Что такое электромагнитная индукция

Электромагнитная индукция и ее роль в электротехнике

Электромагнитная индукция – это явление, при котором электрический ток появляется в замкнутом контуре магнитного поля. Данное явление было открыто М. Фарадеем в первой половине 19 века.

Так, ученый смог обнаружить тот факт, что электродвижущая сила, которая возникает в замкнутом контуре, может быть пропорциональна изменению скорости магнитного поля, проходящего через поверхность данного контура.

Стоит отметить, что ток, который был вызван электродвижущей силой, носит название «индукционный».

Закон Фарадея – что и как?

Майкл Фарадей смог экспериментально установить, что в процессе изменения магнитного потока, возникает электродвижущая сила, которая равна скорости магнитного потока через всю поверхность, которая ограничена контуром. Данная закономерность и получала название закон Фарадея или же закон электромагнитной индукции.

Следует отметить, что данный опыт говорит о том, что индукционный электрический ток, который появляется в замкнутом контуре в процессе вариации магнитного потока, направлен таким образом, что возникшее магнитное поле останавливает вариацию магнитного потока. Именно поэтому в замкнутом контуре и вызывается индукционный ток.

Закон Фарадея может быть записан следующим образом:

ε = -dФВ/dt где,

ε – это ЭДС, которая движется вдоль контура поля в произвольной форме.

Роль электромагнитной индукции в электротехнике

Закон, который был открыт Фарадеем, сыграл большую роль в развитии электротехники. Дело в том, что после открытия данного закона, стало возможным получать электрический ток при помощи магнитного поля. Если говорить простыми словами, то закон электромагнитной индукции – это своего рода обратный процесс, который позволяет превращать механическую энергию в энергию электрического поля.

На сегодняшний день, во всех электротехнических устройствах используется явление электромагнитной индукции. На данном принципе, основывается большое количество разного рода электрических машин.

Электродвижущая сила индукции – что и как?

Теперь хочется рассмотреть величину и направление электродвижущей силы в проводнике. Следует отметить, что данная величина может напрямую зависеть от силовых линий в поле, которые пересекают проводник за одну единицу времени. Проще говоря, она зависит от скорости движения электрического проводника в магнитном поле.

К тому же, величина индуктированной электродвижущей силы зависит и от длины того элемента проводника, который пересекает силовые линии магнитного поля.

Именно поэтому, чем большая часть пересекает силовые линии поля, тем большая часть электродвижущей силы в проводнике является индуктивной.

Также, следует отметить, что чем больше сила магнитного поля или чем больше его индуктивная составляющая, тем больше электродвижущая сила в той части проводника, которая пересекает магнитное поле. Данная зависимость может быть выражена простой формулой – E = Blv, где:

— В – это магнитная индукция поля;

— l – это длина электропроводника;

— v – это скорость электрического проводника в магнитном поле.

Следует знать, что в проводнике, который перемещается в магнитном поле, электродвижущая сила может возникнуть только тогда, когда данный проводник пересекается с магнитными линиями поля.

В том же случае, если проводник передвигается параллельно силовым линиям поля, то электродвижущая сила в нем возникнуть не может. К тому же, направление движения ЭДС может зависеть от того, в какую сторону направлено движения проводника электрического тока.

Для того чтобы определить направление электродвижущей силы, следует использовать правило Буравчика.

Источник: http://solo-project.com/articles/10/elektromagnitnaya-indukciya-i-ee-rol-v-elektrotehnike.html

Электромагнитная индукция. Правило Ленца

Явление электромагнитной индукции заключается в том, что в результате изменения во времени магнитного потока, который пронизывает замкнутый проводящий контур, в контуре возникает электрический ток. Открыто это явление было физиком из Великобритании Максом Фарадеем в 1831 году.

Формула магнитного потока

Введем обозначения, необходимые нам для записи формулы. Для обозначения магнитного потока используем букву Ф, площади контура – S, модуля вектора магнитной индукции – B, α – это угол между вектором B→ и нормалью n→ к плоскости контура.

Магнитный поток, который проходит через площадь замкнутого проводящего контура, можно задать следующей формулой:

Φ=B·S·cos α,

Проиллюстрируем формулу.

Рисунок 1.20.1. Магнитный поток через замкнутый контур. Направление нормали n→ и выбранное положительное направление l→ обхода контура связаны правилом правого буравчика.

За единицу магнитного потока в СИ принят 1 вебер (Вб). Магнитный поток, равный 1 Вб, может быть создан в плоском контуре площадью 1 м2 под воздействием магнитного поля с индукцией 1 Тл, которое пронизывает контур по направлению нормали.

1 Вб=1 Тл·м2

Закон Фарадея

Изменение магнитного потока приводит к тому, что в проводящем контуре возникает ЭДС индукции δинд. Она равна скорости, с которой происходит изменение магнитного потока через ограниченную контуром поверхность, взятой со знаком минус. Впервые экспериментально установил это Макс Фарадей. Он же записал свое наблюдение в виде формулы ЭДС индукции, которая теперь носит название Закона Фарадея:

Определение 1

Закон Фарадея:

δинд=-∆Φ∆t

Правило Ленца

Определение 2

Согласно результатам опытов, индукционный ток, который возникает в замкнутом контуре в результате изменения магнитного потока, всегда направлен определенным образом. Создаваемое индукционным током магнитное поле препятствует изменению вызвавшего этот индукционный ток магнитного потока. Ленц сформулировал это правило в 1833 году.

Проиллюстрируем правило Ленца рисунком, на котором изображен неподвижный замкнутый проводящий контур, помещенный в однородное магнитное поле. Модуль индукции увеличивается во времени. 

