрообогреватель ()
2. Химическое. Проводник может изменять химический состав при прохождении по нему тока. В частности, при помощи электрического тока добывают некоторые металлы в чистом виде, выделяя их из различных соединений. К примеру, таким образом получают алюминий (Рис. 6).
Рис. 6. Электролизный цех алюминиевого class=»aligncenter» width=»670″ height=»446″)
3. Магнитное. Если по проводнику течёт ток, то магнитная стрелка вблизи такого проводника изменит своё положение.
Опыт Рикке
Возникает логичный вопрос: а не изменяется ли проводник из-за того, что из него «ушли» электроны? Опыт по подтверждению того, что все электроны одинаковые, был проведён немецким учёным Рикке (Рис. 4) тогда, когда на трамвайных линиях использовали три разных проводника: алюминиевый и два медных.
Рис. 4. Карл Виктор Рикке (
)
Рикке в течение года наблюдал за последовательным соединением трёх проводников: медь + алюминий + медь. Поскольку ток в трамвайных линиях течёт довольно большой, то эксперимент позволял дать однозначный ответ: одинаковы ли электроны, которые являются носителями отрицательного заряда в разных проводниках.
За год масса проводников не изменилась, диффузии не произошло, то есть структура проводников осталась неизменной. Из этого следовал вывод, что электроны могут переходить из одного проводника в другой, но структура их при этом не изменится.
Направление индукционного тока. Правило Ленца
- Подробности
- Просмотров: 1214
«Физика – 11 класс»
Направление индукционного тока
Направление индукционного тока, возникающего в катушке, зависит от того, приближается магнит к катушке или удаляется от нее.
Возникающий индукционный ток может притягивать или отталкивать магнит, т.к. катушка становится подобной магниту с двумя полюсами — северным и южным.
На основе закона сохранения энергии можно предсказать, в каких случаях катушка будет притягивать магнит, а в каких отталкивать его.
Взаимодействие индукционного тока катушки с магнитом.
В чем состоит различие двух опытов: приближение магнита к катушке и его удаление?
Если магнит приближать к катушке
Число линий магнитной индукции, пронизывающих витки катушки, или, что то же самое, магнитный поток, увеличивается.
Катушка становится подобной магниту, обращенному одноименным полюсом к приближающемуся к ней магниту.
Линии индукции ‘ магнитного поля, созданного возникшим в катушке индукционным током, выходят из верхнего конца катушки.
В катушке появляется индукционный ток такого направления, что магнит обязательно отталкивается.
Для сближения магнита и катушки нужно совершить положительную работу.
Если магнит удалять от катушки
Число линий магнитной индукции, пронизывающих витки катушки, или, что то же самое, магнитный поток, уменьшается.
Линии индукции ‘ магнитного поля, созданного возникшим в катушке индукционным током, входят в верхний конец катушки.
Катушка с током становится аналогична магниту, северный полюс которого находится снизу.
В катушке возникает ток такого направления, что проявляется притягивающая магнит сила.
Аналогично можно рассмотреть опыт, когда на концах стержня, который может свободно вращаться вокруг вертикальной оси, закреплены два проводящих алюминиевых кольца (одно из них с разрезом).
С разрезанным кольцом магнит не взаимодействует, так как разрез препятствует возникновению в кольце индукционного тока.
Отталкивает или притягивает другое кольцо магнит, зависит от направления индукционного тока, возникающего в кольце.
Поэтому закон сохранения энергии позволяет сформулировать правило, определяющее направление индукционного тока.
Правило Ленца
Существует правило, позволяющее определить направление индукционного тока, которое было установлено русским физиком Э. X. Ленцем:
Возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван.
или более кратко:
Индукционный ток направлен так, чтобы препятствовать причине, его вызывающей.
При увеличении магнитного потока через витки катушки индукционный ток имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует усилению магнитного потока через витки катушки.
Ведь линии индукции ‘ этого поля направлены против линий индукции поля, изменение которого порождает электрический ток.
Если же магнитный поток через катушку ослабевает, то индукционный ток создает магнитное поле с индукцией ‘ увеличивающее магнитный поток через витки катушки.
