Содержание

Формула индукции

В этом разделе мы рассмотрим только три вида индукции: электромагнитную индукцию, индукцию магнитного поля и электрическую индукцию и основные формулы, при помощи которых данные виды индукции вычисляют.

Формула индукции электрического поля

Электрическая индукция (или вектор электрического смещения ()) – это одна из основных векторных характеристик электрического поля. Формулой определяющей вектор электрической индукции является выражение:

   

где – вектор напряженности электрического поля; – вектор поляризации; – электрическая постоянная.

Для изотропного вещества индукция электрического поля связана с напряженность это поля как:

   

где – диэлектрическая проницаемость вещества.

Самой распространённой формулой, при помощи которой находят величину вектора индукции электростатического поля, является теорема Остроградского – Гаусса:

   

Поток () вектора электростатической индукции () в диэлектрике через произвольную замкнутую поверхность равен сумме свободных зарядов, которые находятся внутри рассматриваемой поверхности. В данной форме теорема Гаусса выполняется и для однородной и изотропной среды, так и для неоднородной анизотропной.

Формула вектора индукции магнитного поля

Модуль вектора равен частному от деления максимальной силы Ампера (), с которой магнитное поле оказывает воздействие на отрезок проводника с током (I) к произведению силы тока на длину проводника ():

   

На заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле, действует сила Лоренца. По величине ее воздействия на заряд также можно установить модуль вектора :

   

где – модуль силы Лоренца; q – заряд частицы, движущейся со скоростью v в магнитном поле; – это угол между векторами и . Направления , векторов и связаны между собой правилом левой руки.

Формулой, которая определяет величину вектора магнитной индукции в конкретной точке магнитного поля можно считать следующее выражение:

   

где – максимальный вращающий момент, действующий на рамку, которая обладает магнитным моментом , равным единице, если нормаль к рамке перпендикулярна направлению поля.

Основными законами, которыми пользуются чаще всего для расчета магнитных полей, являются: закон Био-Савара-Лапласа и теорема о циркуляции вектора магнитной индукции.

Формула электромагнитной индукции

Если проводник помещен в переменное магнитное поле, то в нем возникает электродвижущая сила – это сущность явления электромагнитной индукции.

Основной закон электромагнитной индукции состоит в следующем: ЭДС электромагнитной индукции () в контуре, помещенном в переменное магнитное поле, равна по величине скорости изменения магнитного потока (), который проходит через поверхность, которую ограничивает рассматриваемый контур. При этом знаки ЭДС и скорости изменения магнитного потока противоположны.

В системе международных единиц (СИ) закон электромагнитной индукции записывают так:

   

где – скорость изменения магнитного потока сквозь площадь, которую ограничивает контур. (Часто индекс у магнитного потока опускают и обозначают его Ф). Когда вычисляют ЭДС индукции и магнитный поток, учитывают то, что направление нормали к плоскости контура () и направление его обода связаны. Вектор должен быть направлен так, чтобы из его конца обход контура проходил против часовой стрелки.

Примеры решения задач по теме «Индукция»

Формулы электромагнитной индукции

Если проводник замкнут, то есть является контуром, то в нем появляется ток индукции. Явление было открыто в 1831 г. М. Фарадеем.

Основной закон электромагнитной индукции

Основной формулой, при помощи которой определяют ЭДС индукции (), является закон Фарадея – Максвелла, больше известный как основной закон электромагнитной индукции (или закон Фарадея). В соответствии с данным законом, электродвижущая сила индукции в контуре, находящемся в переменном магнитном поле, равна по модулю и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока () через поверхность, которую ограничивает рассматриваемый контур:

   

где – скорость изменения магнитного потока. Полная производная присутствующая в формуле (1) охватывает весь спектр причин изменения магнитного потока через поверхность контура. Знак минус в формуле (1) отвечает правилу Ленца. В виде (1) формула ЭДС записана для международной системы единиц (СИ), в других системах вид закона может отличаться.

При равномерном изменении магнитного потока основной закон электромагнитной индукции записывают как:

   

Формулы ЭДС индукции для частных случаев

ЭДС индукции для контура имеющего N витков, находящегося в переменном магнитном поле можно найти как:

   

где – потокосцепление.

Если прямолинейный проводник движется в однородном магнитном поле, то в нем появляется ЭДС индукции, равная:

   

где v – скорость движения проводника; l – длина проводника; B – модуль вектора магнитной индукции поля; .

Разность потенциалов (U) на концах прямого проводника, движущегося в однородном магнитном поле с постоянной скоростью будет равна:

   

где – угол между направлениями векторов и .

При вращении плоского контура с постоянной скоростью в однородном магнитном поле вокруг оси, которая лежит в плоскости контура в нем появляется ЭДС индукции, которую можно вычислить как:

   

где S – площадь, которую ограничивает виток; – поток самоиндукции витка; — угловая скорость; () – угол поворота контура. Необходимо заметить, что формула (5) применима, в случае, если ось вращения составляет прямой угол с направлением вектора внешнего магнитного поля .