Пример 1

Рисунок 1.20.2. Правило Ленца

Здесь ∆Φ∆t>0, а δинд

Источник: https://zaochnik.com/spravochnik/fizika/magnitnoe-pole/elektromagnitnaja-induktsija-pravilo-lentsa/

Электромагнитная индукция, теория и примеры

Результаты своих эмпирических исследований М. Фарадей выразил наглядно. Если магнитное поле изображать при помощи линий магнитной индукции (), то модуль вектора индукции характеризует густота линий индукции. Допустим, что замкнутый проводник перемещается в неоднородном магнитном поле в сторону более сильного поля. При этом количество силовых линий поля, которые охватывает проводник, увеличивается.

Если проводник перемещается в сторону ослабления магнитного поля, то число силовых линий поля уменьшается. Магнитное поле является вихревым, линии поля не имеют начала и конца. Поэтому линии индукции сцепляются с нашим контуром как звенья цепи. Любое изменение числа линий индукции, которые охватывает контур возможно только, если эти линии пересекают контур. В связи с этим М.

Фарадей сделал вывод о том, что ток индукции появляется в проводнике только тогда, если проводник (или часть его) пересекает линии магнитной индукции.

Открытие явления электромагнитной индукции стало очень значимым событием. Оно показало, что можно получать не только магнитное поле при помощи токов, но и токи изменяя магнитное поле. Так была установлена взаимная связь между электрическими и магнитными явлениями.

Основной закон электромагнитной индукции

Закон электромагнитной индукции был установлен М. Фарадеем, однако его современную формулировку, которую мы будем использовать, дал Максвелл.

Появление тока индукции говорит о том, что в проводнике возникает определенная электродвижущая сила (ЭДС). Причиной появления ЭДС индукции является изменение магнитного потока. В системе международных единиц (СИ) закон электромагнитной индукции записывают так:

где – скорость изменения магнитного потока сквозь площадь, которую ограничивает контур.

Закон электромагнитной индукции применяют для того, чтобы определить единицу магнитного потока (вебера). Знак магнитного потока зависит от выбора положительной нормали к плоскости контура.

При этом направление нормали определяют при помощи правила правого винта, связывая его с положительным направлением тока в контуре. Так, произвольно назначают положительное направление нормали , определяют положительное направление тока и ЭДС индукции в контуре.

Знак минус в основном законе электромагнитной индукции соответствует правилу Ленца.

Формула (1) – отображает закон электромагнитной индукции в наиболее общей форме. Ее можно применять к неподвижным контурам и движущимся проводникам в магнитном поле. Производная, которая входит в выражение (1) в общем случае составлена из двух частей: одна зависит от изменения магнитного потока во времени, другая связывается с движением (деформаций) проводника в магнитном поле.

Если в переменном магнитном поле рассматривается контур состоящий из N витков, то закон электромагнитной индукции примет вид:

где величину называют потокосцеплением.

Примеры решения задач

Понравился сайт? Расскажи друзьям!

Источник: http://ru.solverbook.com/spravochnik/fizika/elektromagnitnaya-indukciya/

Электромагнитная индукция

Подробности Категория: Электричество и магнетизм 24.05.2015 20:43 7638

Электрические и магнитные явления тесно связаны. И если ток порождает магнетизм, то должно существовать и обратное явление — появление электрического тока при движении магнита. Так рассуждал английский учёный Майкл Фарадей, в 1822 г. сделавший в своём лабораторном дневнике следующую запись: «Превратить магнетизм в электричество».

Этому событию предшествовало открытие явления электромагнетизма датским физиком Хансом Кристианом Эрстедом, обнаружившим возникновение магнитного поля вокруг проводника с током. Много лет Фарадей проводил различные эксперименты, но первые опыты не принесли ему удачи. Основная причина была в том, что учёный не знал, что лишь переменное магнитное поле способно создать электрический ток. Реальный результат удалось получить лишь в 1831 г.

Опыты Фарадея

Нажать на картинку

В опыте, проделанном 29 августа 1931 г., учёный обмотал витками проводов противоположные стороны железного кольца. Один провод он соединил с гальванометром. В момент подключения второго провода к батарее стрелка гальванометра резко отклонялась и возвращалась в исходное положение.

Такая же картина наблюдалась и при размыкании контакта с батареей. Это означало, что в цепи появлялся электрический ток. Он возникал в результате того, что силовые линии магнитного поля, созданного витками первого провода, пересекали витки второго провода и генерировали в них ток.

Опыт Фарадея

Через несколько недель был проведен опыт с постоянным магнитом. Фарадей подключил гальванометр к катушке из медной проволоки. Затем резким движением втолкнул внутрь магнитный стержень цилиндрической формы. В этот момент стрелка гальванометра также резко качнулась.

Когда стержень извлекался из катушки, стрелка качнулась также, но в противоположную сторону. И так происходило каждый раз, когда магнит вталкивался или выталкивался из катушки. То есть ток появлялся в контуре при движении магнита в нём.

Так Фарадею удалось «превратить магнетизм в электричество».

Фарадей в лаборатории

Ток в катушке появляется также, если вместо постоянного магнита внутри неё перемещать другую катушку, подключенную к источнику тока.

Во всех этих случаях происходило изменение магнитного потока, пронизывающего контур катушки, что приводило к появлению электрического тока в замкнутом контуре. Это явление навали электромагнитной индукцией, а ток – индукционным током.

Известно, что ток в замкнутом контуре существует, если в нём поддерживает разность потенциалов с помощью электродвижущей силы (ЭДС). Следовательно, при изменении магнитного потока в контуре такая ЭДС в нём и возникает. Она называется ЭДС индукции.