Применение правила Ленца:
1. Определить направление линий магнитной индукции 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 ‘ магнитного поля индукционного тока. Эти линии должны быть согласно правилу Ленца направлены противоположно линиям магнитной индукции В при ΔФ > 0 и иметь одинаковое с ними направление при ΔФ <0.
4. Зная направление линий магнитной индукции ‘, найти направление индукционного тока, пользуясь правилом буравчика.
Следующая страница «Закон электромагнитной индукции»
Назад в раздел «Физика – 11 класс, учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин»
Электромагнитная индукция. Физика, учебник для 11 класса – Класс!ная физика
Электромагнитная индукция. Магнитный поток —
Направление индукционного тока. Правило Ленца —
Закон электромагнитной индукции —
ЭДС индукции в движущихся проводниках. Электродинамический микрофон —
Вихревое электрическое поле —
Самоиндукция. Индуктивность. Энергия магнитного поля тока —
Электромагнитное поле —
Примеры решения задач —
Краткие итоги главы
Проводники и диэлектрики
Некоторые делят мир на черное и белое, а мы — на проводники и диэлектрики.
- Проводники — это материалы, которые проводят электрический ток. Самыми лучшими проводниками являются металлы.
- Диэлектрики — материалы, которые не проводят электрический ток. Изи!
Проводники | Диэлектрики |
Медь, железо, алюминий, олово, свинец, золото, серебро, хром, никель, вольфрам | Воздух, дистиллированная вода, поливинилхлорид, янтарь, стекло, резина, полиэтилен, полипропилен, полиамид, сухое дерево, каучук |
То, что диэлектрик не проводит электрический ток, не значит, что он не может накапливать заряд. Накопление заряда не зависит от возможности его передавать.
Катушка индуктивности в цепи постоянного тока.
И, в первую очередь, разберемся, что происходит в самой катушке при протекании тока. Если ток не изменяет своей величины, то катушка не оказывает на него никакого влияния. Значит ли это, что в случае постоянного тока использование катушек индуктивности и рассматривать не стоит? Однозначно нет. Ведь постоянный ток можно “включать/выключать”, и как раз в моменты переключения и происходят все ключевые процессы. Давайте рассмотрим цепь:
Резистор выполняет в данном случае роль нагрузки, на его месте могла бы быть, к примеру, лампа. Помимо резистора и индуктивности в цепь включены источник постоянного тока и переключатель, с помощью которого мы будем замыкать и размыкать цепь. Что же произойдет в тот момент когда мы замкнем выключатель?
Ток через катушку начнет изменяться, поскольку в предыдущий момент времени он был равен 0. Изменение тока приведет к изменению магнитного потока внутри катушки, что, в свою очередь, вызовет возникновение ЭДС (электродвижущей силы) самоиндукции, которую можно выразить следующим образом:
\varepsilon_s = -\frac{d\Phi}{dt}Возникновение ЭДС приведет к появлению индукционного тока в катушке, который будет протекать в направлении, противоположном направлению тока источника питания. Таким образом, ЭДС самоиндукции будет препятствовать протеканию тока через катушку (индукционный ток будет компенсировать ток цепи из-за того, что их направления противоположны). А это значит, что в начальный момент времени (непосредственно после замыкания выключателя) ток через катушку I_L будет равен 0. В этот момент времени ЭДС самоиндукции максимальна.
А далее произойдет следующее – поскольку величина ЭДС прямо пропорциональна скорости изменения тока, то она будет постепенно ослабевать, а ток, соответственно, наоборот, будет возрастать. Давайте посмотрим на графики, иллюстрирующие то, что мы обсудили:
На первом графике мы видим входное напряжение цепи – изначально цепь разомкнута, но при замыкании переключателя появляется постоянное значение. На втором графике мы видим изменение величины тока через катушку индуктивности. Непосредственно после замыкания ключа ток отсутствует из-за возникновения ЭДС самоиндукции, а затем начинает плавно возрастать.
Напряжение на катушке наоборот в начальный момент времени максимально, а затем уменьшается. График напряжения на нагрузке будет по форме (но не по величине) совпадать с графиком тока через катушку (поскольку при последовательном соединении ток, протекающий через разные элементы цепи одинаковый).