Если вращающаяся рамка обладает N витками, при этом самоиндукцией рассматриваемой системы можно пренебречь, то:

   

Если проводник неподвижен в переменном магнитном поле, то ЭДС индукции можно найти как:

   

Примеры решения задач по теме «Электромагнитная индукция»

Магнетизм — Физика — Теория, тесты, формулы и задачи

Оглавление:

 

Основные теоретические сведения

Сила Ампера

К оглавлению…

Заряженные тела способны создавать кроме электрического еще один вид поля. Если заряды движутся, то в пространстве вокруг них создается особый вид материи, называемый

магнитным полем. Следовательно, электрический ток, представляющий собой упорядоченное движение зарядов, тоже создает магнитное поле. Как и электрическое поле, магнитное поле не ограничено в пространстве, распространяется очень быстро, но все же с конечной скоростью. Его можно обнаружить только по действию на движущиеся заряженные тела (и, как следствие, токи).

Для описания магнитного поля необходимо ввести силовую характеристику поля, аналогичную вектору напряженности E электрического поля. Такой характеристикой является вектор B магнитной индукции. В системе единиц СИ за единицу магнитной индукции принят 1 Тесла (Тл). Если в магнитное поле с индукцией B поместить проводник длиной l с током I, то на него будет действовать сила, называемая силой Ампера, которая вычисляется по формуле:

где: В – индукция магнитного поля, I – сила тока в проводнике, l – его длина. Сила Ампера направлена перпендикулярно вектору магнитной индукции и направлению тока, текущего по проводнику. 

Для определения направления силы Ампера обычно используют правило «Левой руки»: если расположить левую руку так, чтобы линии индукции входили в ладонь, а вытянутые пальцы были направлены вдоль тока, то отведенный большой палец укажет направление силы Ампера, действующей на проводник (см. рисунок).

Если угол α между направлениями вектора магнитной индукции и тока в проводнике отличен от 90°, то для определения направления силы Ампера надо взять составляющую магнитного поля, которая перпендикулярна направлению тока. Решать задачи этой темы нужно так же как и в динамике или статике, т.е. расписав силы по осям координат или складывая силы по правилам сложения векторов.

Момент сил, действующих на рамку с током

Пусть рамка с током находится в магнитном поле, причём плоскость рамки перпендикулярна полю. Силы Ампера будут сжимать рамку, а их равнодействующая будет равна нулю. Если поменять направление тока, то силы Ампера поменяют своё направление, и рамка будет не сжиматься, а растягиваться. Если линии магнитной индукции лежат в плоскости рамки, то возникает вращательный момент сил Ампера.

Вращательный момент сил Ампера равен:

где: S — площадь рамки, α — угол между нормалью к рамке и вектором магнитной индукции (нормаль — вектор, перпендикулярный плоскости рамки), N – количество витков, B – индукция магнитного поля, I – сила тока в рамке.

 

Сила Лоренца

К оглавлению…

Сила Ампера, действующая на отрезок проводника длиной Δl с силой тока I, находящийся в магнитном поле B может быть выражена через силы, действующие на отдельные носители заряда. Эти силы называют силами Лоренца

. Сила Лоренца, действующая на частицу с зарядом q в магнитном поле B, двигающуюся со скоростью v, вычисляется по следующей формуле:

Угол α в этом выражении равен углу между скоростью и вектором магнитной индукции. Направление силы Лоренца, действующей на положительно заряженную частицу, так же, как и направление силы Ампера, может быть найдено по правилу левой руки или по правилу буравчика (как и сила Ампера). Вектор магнитной индукции нужно мысленно воткнуть в ладонь левой руки, четыре сомкнутых пальца направить по скорости движения заряженной частицы, а отогнутый большой палец покажет направление силы Лоренца. Если частица имеет отрицательный заряд, то направление силы Лоренца, найденное по правилу левой руки, надо будет заменить на противоположное.

Сила Лоренца направлена перпендикулярно векторам скорости и индукции магнитного поля. При движении заряженной частицы в магнитном поле

сила Лоренца работы не совершает. Поэтому модуль вектора скорости при движении частицы не изменяется. Если заряженная частица движется в однородном магнитном поле под действием силы Лоренца, а ее скорость лежит в плоскости, перпендикулярной вектору индукции магнитного поля, то частица будет двигаться по окружности, радиус которой можно вычислить по следующей формуле:

Сила Лоренца в этом случае играет роль центростремительной силы. Период обращения частицы в однородном магнитном поле равен:

Последнее выражение показывает, что для заряженных частиц заданной массы m период обращения (а значит и частота, и угловая скорость) не зависит от скорости (следовательно, и от кинетической энергии) и радиуса траектории R.

 

Теория о магнитном поле

К оглавлению…

Магнитное взаимодействие токов

Если по двум параллельным проводам идёт ток в одном направлении, то они притягиваются; если в противоположных направлениях, то отталкиваются. Закономерности этого явления были экспериментально установлены Ампером. Взаимодействие токов вызывается их магнитными полями: магнитное поле одного тока действует силой Ампера на другой ток и наоборот. Опыты показали, что модуль силы, действующей на отрезок длиной Δ

l каждого из проводников, прямо пропорционален силам тока I1 и I2 в проводниках, длине отрезка Δl и обратно пропорционален расстоянию R между ними:

где: μ0 – постоянная величина, которую называют магнитной постоянной. Введение магнитной постоянной в СИ упрощает запись ряда формул. Ее численное значение равно:

μ0 = 4π·10–7 H/A2 ≈ 1,26·10–6 H/A2.