Генератор электрического тока

Генератор переменного тока

Открытие Фарадеем электромагнитной индукции позволило использовать это явление на практике.

Что произойдёт, если вращать катушку с большим количеством витков из металлической проволоки в неподвижном магнитном поле? Магнитный поток, пронизывающий контур катушки, будет постоянно меняться. И в ней возникнет ЭДС электромагнитной индукции. Значит, такая конструкция может вырабатывать электрический ток. На этом принципе основана работа генераторов переменного тока.

Генератор состоит из 2 частей – ротора и статора. Ротор — это подвижная часть. В генераторах малой мощности чаще всего вращается постоянный магнит. В мощных генераторах вместо постоянного магнита используют электромагнит.

Вращаясь, ротор создаёт изменяющийся магнитный поток, который и генерирует электрический ток индукции в витках обмотки, расположенной в пазах неподвижной части генератора – статоре. Ротор приводят во вращение двигателем.

Это может быть паровая машина, водяная турбина и др.

Трансформатор

Это, пожалуй, самые распространённое устройство в электротехнике, предназначенное для преобразования электрического тока и напряжения. Трансформаторы используются в радиотехнике и электронике. Без них невозможна передача электроэнергии на большие расстояния.

Простейший трансформатор состоит из двух катушек, имеющих общий металлический сердечник. Переменный ток, подаваемый на одну из катушек, создаёт в ней переменное магнитное поле, которое усиливается сердечником. Магнитный поток этого поля, пронизывая витки второй катушки, создаёт в ней индукционный электрический ток.

Так как величина ЭДС индукции зависит от числа витков, то меняя их соотношение в катушках, можно менять и величину тока. Это очень важно, например, при передаче электроэнергии на большие расстояния. Ведь при транспортировке происходят большие потери, из-за того, что провода нагреваются. Уменьшив с помощью трансформатора ток, эти потери снижают. Но при этом напряжение увеличивается.

На конечном этапе с помощью понижающего трансформатора снижают напряжение и увеличивают ток. Конечно, такие трансформаторы устроены гораздо сложнее.

Нельзя не сказать о том, что не только Фарадей пытался создать индукционный ток. Подобные эксперименты проводил также известный американский физик Джозеф Генри. И ему удалось добиться успеха практически одновременно с Фарадеем. Но Фарадей опередил его, опубликовав сообщение о сделанном им открытии раньше Генри. 

Источник: http://ency.info/materiya-i-dvigenie/elektrichestvo-i-magnetizm/447-elektromagnitnaya-induktsiya

ЭДС индукции

Существование явления электромагнитной индукции говорит о том, что при изменении магнитного потока в контуре появляется электродвижущая сила индукции (ЭДС, ${{\mathcal E}}_i$). Величина ${{\mathcal E}}_i$ не зависит от способа изменения магнитного потока $(Ф)$, и связана со скоростью его изменения ($\frac{dФ}{dt}$). С изменением знака скорости изменения потока направление ЭДС индукции тоже изменяется:

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Знак потока $Ф$ и знак ${{\mathcal E}}_i$ связывают с выбором направления нормали к плоскости контура. ${{\mathcal E}}_i$ считают положительной если ее направление образует с направлением нормали к контуру правый винт. Для рис 1. и заданном направлении нормали «от нас», перпендикулярно плоскости рисунка ($\overrightarrow{n}$) $\frac{dФ}{dt} >0,\ {{\mathcal E}}_i

Рисунок 1.

Основной единицей измерения индукционной ЭДС служит вольт $(В)$. Если скорость изменения магнитного потока равна $1\frac{Вб}{с}$ в контуре индуцируется ЭДС, равная $1 В$.

В гауссовой системе формула (1) принимает вид:

где $с$ — скорость света в вакууме. Основной единицей измерения магнитного потока в СГСЭ является максвелл $(Мкс)$, тогда ${{\mathcal E}}_i$ измеряется в СГСЭ — единицах потенциала. Для того, чтобы перевести ЭДС из системы гаусса в вольты необходимо умножить имеющееся значение на $300$. Следовательно, формулой связи системы СИ и СГСЭ можно записать выражение:

Среднее значение ЭДС индукции может быть определено как:

Поток сцепления

Если контур, в котором индуцируется ЭДС, состоит из $N$ витков (соленоид), витки соединены последовательно, ${{\mathcal E}}_i$ равна сумме ЭДС, которые индуцируются каждым витком в отдельности. Следовательно, используя формулу (1), можно записать:

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/elektromagnitnaya_indukciya/

Занятие 15 электромагнитная индукция

Учебная цель:добиться понимания физической сущностиявления электромагнитной индукции, егозаконов. Научиться применять законФарадея — Ленца к решению практическихзадач на данную тему.

Литература

Основная: ДетлафА.А., Яворский Б.М. Курс физики. — М.: Высшаяшкола, 1989. — Гл. 25, § 25.1.

Дополнительная:Савельев И.В. Курс общей физики. — М.:Наука, 1987. — Т.2. — гл.8, § 60 — 63.

Контрольные вопросы для подготовки к занятию

1. Что является причиной возникновения индукционного тока? Поясните ответ опытами, проведенными Фарадеем.

2. Изменение какой из величин, или, определяет индукционный ток? Докажите это опытами Фарадея.

3. Сформулируйте и запишите закон Фарадея.

4. Сформулируйте и проиллюстрируйте опытом закон Ленца.

5. Запишите выражение и сформулируйте основной закон электромагнитной индукции (закон Фарадея — Ленца).