Аналогичный переходный процесс в цепи будет наблюдаться и при размыкании ключа. В катушке индуктивности возникнет ЭДС самоиндукции, но индукционный ток в случае размыкания будет направлен в том же самом направлении, что и ток в цепи, а не в противоположном, поэтому запасенная энергия катушки индуктивности пойдет на поддержание тока в цепи:
После размыкания ключа возникает ЭДС самоиндукции, которая препятствует уменьшению тока через катушку, поэтому ток достигает нулевого значения не сразу, а по истечении некоторого времени. Напряжение же в катушке по форме идентично случаю замыкания переключателя, но противоположно по знаку. Это связано с тем, что изменение тока, а соответственно и ЭДС самоиндукции, в первом и втором случаях противоположны по знаку (в первом случае ток возрастает, а во втором убывает).
Кстати, я упомянул, что величина ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения силы тока, так вот, коэффициентом пропорциональности является как раз индуктивность катушки:
\varepsilon_s = -L\medspace\frac{dI}{dt}На этом мы заканчиваем с катушками индуктивности в цепях постоянного тока и переходим к цепям переменного тока.
Важный (!) нюанс заключается в том, что напряжение на катушке при описанных переходных процессах может достигнуть весьма значительных величин. Это, в свою очередь, легко может привести к выходу из строя тех или иных компонентов, входящих в состав цепи. Например, при управлении индуктивной нагрузкой при помощи ключа на транзисторе явление возникновения ЭДС самоиндукции с впечатляющей вероятностью приведет к выходу транзистора из строя. Для защиты от этого параллельно индуктивной нагрузке ставят защитный диод, но сегодня речь не об этом, поэтому для данного аспекта я опубликую отдельный материал с рассмотрением основных нюансов.
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.
«Электромагнитная индукция»
Электромагнитная индукция — это явление, которое заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводнике в результате изменения магнитного поля, в котором он находится. Это явление открыл английский физик М. Фарадей в 1831 г. Суть его можно пояснить несколькими простыми опытами.
Описанный в опытах Фарадея принцип получения переменного тока используется в индукционных генераторах, вырабатывающих электрическую энергию на тепловых или гидроэлектростанциях. Сопротивление вращению ротора генератора, возникающее при взаимодействии индукционного тока с магнитным полем, преодолевается за счет работы паровой или гидротурбины, вращающей ротор. Такие генераторы преобразуют механическую энергию в энергию электрического тока.
Вихревые токи, или токи Фуко
Если массивный проводник поместить в переменное магнитное поле, то в этом проводнике благодаря явлению электромагнитной индукции возникают вихревые индукционные токи, называемые токами Фуко.
Вихревые токи возникают также при движении массивного проводника в постоянном, но неоднородном в пространстве магнитном поле. Токи Фуко имеют такое направление, что действующая на них в магнитном поле сила тормозит движение проводника. Маятник в виде сплошной металлической пластинки из немагнитного материала, совершающий колебания между полюсами электромагнита, резко останавливается при включении магнитного поля.
Во многих случаях нагревание, вызываемое токами Фуко, оказывается вредным, и с ним приходится бороться. Сердечники трансформаторов, роторы электродвигателей набирают из отдельных железных пластин, разделенных слоями изолятора, препятствующего развитию больших индукционных токов, а сами пластины изготовляют из сплавов, имеющих высокое удельное сопротивление.
Электромагнитное поле
Электрическое поле, созданное неподвижными зарядами, является статическим и действует на заряды. Постоянный ток вызывает появление постоянного во времени магнитного поля, действующего на движущиеся заряды и токи. Электрическое и магнитное поля существуют в этом случае независимо друг от друга.
Явление электромагнитной индукции демонстрирует взаимодействие этих полей, наблюдаемое в веществах, в которых есть свободные заряды, т. е. в проводниках. Переменное магнитное поле создает переменное электрическое поле, которое, действуя на свободные заряды, создает электрический ток. Этот ток, будучи переменным, в свою очередь порождает переменное магнитное поле, создающее электрическое поле в том же проводнике, и т. д.
Совокупность переменного электрического и переменного магнитного полей, порождающих друг друга, называется электромагнитным полем. Оно может существовать и в среде, где нет свободных зарядов, и распространяется в пространстве в виде электромагнитной волны.
Классическая электродинамика — одно из высших достижений человеческого разума. Она оказала огромное влияние на последующее развитие человеческой цивилизации, предсказав существование электромагнитных волн. Это привело в дальнейшем к созданию радио, телевидения, телекоммуникационных систем, спутниковых средств навигации, а также компьютеров, промышленных и бытовых роботов и прочих атрибутов современной жизни.