Сравнивая приведенное только что выражение для силы взаимодействия двух проводников с током и выражение для силы Ампера нетрудно получить выражение для индукции магнитного поля создаваемого каждым из прямолинейных проводников с током на расстоянии R от него:

где: μ – магнитная проницаемость вещества (об этом чуть ниже). Если ток протекает по круговому витку, то в центре витка индукция магнитного поля определяется по формуле:

Силовыми линиями магнитного поля называют линии, по касательным к которым располагаются магнитные стрелки. Магнитной стрелкой называют длинный и тонкий магнит, его полюса точечны. Подвешенная на нити магнитная стрелка всегда поворачивается в одну сторону. При этом один её конец направлен в сторону севера, второй — на юг. Отсюда название полюсов: северный (N) и южный (S). Магниты всегда имеют два полюса: северный (обозначается синим цветом или буквой N) и южный (красным цветом или буквой S). Магниты взаимодействуют так же, как и заряды: одноименные полюса отталкиваются, а разноименные – притягиваются. Невозможно получить магнит с одним полюсом. Даже если магнит разломать, то у каждой части будет по два разных полюса.

Вектор магнитной индукции

Вектор магнитной индукции — векторная физическая величина, являющаяся характеристикой магнитного поля, численно равная силе, действующей на элемент тока в 1 А и длиной 1 м, если направление силовой линии перпендикулярно проводнику. Обозначается В, единица измерения — 1 Тесла. 1 Тл — очень большая величина, поэтому в реальных магнитных полях магнитную индукцию измеряют в мТл.

Вектор магнитной индукции направлен по касательной к силовым линиям, т.е. совпадает с направлением северного полюса магнитной стрелки, помещённой в данное магнитное поле. Направление вектора магнитной индукции не совпадает с направлением силы, действующей на проводник, поэтому силовые линии магнитного поля, строго говоря, силовыми не являются.

Силовая линия магнитного поля постоянных магнитов направлена по отношению к самим магнитам так, как показано на рисунке:

В случае магнитного поля электрического тока для определения направления силовых линий используют правило «Правой руки»: если взять проводник в правую руку так, чтобы большой палец был направлен по току, то четыре пальца, обхватывающие проводник, показывают направление силовых линий вокруг проводника:

В случае прямого тока линии магнитной индукции — окружности, плоскости которых перпендикулярны току. Вектора магнитной индукции направлены по касательной к окружности.

Соленоид — намотанный на цилиндрическую поверхность проводник, по которому течёт электрический ток I. Магнитное поле соленоида подобно полю прямого постоянного магнита. Внутри соленоида длиной l и количеством витков N создается однородное магнитное поле с индукцией (его направление также определяется правилом правой руки):

Линии магнитного поля имеют вид замкнутых линий — это общее свойство всех магнитных линий. Такое поле называют вихревым. В случае постоянных магнитов линии не оканчиваются на поверхности, а проникают внутрь магнита и замыкаются внутри. Это различие электрического и магнитного полей объясняется тем, что, в отличие от электрических, магнитных зарядов не существует.

Магнитные свойства вещества

Все вещества обладают магнитными свойствами. Магнитные свойства вещества характеризуются относительной магнитной проницаемостью μ, для которой верно следующее:

Данная формула выражает соответствие вектора магнитной индукции поля в вакууме и в данной среде. В отличие от электрического, при магнитном взаимодействии в среде можно наблюдать и усиление, и ослабление взаимодействия по сравнению с вакуумом, у которого магнитная проницаемость μ = 1. У диамагнетиков магнитная проницаемость μ немного меньше единицы. Примеры: вода, азот, серебро, медь, золото. Эти вещества несколько ослабляют магнитное поле. Парамагнетики — кислород, платина, магний — несколько усиливают поле, имея μ немного больше единицы. У ферромагнетиков — железо, никель, кобальт — μ >> 1. Например, у железа μ ≈ 25000.

 

Магнитный поток. Электромагнитная индукция

К оглавлению…

Явление электромагнитной индукции было открыто выдающимся английским физиком М.Фарадеем в 1831 году. Оно заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении во времени магнитного потока, пронизывающего контур. Магнитным потоком Φ через площадь S контура называют величину:

где: B – модуль вектора магнитной индукции, α – угол между вектором магнитной индукции B и нормалью (перпендикуляром) к плоскости контура, S – площадь контура, N – количество витком в контуре. Единица магнитного потока в системе СИ называется Вебером (Вб).

Фарадей экспериментально установил, что при изменении магнитного потока в проводящем контуре возникает ЭДС индукции εинд, равная скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взятой со знаком минус:

Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум возможным причинам.

  1. 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. Возникновение ЭДС индукции объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы.
  2. Вторая причина изменения магнитного потока, пронизывающего контур, – изменение во времени магнитного поля при неподвижном контуре.

При решении задач важно сразу определить за счет чего меняется магнитный поток. Возможно три варианта:

  1. Меняется магнитное поле.
  2. Меняется площадь контура.
  3. Меняется ориентация рамки относительно поля.