6. Докажите, что основной закон электромагнитной индукции является следствием закона сохранения энергии.

7. Определите направление индукционного тока на приведенных рис. 1 — 10.

8. Поясните возникновение индукционного тока в проводниках, движущихся в магнитном поле и неподвижных проводниках.

9. Какой характер носят индукционные токи в массивных проводниках?

10. Запишите выражение закона Ома для силы вихревого тока.

Краткие теоретические сведения и основные формулы

В 1831 г. Фарадейобнаружил, что в замкнутом проводящемконтуре при изменении потока магнитнойиндукции через поверхность, ограниченнуюэтим контуром, возникает электрическийток. Это явление называется электромагнитнойиндукцией,а возникающий ток — индукционным.

Возникновениеиндукционного тока указывает на наличиев цепи электродвижущей силы, называемойэлектродвижущей силой электромагнитнойиндукции .

Дальнейшееисследование индукционного тока вконтурах различной формы и размеровпоказали, что ЭДС электромагнитнойиндукции в контуре пропорциональна скоростиизменения магнитного потокасквозь поверхность, натянутую на этотконтур (законФарадея):

(15.1)

ЭДСэлектромагнитной индукции не зависитот того, чем именно вызвано изменениемагнитного потока – деформацией контура,его перемещением в магнитном поле илиизменением самого поля.

Э.Х. Ленц исследовалсвязь между направлением индукционноготока и характером вызвавшего егоизменения магнитного потока. Он установилправило, позволяющее найти направлениеиндукционного тока (законЛенца).Индукционный ток в контуре имеет всегдатакое направление, что создаваемое иммагнитное поле препятствует изменениюмагнитного потока, вызвавшему этотиндукционный ток.

Противодействиеизменению магнитного потока выражается знакомминус.Тогда формула (15.1) запишется в виде

(15.2)

где

Формула(15.2), объединяющая законы Фарадея иЛенца, является математическим выражениемосновного закона электромагнитнойиндукции:электродвижущаясила электромагнитной индукции взамкнутом контуре численно равна ипротивоположна по знаку скоростиизменения магнитного потока сквозьповерхность, натянутую на контур.

Есликонтур, в котором индуктируется ЭДС,состоит не из одного витка, а из Nпоследовательно соединенных витков(например, соленоид), то будет равна сумме ЭДС, индуктируемых вкаждом из витков в отдельности:

. (15.3)

Величину(Вб) называют потокосцеплением, илиполным магнитным потоком.

Тогда основнойзакон электромагнитной индукции можнозаписать в виде

. (15.4)

Немецкийфизик Г. Гельмгольц показал, что основнойзакон электромагнитной индукции можетбыть выведен из закона сохраненияэнергии.

Контурс током I,одна из сторон которого подвижна, помещенв однородное магнитное поле, перпендикулярноеплоскости контура (рис.15.1).

Рис. 15.1

Если полноесопротивление R,то согласно закону сохранения энергииработа источника тока за время dtбудет складываться из работы попреодолению сопротивления (теплота )и работы по перемещению проводника вмагнитном поле ():

откуда

где — ЭДС индукции.

Такимобразом, при изменении магнитногопотока, сцепленного с контуром, впоследнем возникает добавочнаяэлектродвижущая сила, которая выражаетсяформулой (15.2).

Можно показать,что ЭДС электромагнитной индукциивозникает не только в замкнутомпроводнике, но и в отрезке проводника,пересекающем при своем движении линиииндукции магнитного поля (рис.15.2).

Рис. 15.2

Наэлектроны проводимости металлическогопроводника длиной lдействует сила Лоренца:

или

Смещение электронов в направлении ,действующей на электроны, движущиесянаправленно со скоростью,вызывает их скопление в сечении 1 иуменьшает концентрацию в сечении 2. Этоприводит к появлению внутри проводникаэлектрического поля с напряженностью,направленной от сечения 2 к сечению 1.Электрическое поле действует на электроныс силой Кулонанаправленной против

Условие динамическогоравновесия

Причисленном равенстве этих сил дальнейшееперемещение электронов по проводникупрекратится и установится разностьпотенциалов

Поэтому дляравновесного состояния имеем

или

Позакону Ома для разомкнутой цепи (I= 0)

гдеЕ– ЭДС в проводнике.

Таккак на участке 1 — 2 никаких источниковтока нет, то естественно считать, что.Заменив разность потенциаловее выражением, получим

Таккак вдоль оси 0хскорость движения проводника то

где- скорость пересечения проводникомлиний индукции магнитного поля.

Дляобъяснения возникновения ЭДС индукциив неподвижных проводниках предположим,что всякое переменное магнитное полевозбуждает в окружающем пространствеэлектрическое поле, которое и являетсяпричиной возникновения индукционноготока в проводнике. Циркуляция вектораэтого поля по любому неподвижномуконтуруlпроводника представляет собой ЭДСэлектромагнитной индукции:

гдепроизводная учитывает зависимость потока магнитнойиндукции только от времени (частнаяпроизводная).

Индукционныйток возникает не только в линейныхпроводниках, но и в массивных сплошныхпроводниках, помещенных в переменноемагнитное поле. Эти токи оказываютсязамкнутыми в толще проводника, и поэтомуназываются вихревыми, или токами Фуко.

Направления этих токов согласно правилуЛенца такие, что их магнитное полепротиводействует изменению магнитногопотока, индуцирующего эти токи.

Сопротивление массивных проводниковневелико, поэтому вихревые токи могутдостигать значительной величины, тембольшей, чем больше скорость изменения(частота) магнитного потока или скоростьдвижения проводника:

.