Краеугольным камнем теории Максвелла явилось утверждение, что источником магнитного поля может служить одно только переменное электрическое поле, подобно тому, как источником электрического поля, создающим в проводнике индукционный ток, служит переменное магнитное поле. Наличие проводника при этом не обязательно — электрическое поле возникает и в пустом пространстве. Линии переменного электрического поля, аналогично линиям магнитного поля, замкнуты. Электрическое и магнитное поля электромагнитной волны равноправны.
Электромагнитная индукция в схемах и таблицах
(Явление электромагнитной индукции, опыты Фарадея, правило Ленца, закон электромагнитной индукции, вихревое электрическое поле, самоиндукция, индуктивность, энергия магнитного поля тока)
Дополнительные материалы по теме:
Конспект урока по физике в 11 классе «Электромагнитная индукция».
Следующая тема: «».
Устройство и принцип работы катушки индуктивности.
Как уже понятно из названия элемента – катушка индуктивности, в первую очередь, представляет из себя не что иное, как катушку. То есть некоторое количество витков изолированного проводника. Причем наличие изоляции является важнейшим условием – витки катушки не должны замыкаться друг с другом. Чаще всего витки наматываются на цилиндрический или тороидальный каркас:
Важнейшей характеристикой катушки индуктивности является, естественно, индуктивность. По определению индуктивность – это способность преобразовывать энергию электрического поля в энергию магнитного поля. Это свойство катушки связано с тем, что при протекании по проводнику тока вокруг него возникает магнитное поле:
А вот как выглядит магнитное поле, возникающее при прохождении тока через катушку:
В общем то, строго говоря, любой элемент в электрической цепи имеет индуктивность, даже обычный кусок провода. Но дело в том, что величина такой индуктивности является очень незначительной, в отличие от индуктивности катушек. Собственно, для того, чтобы охарактеризовать эту величину используется единица измерения Генри (Гн). 1 Генри – это довольно большая величина, поэтому чаще всего используются мкГн (микрогенри) и мГн (миллигенри). Величину индуктивности можно рассчитать по следующей формуле:
L = \frac{\mu_0\thinspace \mu S N^2}{l}Разберемся, что за величины входят в это выражение:
- \mu_0 – магнитная проницаемость вакуума. Это константа и равна она: \mu_0 = 4 \pi \cdot 10^{-7}\medspace\frac{Гн}{м}
- \mu – магнитная проницаемость магнитного материала сердечника. Пара слов о том, что это за сердечник и для чего он нужен. Дело все в том, что если катушку намотать не просто на каркас (внутри которого воздух), а на магнитный сердечник, то индуктивность возрастет многократно. Посудите сами – магнитная проницаемость воздуха равна 1, а для никеля она может достигать величины 1100. Вот мы и получаем увеличение индуктивности более чем в 1000 раз
- S – площадь поперечного сечения катушки
- N – количество витков
- l – длина катушки
Из формулы следует, что при увеличении числа витков или, к примеру, диаметра (а соответственно и площади поперечного сечения), индуктивность будет увеличиваться. А при увеличении длины – уменьшаться. Таким образом, витки на катушке стоит располагать как можно ближе друг к другу, поскольку это приведет к уменьшению длины.
С устройством катушки индуктивности разобрались, пришло время рассмотреть физические процессы, которые протекают в этом элементе при прохождении электрического тока. Для этого мы рассмотрим две схемы – в одной будем пропускать через катушку постоянный ток, а в другой -переменный.
Правило Ленца
Взаимодействие контура тока и магнитного поля изучалось русским физиком Э.Ленцем.
Рис. 2. Э. Х. Ленц.
Он установил правило, которое было впоследствии названо его именем:
Индукционный ток, возникающий в контуре, всегда направлен так, чтобы препятствовать причине, его породившей.
И действительно, в соответствии с этим правилом, когда магнит вводится в катушку, возникающий в катушке ток создает такое магнитное поле, которое сопротивляется введению магнита. И наоборот – при выведении магнита из катушки, в ней возникает индукционный ток такого направления, чтобы препятствовать выведению магнита.
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.