При этом при решении задач обычно считают ЭДС по модулю. Обратим внимание также внимание на один частный случай, в котором происходит явление электромагнитной индукции. Итак, максимальное значение ЭДС индукции в контуре состоящем из N витков, площадью S, вращающемся с угловой скоростью ω в магнитном поле с индукцией В:

 

Движение проводника в магнитном поле

К оглавлению…

При движении проводника длиной l в магнитном поле B со скоростью v на его концах возникает разность потенциалов, вызванная действием силы Лоренца на свободные электроны в проводнике. Эту разность потенциалов (строго говоря, ЭДС) находят по формуле:

где: α — угол, который измеряется между направлением скорости и вектора магнитной индукции. В неподвижных частях контура ЭДС не возникает.

Если стержень длиной L вращается в магнитном поле В вокруг одного из своих концов с угловой скоростью ω, то на его концах возникнет разность потенциалов (ЭДС), которую можно рассчитать по формуле:

 

Индуктивность. Самоиндукция. Энергия магнитного поля

К оглавлению…

Самоиндукция является важным частным случаем электромагнитной индукции, когда изменяющийся магнитный поток, вызывающий ЭДС индукции, создается током в самом контуре. Если ток в рассматриваемом контуре по каким-то причинам изменяется, то изменяется и магнитное поле этого тока, а, следовательно, и собственный магнитный поток, пронизывающий контур. В контуре возникает ЭДС самоиндукции, которая согласно правилу Ленца препятствует изменению тока в контуре. Собственный магнитный поток Φ, пронизывающий контур или катушку с током, пропорционален силе тока I:

Коэффициент пропорциональности L в этой формуле называется коэффициентом самоиндукции или индуктивностью катушки. Единица индуктивности в СИ называется Генри (Гн).

Запомните: индуктивность контура не зависит ни от магнитного потока, ни от силы тока в нем, а определяется только формой и размерами контура, а также свойствами окружающей среды. Поэтому при изменении силы тока в контуре индуктивность остается неизменной. Индуктивность катушки можно рассчитать по формуле:

где: n — концентрация витков на единицу длины катушки:

ЭДС самоиндукции, возникающая в катушке с постоянным значением индуктивности, согласно формуле Фарадея равна:

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

Магнитное поле обладает энергией. Подобно тому, как в заряженном конденсаторе имеется запас электрической энергии, в катушке, по виткам которой протекает ток, имеется запас магнитной энергии. Энергия Wм магнитного поля катушки с индуктивностью L, создаваемого током I, может быть рассчитана по одной из формул (они следуют друг из друга с учётом формулы Φ = LI):

Соотнеся формулу для энергии магнитного поля катушки с её геометрическими размерами можно получить формулу для объемной плотности энергии магнитного поля (или энергии единицы объёма):

 

Правило Ленца

К оглавлению…

Инерция – явление, происходящее и в механике (при разгоне автомобиля мы отклоняемся назад, противодействуя увеличению скорости, а при торможении отклоняемся вперёд, противодействуя уменьшению скорости), и в молекулярной физике (при нагревании жидкости увеличивается скорость испарения, самые быстрые молекулы покидают жидкость, уменьшая скорость нагревания) и так далее. В электромагнетизме инерция проявляется в противодействии изменению магнитного потока, пронизывающего контур. Если магнитный поток нарастает, то возникающий в контуре индукционный ток направлен так, чтобы препятствовать нарастанию магнитного потока, а если магнитный поток убывает, то возникающий в контуре индукционный ток направлен так, чтобы препятствовать убыванию магнитного потока.

Правило Ленца для определения направления индукционного тока: возникающий в контуре индукционный ток имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, которое вызывало этот ток.

Магнитная индукция, магнитный поток: определение, формулы, смысл

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.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

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.

Магнитный поток

Магнитный поток это скалярная величина, которая характеризует действие магнитной индукции на некий металлический контур.

Магнитная индукция определяется числом силовых линий, проходящих через 1 см2 сечения металла.

Магнитометры, используемые для ее измерения, называют теслометрами.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Единицей измерения магнитной индукции в системе СИ является Тесла (Тл).

После прекращения движение электронов в катушке сердечник, если он выполнен из мягкого железа, теряет магнитные качества. Если он изготовлен из стали, то он имеет способность некоторое время сохранять свои магнитные свойства.

расчет электродвижущей силы по формуле

Электромагнитная индукция – генерирование электротоков магнитными полями, изменяющимися во времени. Открытие Фарадеем и Генри этого феномена ввело определенную симметрию в мир электромагнетизма. Максвеллу в одной теории удалось собрать знания об электричестве и магнетизме. Его исследования предсказывали существование электромагнитных волн перед экспериментальными наблюдениями. Герц доказал их существование и открыл человечеству эпоху телекоммуникаций.

Эксперименты Фарадея

Законы Фарадея и Ленца

Электрические токи создают магнитные эффекты. А возможно ли, чтобы магнитное поле порождало электрическое? Фарадей обнаружил, что искомые эффекты возникают вследствие изменения МП во времени.

Когда проводник пересекается переменным магнитным потоком, в нем индуцируется электродвижущая сила, вызывающая электроток. Системой, которая генерирует ток, может быть постоянный магнит или электромагнит.

Явление электромагнитной индукции регулируется двумя законами: Фарадея и Ленца.

Закон Ленца позволяет охарактеризовать электродвижущую силу относительно ее направленности.

Важно! Направление индуцированной ЭДС такое, что вызванный ею ток стремится противостоять создающей его причине.

Фарадей заметил, что интенсивность индуцированного тока растет, когда быстрее изменяется число силовых линий, пересекающих контур. Другими словами, ЭДС электромагнитной индукции находится в прямой зависимости от скорости движущегося магнитного потока.