Вихревые токивызывают сильное нагревание проводника

.

Количество тепла, выделяемое в единицу времени вихревыми токами пропорциональноквадрату частоты изменения магнитногопотока.

Источник: https://studfile.net/preview/5289450/

54. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ

Макеты страниц

Если электрический ток, как показали опыты Эрстеда, создает магнитное поле, то не может ли в свою очередь магнитное поле вызывать электрический ток в проводнике? Многие ученые с помощью опытов пытались найти ответ на этот вопрос, но первым решил эту задачу Майкл Фарадей (1791—1867).

В 1831 г. Фарадей обнаружил, что в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля возникает электрический ток. Этот ток назвали индукционным током.

Индукционный ток в катушке из металлической проволоки возникает при вдвигании магнита внутрь катушки и при выдвигании магнита из катушки (рис. 192), а также при изменении силы тока во второй катушке, магнитное поле которой пронизывает первую катушку (рис. 193).

Явление возникновения электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменениях магнитного поля, пронизывающего контур, называется электромагнитной индукцией.

Появление электрического тока в замкнутом контуре при изменениях магнитного поля, пронизывающего контур, свидетельствует о действии в контуре сторонних сил неэлектростатической природы или о возникновении ЭДС индукции. Количественное описание явления электромагнитной индукции дается на основе установления связи между ЭДС индукции и физической величиной, называемой магнитным потоком.

Магнитный поток

Для плоского контура, расположенного в однородном магнитном поле (рис. 194), магнитным потоком Ф через поверхность площадью называют величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции В на площадь и на косинус угла а между вектором В и нормалью к поверхности:

Закон электромагнитной индукции

Экспериментальное исследование зависимости ЭДС индукции от изменения магнитного потока привело к установлению закона электромагнитной индукции: ЭДС индукции в замкнутом контуре пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.

В СИ единица магнитного потока выбрана такой, чтобы коэффициент пропорциональности между ЭДС индукции и изменением магнитного потока был равен единице. При этом закон электромагнитной индукции формулируется следующим образом: ЭДС индукции в замкнутом контуре равна модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:

С учетом правила Ленца закон электромагнитной индукции записывается следующим образом:

ЭДС индукции в катушке

Если в последовательно соединенных контурах происходят одинаковые изменения магнитного потока, то ЭДС индукции в них равна сумме ЭДС индукции в каждом из контуров. Поэтому при изменении магнитного потока в катушке, состоящей из одинаковых витков провода, общая ЭДС индукции в раз больше ЭДС индукции в одиночном контуре:

Единица магнитного потока

Единица магнитного потока в Международной системе единиц называется вебером Она определяется на основании использования закона электромагнитной индукции. Магнитный поток через площадь, ограниченную замкнутым контуром, равен если при равномерном убывании этого потока до нуля за 1 с в контуре возникает ЭДС индукции 1 В:

Для однородного магнитного поля на основании уравнения (54.1) следует, что его магнитная индукция равна если магнитный поток через контур площадью равен

Вихревое электрическое поле

Закон электромагнитной индукции (54.3) по известной скорости изменения магнитного потока

позволяет найти значение ЭДС индукции в контуре и при известном значении электрического сопротивления контура вычислить силу тока в контуре. Однако при этом остается нераскрытым физический смысл явления электромагнитной индукции. Рассмотрим это явление подробнее.

Возникновение электрического тока в замкнутом контуре свидетельствует о том, что при изменении магнитного потока, пронизывающего контур, на свободные электрические заряды в контуре действуют силы. Провод контура неподвижен, неподвижными можно считать свободные электрические заряды в нем.

На неподвижные электрические заряды может действовать только электрическое поле. Следовательно, при любом изменении магнитного поля в окружающем пространстве возникает электрическое поле. Это электрическое поле и приводит в движение свободные электрические заряды в контуре, создавая индукционный электрический ток.

Электрическое поле, возникающее при изменениях магнитного поля, называют вихревым электрическим полем.

Работа сил вихревого электрического поля по перемещению электрических зарядов и является работой сторонних сил, источником ЭДС индукции.

Вихревое электрическое поле отличается от электростатического поля тем, что оно не связано с электрическими зарядами, его линии напряженности представляют собой замкнутые линии. Работа сил вихревого электрического поля при движении электрического заряда по замкнутой линии может быть отлична от нуля.

ЭДС индукции в движущихся проводниках

Явление электромагнитной индукции наблюдается и в тех случаях, когда магнитное поле не изменяется во времени, но магнитный поток через контур изменяется из-за движения проводников контура в магнитном поле. В этом случае причиной возникновения ЭДС индукции является не вихревое электрическое поле, а сила Лоренца.

Рассмотрим прямоугольный контур в однородном магнитном поле, вектор индукции В которого перпендикулярен плоскости контура. Если провод скользит с постоянной скоростью по двум проводникам контура (рис. 196), то за время площадь контура изменяется на величину а магнитый поток через контур — на

Поэтому ЭДС индукции в контуре будет равна

В проводнике, движущемся в магнитном поле, на электрический заряд действует сила Лоренца

Вычислим работу силы Лоренца, действующей на электрический заряд во время полного обхода контура.

На пути длиной работа силы Лоренца равна

В неподвижных частях контура сила Лоренца равна нулю, поэтому полная работа силы Лоренца при обходе контура зарядом равна работе силы Лоренца на движущемся участке контура.

Рассматривая работу силы Лоренца как работу сторонних сил в контуре, мы получим выражение для ЭДС сторонних сил:

Совпадение выражений (54.5) и (54.7) показывает, что причиной возникновения ЭДС индукции в контуре в этом случае является действие силы Лоренца на заряды в движущемся проводнике.