ЭДС индукции

Формула ЭДС индукции определена как:

Е = — dФ/dt.

Знак «-» показывает, как полярность индуцированной ЭДС связана со знаком потока и меняющейся скоростью.

Получена общая формулировка закона электромагнитной индукции, из которой можно вывести выражения для частных случаев.

Движение провода в магнитном поле

Когда провод длиной l движется в МП, имеющем индукцию В, внутри него будет наводиться ЭДС, пропорциональная его линейной скорости v. Для расчета ЭДС применяется формула:

  • в случае движения проводника перпендикулярно направлению магнитного поля:

Е = — В x l x v;

  • в случае движения под другим углом α:

Е = — В x l x v х sin α.

Индуцированная ЭДС и ток будут направлены в сторону, которую находим, пользуясь правилом правой руки: расположив руку перпендикулярно силовым линиям магнитного поля и указывая большим пальцем в сторону перемещения проводника, можно узнать направление ЭДС по оставшимся четырем распрямленным пальцам.

Перемещение провода в МП

Вращающаяся катушка

Работа генератора электроэнергии основана на вращении контура в МП, имеющего N витков.

ЭДС индуцируется в электроцепи всегда, когда магнитный поток ее пересекает, в соответствии с определением магнитного потока Ф = B x S х cos α (магнитная индукция, умноженная на поверхностную площадь, через которую проходит МП, и косинус угла, образованного вектором В и перпендикулярной линией к плоскости S).

Из формулы следует, что Ф подвержен изменениям в следующих случаях:

  • меняется интенсивность МП – вектор В;
  • варьируется площадь, ограниченная контуром;
  • изменяется ориентация между ними, заданная углом.

В первых опытах Фарадея индуцированные токи были получены путем изменения магнитного поля В. Однако можно индуцировать ЭДС, не двигая магнит или не меняя ток, а просто вращая катушку вокруг своей оси в МП. В данном случае магнитный поток меняется из-за изменения угла α. Катушка при вращении пересекает линии МП, возникает ЭДС.

Если катушка вращается равномерно, это периодическое изменение приводит к периодическому изменению магнитного потока. Или количество силовых линий МП, пересекаемых каждую секунду, принимает равные значения с равными интервалами времени.

Вращение контура в МП

Важно! Наведенная ЭДС меняется вместе с ориентацией с течением времени от положительной до отрицательной и наоборот. Графическое представление ЭДС представляет собой синусоидальную линию.

Для формулы ЭДС электромагнитной индукции применяется выражение:

Е = В х ω х S x N x sin ωt, где:

  • S – площадь, ограниченная одним витком или рамкой;
  • N – количество витков;
  • ω – угловая скорость, с которой вращается катушка;
  • В – индукция МП;
  • угол α = ωt.

На практике в генераторах переменного тока часто катушка остается неподвижной (статор), а электромагнит вращается вокруг нее (ротор).

ЭДС самоиндукции

Когда через катушку проходит переменный ток, он генерирует переменное МП, обладающее изменяющимся магнитным потоком, индуцирующим ЭДС. Этот эффект называется самоиндукцией.

Поскольку МП пропорционально интенсивности тока, то:

Ф = L x I,

где L – индуктивность (Гн), определяемая геометрическими величинами: количеством витков на единицу длины и размерами их поперечного сечения.

Для ЭДС индукции формула принимает вид:

Е = — L x dI/dt.

Взаимоиндукция

Если две катушки расположены рядом, то в них наводится ЭДС взаимоиндукции, зависящая от геометрии обеих схем и их ориентации относительно друг друга. Когда разделение цепей возрастает, взаимоиндуктивность снижается, так как уменьшается соединяющий их магнитный поток.

Взаимоиндукция

Пусть имеется две катушки. По проводу одной катушки, обладающей N1 витками, протекает ток I1, создающий МП, проходящее через катушку с N2 витками. Тогда:

  1. Взаимоиндуктивность второй катушки относительно первой:

М21 = (N2 x F21)/I1;

  1. Магнитный поток:

Ф21 = (М21/N2) x I1;

  1. Найдем индуцированную ЭДС:

Е2 = — N2 x dФ21/dt = — M21x dI1/dt;

  1. Идентично в первой катушке индуцируется ЭДС:

Е1 = — M12 x dI2/dt;

Важно! Электродвижущая сила, вызванная взаимоиндукцией в одной катушке, всегда пропорциональна изменению электротока в другой.

Взаимную индуктивность можно признать равной:

М12 = М21 = М.

Соответственно, E1 = — M x dI2/dt и E2 = M x dI1/dt.

М = К √ (L1 x L2),

где К – коэффициент связи между двумя индуктивностями.

Явление взаимоиндукции используется в трансформаторах – электроаппаратах, позволяющих изменить значение напряжения переменного электротока. Аппарат представляет собой две катушки, намотанные вокруг одного сердечника. Ток, присутствующий в первой, создает меняющееся МП в магнитопроводе и электроток в другой катушке. Если количество витковых оборотов первой обмотки меньше, чем другой, напряжение увеличивается, и наоборот.

Кроме генерирования, трансформации электроэнергии магнитная индукция применяется в иных устройствах. Например, в магнитных левитационных поездах, которые двигаются не в непосредственном контакте с рельсами, а на несколько сантиметров выше из-за электромагнитной силы отталкивания.