Источник: http://scask.ru/m_book_dph.php?id=56

Закон электромагнитной индукции Фарадея

И так, мы знаем, что наведенная электродвижущая сила в проводнике, движущемся в некотором магнитном поле, с определенной скоростью, а её величина зависит от скорости передвижения проводника. Но это еще не все, электродвижущая сила так же зависит от длины проводника, важна именно длина, которая находится под действием магнитного поля магнита, а еще зависит от индукции магнитного поля и от направления передвижения самого проводника.
М.

Фарадей сформулировал закон электромагнитной индукции следующим образом:

«Индуцируемая электродвижущая сила прямо пропорциональна индукции магнитного поля B, длине проводника l и скорости его перемещения v в направлении, перпендикулярном силовым линиям поля.»

Этот закон можно выразить формулой, где электродвижущая сила обозначается буквой e:

Когда проводник движется не под прямым углом по отношению к магнитному полю, то формула имеет следующий вид:

Где:
e – электродвижущая сила; B – индукция магнитного поля; l – длина проводника; v – скорость перемещения проводника в магнитном поле;
Sin ϕ – синус угла под которым производится перемещение относительно магнитного поля.
Индуцирование электродвижущей силы в проводнике происходит лишь тогда, когда он перемещается в магнитном поле, то есть пересечение магнитными силовыми линиями не должно быть постоянным, а всегда изменятся.
Электродвижущая сила в этом проводнике будит индуцироваться не зависимо от того, замкнута цепь проводника или нет.
Как для протекания электрического тока, основным условием является наличие замкнутой цепи, так и для электродвижущей силы, главное условие ее наведения – это изменение силовых магнитных линий, пересекающих проводник.
Заметьте, что движение проводника в магнитном поле не является основополагающим фактором индуцирования электродвижущая сила. Допускается и то, что проводник неподвижен, а перемещаться будит лишь магнитное поле, в котором находится этот проводник.

Правило правой руки

Вы, наверное, обратили внимание, что при изменении направления перемещения проводника в магнитном поле изменяется и направление отклонения стрелочки гальванометра, следовательно, и индуцируемая электродвижущая сила изменила свое направление.
Существует правило, благодаря которому можно определить направление индуцируемой электродвижущей силы, это правило называется «Правило правой руки».
Правило правой руки звучит следующим образом:

«Если ладонь правой руки держать так, чтобы в нее входили магнитные силовые линии поля, а отогнутый большой палец совместить с направлением движения проводника, то вытянутые четыре пальца укажут направление индуцированной электродвижущей силы»

Применение электромагнитной индукции

Электромагнитная индукция это — серьёзное основание (база), понимание и овладение которым, открывает большинство дверей в мире электрических машин.
Работа всех электрических машин переменного тока основывается на явлении электромагнитной индукции.

К таким машинам относят всем давно известные трансформаторы, различные типы двигателей, в основном это асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, а также с фазным ротором, различные типы и виды генераторов: асинхронные, синхронные.
Многие, наверное, слышали о индукционных печах, индукционный способ плавки, а индукционные счетчики электрической энергии уже устаревшие.

Принцип работы многих электрических аппаратов основывается на явлении магнитной индукции, это такие как магнитные пускатели, контакторы, различные типы реле и современные датчики положения.
В современной технике данное явление применяется в беспроводных зарядках для телефонов, в микроволновых печах и так далее.
Но существует и обратная сторона медали.

Из-за явления электромагнитной индукции в электроэнергетике существуют колоссальные потери на всем известные вихревые токи, которые наводятся практически везде. Хотя с этим видом потерь активно борются и находят те или иные способы уменьшения таких потерь, но все же они вещественны и ощутимы.

Источник: https://white-santa.ru/indukciya/

Магнитная индукция. Определение и описание явления

Магнитная индукция (обозначается символом В) – главная характеристика магнитного поля (векторная величина ), которая определяет силу воздействия на перемещающийся электрический заряд (ток) в магнитном поле, направленной в перпендикулярном направлении скорости движения.

Магнитная индукция определяется способностью влиять на объект с помощью магнитного поля. Эта способность проявляется при перемещении постоянного магнита в катушке, в результате чего в катушке индуцируется (возникает) ток, при этом магнитный поток в катушке также увеличивается.

Физический смысл магнитной индукции

Физически это явление объясняется следующим образом. Металл имеет кристаллическую структуру (катушка состоит из металла). В кристаллической решетке металла расположены электрические заряды — электроны. Если на металл не оказывать ни какое магнитное воздействие, то заряды (электроны) находятся в покое и никуда не движутся.

Если же металл попадает под действие переменного магнитного поля (из-за перемещения постоянного магнита внутри катушки — именно перемещения), то заряды начинают двигаться под действием этого магнитного поля.

 В результате чего в металле возникает электрический ток. Сила этого тока зависит от физических свойств магнита и катушки и скорости перемещения одного относительно другого.

При помещении металлической катушки в магнитное поле заряженные частицы металлический решетки (в кашутке) поворачиваются на определенный угол и размещаются вдоль силовых линий магнитного поля.

Чем выше сила магнитного поля, тем больше количество частиц поворачиваются и тем более однородным будет являться их расположение.

Магнитные поля, ориентированные в одном направлении не нейтрализуют друг друга, а складываются, формируя единое поле.

Формула магнитной индукции

где, В — вектор магнитной индукции, F — максимальная сила действующая на проводник с током, I — сила тока в проводнике, l — длина проводника.

Что такое электромагнитная индукция?

Всем доброго времени суток. В прошлых статьях я рассказал о магнитном поле в веществе, а так же магнитных цепях и методах их расчёта. Данная статья посвящена такому явлению, как ЭДС индукции, в каких случаях она возникает, а так же затрону понятие индуктивности, как основного параметра характеризующего возникновение магнитного потока при возникновении электрического поля в проводнике.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Как возникает ЭДС индукции и индукционный ток?

Как я говорил в предыдущих статьях вокруг проводника, по которому протекает электрический ток, возникает электромагнитное поле. Данное магнитное поле я рассмотрел здесь и здесь. Однако существует и обратное явление, которое называется электромагнитная индукция. Данное явление открыл английский физик М. Фарадей.

Для рассмотрения данного явления рассмотрим следующий рисунок

Рисунок, иллюстрирующий электромагнитную индукцию.

На данном рисунке показана рамка из проводника, помещённая в электрическое поле с индукцией В. Если данную рамку двигать вверх-вниз по направлению магнитных силовых линий или влево – вправо перпендикулярно силовым линиям, то магнитный поток Φ пронизывающий рамку буден практически постоянным.

Если же вращать рамку вокруг оси О, то за некоторый промежуток времени ∆t  магнитный поток изменится на некоторую величину ∆Φ и в результате в рамке появится ЭДС индукции Еi и потечёт ток I, называемым индукционным током.

Чему равно ЭДС индукции?

Для определения величины возникающей ЭДС рассмотрим контур помещенный в однородное магнитное поле с индукцией В, по данному контуру свободно может перемещаться проводник длиной l.

Возникновение ЭДС индукции в прямолинейном проводнике.

Под действием силы F проводник начинает двигаться со скоростью v. За некоторое время ∆t проводник пройдёт путь db. Таким образом, затрачиваемая работа на перемещение проводника составит

Так как проводник состоит из заряженных частиц – электронов и протонов, то они также движутся вместе с проводником. Как известно на движущуюся заряженную частицу действует сила Лоренца, которая перпендикулярна к направлению движения частицы и к вектору магнитной индукции В, то есть электроны начинают двигаться вдоль проводника приводя  к возникновению электрического тока в нём.

Однако на проводник с током в магнитном поле действует некоторая сила Fт, которая в соответствии с правилом левой руки будет противоположна действию силы F, за счёт которой проводник движется. Так как проводник движется равномерно, то есть с постоянной скоростью, то силы  Fт и F равны по абсолютному значению

где В – индукция магнитного поля,

I – сила тока в проводника, возникающая по действием ЭДС индукции,

l – длина проводника.

Так как путь db пройденный проводником зависит от скорости v и времени t, то работа, затрачиваемая на перемещения проводника, в магнитном поле составит

При перемещении проводника в магнитном поле практически вся затрачиваемая на эту работу механическая энергия переходит в электрическую энергию, то есть

Таким образом, преобразовав последнее выражение, получим значение ЭДС индукции при движении прямолинейного проводника в магнитном поле

где В – индукция магнитного поля,

l – длина проводника,

v – скорость перемещения проводника.

Данное выражение соответствует движению проводника перпендикулярно линиям магнитной индукции. Если происходит движение под некоторым углом к линиям магнитной индукции, то выражение приобретает вид

На практике достаточно трудно посчитать скорость перемещения проводника, поэтому преобразуем выражение к следующему виду

где dS – площадка, которую пересекает проводник при своём движении,

dΦ – магнитный поток пронизывающий площадку dS.

Таким образом, ЭДС индукции равна скорости изменения магнитного потока, который пронизывает контур.

Для обозначения направления движения тока в контуре вводят знак «–», который указывает, что ток в контуре направлен против положительного обхода контура. Таким образом

Зачастую в магнитном поле движется контур, состоящий из множества витков провода, поэтому ЭДС индукции будет иметь вид

где w – количество витков в контуре,

dΨ = wdΦ – элементарное потокосцепление.

Перефразируя предыдущее определение, ЭДС индукции в контуре равна скорости изменения потокосцепления этого контура.

Что такое ЭДС самоидукции? Индуктивность

Как известно вокруг проводника с током существует магнитное поле. Так как индукция магнитного поля пропорциональна силе тока протекающего через проводник, а магнитный поток пропорционален магнитной индукции, следовательно, магнитный поток пропорционален силе тока, протекающей через проводник.

Таким образом, при изменении силы тока происходит изменение магнитного потока (или потокосцепления). Однако в соответствие с законом электромагнитной индукции, изменение потокосцепления приводит к возникновению в проводнике ЭДС индукции.

Данное явление (возникновение ЭДС) в проводнике при изменении проходящего по нему тока называется самоиндукцией. Возникающая вследствие самоиндукции ЭДС называется ЭДС самоиндукции ЕL, которая равна

где dΨL – изменение потокосцепления.

Следовательно между электрическим током в проводнике и потокосцеплением, возникающего вокруг проводника магнитного поля существует некоторый коэффициент пропорциональности связывающий их. Таким коэффициентом является индуктивность – обозначается L (имеет старое название коэффициент самоиндукции)

Величина индуктивности характеризует способность электрической цепи создавать потокосцепление (магнитный поток) при протекании по ней электрического тока. Единицей индуктивности является Генри (обозначается Гн)

Таким образом, индуктивность зависит от геометрических размеров проводника с током и от магнитных свойств магнитной цепи, через которую замыкается магнитный поток, создаваемый проводником с током.

В следующей статье я расскажу, как рассчитать индуктивность различных по форме проводников с током.