Видео

Оцените статью:

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<0 < 0. Индукционный ток Iинд протекает навстречу выбранному положительному направлению l→ обхода контура.

Благодаря правилу Ленца мы можем обосновать тот факт, что в формуле электромагнитной индукции δинд и ∆Φ∆t противоположны по знакам.

Если задуматься о физическом смысле правила Ленца, то это частный случай Закона сохранения энергии.

Нужна помощь преподавателя?

Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание

Причины возникновения индукционного тока в движущихся и неподвижных проводниках

Причин, по которым может происходить изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, две:

  1. Изменение магнитного потока вследствие перемещения всего контура или отдельных его частей в магнитном поле, которое не изменяется со временем;
  2. Изменение магнитного поля при неподвижном контуре.

Перейдем к рассмотрению этих случаев подробнее.

Перемещение контура или его частей в неизменном магнитном поле

При движении проводников и свободных носителей заряда в магнитном поле возникает ЭДС индукции. Объяснить возникновение δинд можно действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца здесь – это сторонняя сила.

Пример 2

На рисунке мы изобразили пример индукции, когда прямоугольный контур помещен в однородное магнитное поле B→ направленное перпендикулярно плоскости контура. Одна из сторон контура перемещается по двум другим сторонам с некоторой скоростью.

Рисунок 1.20.3. Возникновение ЭДС индукции в движущемся проводнике. Отражена составляющая силы Лоренца, которая действует на свободный электрон

На свободные заряды подвижной части контура воздействует сила Лоренца. Основная составляющая силы Лоренца в данном случае направлена вдоль проводника и связана с переносной скоростью зарядов υ→. Модуль этой сторонней силы равен:

FЛ=eυ→B.

Работа силы FЛ на пути l равна:

A=FЛ·l=eυBl.

По определению ЭДС: 

δинд=Ae=υBl.

Значение сторонней силы для неподвижных частей контура равно нулю. Для соотношения δинд можно записать другой вариант формулы. Площадь контура с течением времени изменяется на ΔS=lυΔt. Соответственно, магнитный поток тоже будет с течением времени изменяться: ΔΦ=BlυΔt.

Следовательно, 

δинд=∆Φ∆t.

Знаки в формуле, которая связывает δинд и ∆Φ∆t, можно установить в зависимости от того, какие направления нормали и направления контура будут выбраны. В случае выбора согласованных между собой по правилу правого буравчика направлений нормали n→ и положительного направления обхода контура l→ можно прийти к формуле Фарадея.

При условии, что сопротивление всей цепи – это R, то по ней будет протекать индукционный ток, который равен Iинд=δиндR. За время Δt на сопротивлении R выделится джоулево тепло:

∆Q=RIинд2∆t=υ2B2l2R∆t

Парадокса здесь нет. Мы просто не учли воздействие на систему еще одной силы. Объяснение заключается в том, что при протекании индукционного тока по проводнику, расположенному в магнитном поле, на свободные заряды действует еще одна составляющая силы Лоренца, которая связана с относительной скоростью движения зарядов вдоль проводника. Благодаря этой составляющей появляется сила Ампера FА→.

Для рассмотренного выше примера модуль силы Ампера равен FA =IBl. Направление силы Ампера таково, что она совершает отрицательную механическую работу Aмех. Вычислить эту механическую работу за определенный период времени можно по формуле:

Aмех=-Fυ∆t=-IBlυ∆t=-υ2B2l2R∆t

Проводник, перемещающийся в магнитном поле, испытывает магнитное торможение. Это приводит к тому, что полная работа силы Лоренца равна нулю. Джоулево тепло может выделяться либо за счет уменьшения кинетической энергии движущегося проводника, либо за счет энергии, которая поддерживает скорость перемещения проводника в пространстве.

Изменение магнитного поля при неподвижном контуре

Определение 3

Вихревое электрическое поле – это электрическое поле, которое вызывается изменяющимся магнитным полем.

В отличие от потенциального электрического поля работа вихревого электрического поля при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому проводящему контуру равна δинд в неподвижном проводнике.

В неподвижном проводнике электроны могут приводиться в движение только под действием электрического поля. А возникновение δинд нельзя объяснить действием силы Лоренца.

Первым, кто ввел понятие вихревого электрического поля, был английский физик Джон Максвелл. Случилось это в 1861 году.

Фактически, явления индукции в подвижных и неподвижных проводниках протекают одинаково. Так что в этом случае мы тоже можем использовать формулу Фарадея. Отличия касаются физической причины возникновения индукционного тока: в движущихся проводниках δинд обусловлена силой Лоренца, в неподвижных – действием на свободные заряды вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля.

Рисунок 1.20.4. Модель электромагнитной индукции

Рисунок 1.20.5. Модель опытов Фарадея

Рисунок 1.20.6. Модель генератора переменного тока

Магнитное действие тока. Вектор магнитной индукции. Магнитный поток.

Магнитное действие электрического тока

1820 г. X. Эрстед — датский физик, открыл магнитное дей­ствие тока. (Опыт: действие электрического тока на магнитную стрелку). 1820 г. А. Ампер — французский ученый, открыл механическое взаимо­действие токов и установил закон это­го взаимодействия.

Магнитное взаимодействие, как и электрическое, удобно рассматриватьвводя понятие магнитного поля:

  1. Магнитное поле порождается током, т. е. движущимися электрическими зарядами.
  2. Магнитное поле обнаруживается по дейст­вию на магнитную стрелку или на электрический ток (движущиеся электрические заряды).

Для двух параллельных бесконечно длинных проводников было установлено:

противоположно направленные токи отталкиваются,

однонаправленные токи притягиваются,

причем  , где k — коэффициент пропорциональности.

Отсюда устанавливается единица силы тока ампер в СИ: сила тока равна 1 А, если между отрезками двух бесконечных проводников по 1 м каждый, находящимися в вакууме на расстоянии 1 м друг от друга, действует сила магнитного взаимодействия 2.10 7Н.

В СИ удобно ввести магнитную проницаемость вакуума   .

Вектор  магнитной индукции.

Вектор  магнитной индукции (В) – аналог напряженности электрического поля. Основной силовой характеристикой маг­нитного поля является вектор магнитной индукции.

Направление этого вектора для поля прямого проводника с током и соленоида можно определить по пра­вилу буравчика: если направление поступательного движения буравчика (винта с правой нарезкой) совпадает с направлением тока, то направление вращения ручки буравчика покажет направление линий магнитной индукции. Вектор магнитной индукции направлен по касательной к линиям.

На практике удобно пользоваться следующим правилом: если большой палец правой руки направить по току, то направление обхвата тока остальными пальцами совпадет с направлением линий магнитной индукции.

 

 

Модуль вектора магнитной индукции

Магнитная индукция  В зависит от I и r, где r — расстояние от проводника с током  до исследуемой точки. Если расстояние от проводника много меньше его длины (т. е. рассматривать модель бесконечно длинного проводника), то,

где k — коэффициент пропорциональности. Подставляя эту формулу в уравнение для силы взаимодействия двух проводников с током, получим F=B .I.ℓ.

Отсюда  .

Таким образом, модуль вектора магнитной индукции есть отношение максималь­ной силы, действующей со стороны магнитного поля на участок проводника с током, к произведению силы тока на длину этого участка.

Единица измерения в СИ — тесла (Тл). Единица названа в честь сербского электротехника Н. Тесла.

Магнитный поток

Магнитный поток (поток линий магнитной индукции) через контур численно равен произведению модуля вектора магнитной индукции на площадь, ограниченную контуром, и на косинус угла между направлением вектора магнитной индукции и нормалью к поверхности, ограниченной этим контуром.

, где Вcosα представляет собой проекцию вектора В на нормаль к плоскости контура. Магнитный поток показывает, какое количество линий магнитной индукции пронизывает данный контур.

Единица магнитного потока в СИ — вебер (Вб). В честь немецкого физика В. Вебера.

Опыт показывает, что  линии магнитной индукции  всегда замкнуты, и полный магнитный поток через замкнутую поверхность равен нулю. Этот факт является следствием отсутствия магнитных зарядов в природе.

 

 

Закон индукции Фарадея: Закон Ленца

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

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

Закон Фарадея и Ленца

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

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

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

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

Стратегия решения проблем закона Ленца

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

  1. Сделайте набросок ситуации для использования при визуализации и записи направлений.
  2. Определите направление магнитного поля B.
  3. Определите, увеличивается или уменьшается поток.
  4. Теперь определите направление индуцированного магнитного поля B. Оно противостоит изменению магнитного потока путем добавления или вычитания из исходного поля.
  5. Используйте RHR-2 для определения направления индуцированного тока I, ответственного за индуцированное магнитное поле B.
  6. Направление (или полярность) наведенной ЭДС теперь будет управлять током в этом направлении и может быть представлено как ток, выходящий из положительного вывода ЭДС и возвращающийся к его отрицательному выводу.

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

Применение электромагнитной индукции

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

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

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

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

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

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

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

Подключение: сохранение энергии

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

Пример 1. Расчет ЭДС: насколько велика наведенная ЭДС?

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

Стратегия

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

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

Раствор

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

ΔΦ = Δ ( BA cos θ ) = AΔ ( B cos θ ).

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

Обсуждение

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

Исследования PhET: Электромагнитная лаборатория Фарадея

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

Щелкните, чтобы загрузить симуляцию. Запускать на Java.

Сводка раздела

Концептуальные вопросы

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

Задачи и упражнения

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

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

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

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

Рисунок 6.

4. Повторите предыдущую проблему с перевернутой батареей.

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

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

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

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

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

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

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

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

Глоссарий

Закон индукции Фарадея:
средство вычисления ЭДС в катушке из-за изменения магнитного потока, заданное как [latex] \ text {emf} = — N \ frac {\ Delta \ Phi} {\ Delta t} \\ [/ latex]
Закон Ленца:
знак минус в законе Фарадея, означающий, что ЭДС, индуцированная в катушке, противодействует изменению магнитного потока.

Избранные решения проблем и упражнения

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

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

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

9. 0,157 В

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

Формула магнитной индукции

— подробное объяснение и ответы на часто задаваемые вопросы

Магнитная индукция — это явление генерации электродвижущей силы или e.м.ф. в проводнике, связанном с изменением связанного с ним магнитного потока. Его открыл ученый Майкл Фарадей в 1831 году. Позже Максвелл математически представил закон индукции Фарадея. Магнитная индукция — очень важное научное явление и важнейшая тема в физике. Чтобы понять, что означает формула магнитной индукции, давайте поймем закон индукции Фарадея. Здесь мы также изучим формулу индуцированной ЭДС, формулу закона Фарадея и некоторые другие важные особенности магнитной индукции.