Что такое взаимная индукция? Взаимная индуктивность

Для разъяснения понятия взаимной индукции рассмотрим две катушки К1 и К2 расположенные близко друг от друга

Взаимная индукция двух катушек расположенных рядом.

Если по одной из катушек пропускать электрический ток i1, то вокруг данной катушки возникнет магнитное поле с потоком Φ1, часть магнитных силовых линий которого будет пересекать и вторую катушку, вокруг которой образуется магнитный поток Φ12.

Таким образом, при изменении тока i1в первой катушке будет изменяться магнитный поток Φ1, а, следовательно, и магнитный поток Φ12, пересекающий вторую катушку, что непременно приведёт к изменению электрического тока во второй катушке и соответственно возникновению ЭДС.

Таким образом, возникновение ЭДС в контуре под действием изменяющегося тока в близкорасположенном соседней катушке, имеет название взаимной индукции.

Как было сказано выше, явление самоиндукции в количественной форме выражается индуктивностью L, аналогично и взаимная индукция определяется физической величиной называемой взаимной индуктивностью М (имеет размерность Генри – «Гн»). Данная величина определяется отношением потокосцепления во вторичной катушке Ψ12  к току в первичной катушке i1

Однако, определить взаимную индукцию можно и обратным способом, то есть пропуская ток i2 через вторичную катушку. В этом случае будет создаваться магнитный поток Φ2, часть которого Φ21 будет пронизывать первичную катушку, тогда взаимная индукция будет определяться следующим выражением

Так же как и в случае с самоиндукцией, ЭДС взаимной индукции во вторичной катушке будет зависеть от скорости изменения магнитного потока или потокосцепления

Взаимная индуктивность М имеет зависимость от индуктивности двух катушек и определяется согласно следующему выражению

где k – коэффициент связи, зависящий от степени индуктивной связи между катушками;

L1 – индуктивность первой катушки;

L2 – индуктивность второй катушки.

Коэффициент индуктивной связи k определяется следующим выражением

Из данного выражения видно, что коэффициент связи всегда будет меньше единицы, так как Φ12< Φ1 и Φ21< Φ2.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Источник: http://www.electronicsblog.ru/nachinayushhim/chto-takoe-elektromagnitnaya-indukciya.html

Электромагнитная индукция – FIZI4KA

ЕГЭ 2018 по физике ›

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

Явление электромагнитной индукции было открыто М. Фарадеем.

Опыты Фарадея

• 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.

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.

Источник: https://fizi4ka.ru/egje-2018-po-fizike/jelektromagnitnaja-indukcija.html

Индукционный ток

При изменении магнитного потока через замкнутый проводящий контур, в контуре возникает электрический ток.
То есть, если скрутить из проволоки рамку и поместить ее в изменяющееся магнитное поле, по рамке ПОТЕЧЕТ ТОК — ИНДУКЦИОННЫЙ ТОК!

Опыты показали, что индукционный ток возникает только при изменении линий магнитной индукции.
Сила индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока.

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 — ЭДС индукции.

Электроны в неподвижном проводнике могут приводиться в движение только электрическим полем. Это электрическое поле порождается изменяющимся во времени магнитным полем — вихревым электрическим полем.

Свойства вихревого электрического поля:

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

Явление электромагнитной индукции

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

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

Нужна помощь в учебе?

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

Источник: http://www.nado5.ru/e-book/ehlektromagnitnaya-indukciya

Электромагнитная индукция. Индуктивность и емкость в контуре переменного тока. Установка демонстрационная

Установкапредназначена для проведения демонстраций основных явленийвозникновения ЭДС электромагнитной индукции, ЭДС самоиндукции, контуровR-L, R-C, L-C в цепи переменного тока, переходных процессов в этихконтурах, явлений резонанса в контуре L-C и т.д.

Конструктивноустановка выполнена в виде набора состоящего из катушек разныхдиаметров и различным количеством витков, системы магнитов, небольшихмагазинов емкостей и сопротивлений, ферромагнитного сердечника, гибкогои жесткого одиночных контуров, соединительных проводов, устройствкоммутации и поддона, на котором размещаются все принадлежности вовремя демонстрации.

Установка позволяет проводить следующиедемонстрации:

• возникновение ЭДС электромагнитной индукции при перемещении(повороте) катушки (одиночного контура) в магнитном поле создаваемогосоленоидом, по которому протекает постоянный ток, постоянным магнитом либо спомощью катушек Гельмгольца (ФДЭ-022М)
• изменение фаз или формы сигнала вследствие явления ЭДС самоиндукции
• зависимость индуктивности катушки от магнитных свойств сердечника
• зависимость коэффициента взаимной индукции от расстояния междукатушками
• переменный ток в R-L, R-C, L-C контурах
• переходные процессы в контурах R-L, R-C, L-C
• резонанс в колебательном контуре
• затухающие электрические колебания

Для проведения демонстраций необходимы следующие дополнительныеприборы:

Примечание: дополнительные приборы поставляются по отдельной заявке.

Основные технические характеристики

Количество витков малой катушки, не менее	100
Индуктивность малой катушки, мГн	0,68±10%
Количество витков большой катушки, не менее	300
Индуктивность большой катушки, мГн	3,1±10%
Индукция магнитного поля создаваемого магнитной системой, мТл	8
Диапазон установки емкости, мкФ	0.00-11,00
Относительная погрешность установки емкости, %	10
Диапазон установки сопротивления, Ом	0-990
Относительная погрешность установки сопротивления, %	1
Габаритные размеры, мм, не более	500x350x450
Масса, кг, не более	12

Фотографии

Источник: http://www.uchtech.com.ua/ru/fde/fde003m.html