Закон индукции Фарадея

Формула индукции магнитного поля состояний Фарадея путем изменения магнитного потока, связанного с проводником, индуцируется электродвижущая сила (ЭДС). Скорость изменения магнитного потока в замкнутом контуре равна скорости изменения ЭДС.

[Изображение будет загружено в ближайшее время]

Согласно экспериментам Фарадея

ε прямо пропорционально изменению потока

ε обратно пропорционально Δt

ε, полученное в катушке с N витками, в N раз больше, чем одиночная токопроводящая катушка (ε ∝ N)

Магнитный поток, проходящий через поверхность с векторной площадью A:

ΦB = B⋅A = BAcosθ

Для переменного магнитного поля магнитный поток dΦB через бесконечно малую площадь dA :

dΦB = B⋅dA

Поверхностный интеграл дает полный магнитный поток, проходящий через поверхность.

ΦB = ∫∫AB⋅dA

Согласно формуле закона Фарадея, в катушке с N витками, формула, наведенная ЭДС в замкнутой цепи, равна

ЭДС (ε) = — N \ [\ frac {\ Delta \ phi} {\ Delta t} \]

Когда поток изменяется на Δ за время Δt.

Знак минус показывает, что создается ток I и магнитное поле B, противоположное направлению изменения магнитного потока. Это известно как закон Ленца.

Формула электромагнитной индукции для движущегося проводника

[Изображение будет загружено в ближайшее время]

Для движущегося стержня N = 1 и магнитный поток Φ = BAcosθ, θ = 0º и cosθ = 1, точка B перпендикулярна A.

Площадь, выметаемая стержнем, равна ΔA = lΔx

∴ ε = \ [\ frac {B \ Delta A} {\ Delta t} \] = \ [\ frac {Bl \ Delta x} {\ Delta t } \] = Blv

, где v (скорость) перпендикулярна B (магнитному полю)

[Изображение будет загружено в ближайшее время]

В приведенном выше сценарии генератора скорость находится под углом θ к B, так что его компонента, перпендикулярная B, равна vsinθ.

ε = Blv sinθ

Где l = длина проводника,

v = скорость проводника

θ = угол между магнитным полем и направлением движения.

Таким образом, формула наведенного тока означает тесную взаимосвязь между электрическим полем и магнитным полем, которая зависит от конкретного изменения во времени.

Индуктивность — гипертекст по физике

Обсуждение

введение

Готов? Вот так.

Пуск с соленоидом. Пропустите через него ток, и вы получите электромагнит. Поле внутри задается формулой…

B = μ 0 nI = μ 0 № Я
ℓ

В то же время соленоид — это еще и устройство для улавливания магнитного потока.

Φ B = NBA

Статическая ситуация, безусловно, достаточно интересна, но когда дело доходит до потока, то, что нас действительно волнует, — это скорость изменения во времени. Это то, что дает нам электромагнитную индукцию или индуцированную электродвижущую силу, или как вы хотите это называть. Эта ситуация описывается законом Фарадея.

Давайте снова рассмотрим эти уравнения, но с изменяющимся во времени поворотом. Соленоид с изменяющимся током, проходящим через него, будет генерировать изменяющееся магнитное поле.

дБ = мк 0 № dI
дт ℓ дт

Это изменяющееся магнитное поле затем улавливается тем самым соленоидом, который его создал. Захваченное поле называется потоком, а изменяющийся поток генерирует ЭДС — в данном случае самоиндуцированную или обратную ЭДС.

ℰ = — d Φ B = — N ⎛
⎜
⎝		 мкм 0 № dI ⎞
⎟
⎠		 А
дт ℓ дт

Немного изменив порядок вещей, мы получим это уравнение…

ℰ = — мкм 0 AN 2 dI
ℓ дт

, который может показаться не таким уж большим, пока вы не поймете, что члены первой дроби в значительной степени определяются геометрией соленоида.Если бы мы выбрали другую конфигурацию проводов, произошло бы то же самое.

Самоиндуцированная ЭДС в цепи прямо пропорциональна скорости изменения тока ( dI / dt ), умноженной на константу ( L ). Эта постоянная называется индуктивностью (точнее, самоиндуктивностью ) и определяется геометрией схемы (или, чаще, геометрией отдельных элементов схемы).Например, индуктивность соленоида (как определено выше) определяется формулой…

Символ L для обозначения индуктивности был выбран в честь Генриха Ленца (1804–1865), чьи новаторские работы в области электромагнитной индукции сыграли важную роль в развитии окончательной теории. Если вы помните, закон Ленца гласит, что индуцированный ток в цепи всегда действует таким образом, чтобы противодействовать изменению, которое в первую очередь его вызвало. Это наблюдение является причиной того, почему во всех версиях закона Фарадея стоит знак минус.Ленц поставил нам знак минус, и мы чествуем его знаком L .

Индуктивность лучше всего определяется по ее роли в уравнении, полученном из закона индукции Фарадея. Некоторым это не нравится, и они предпочитают определения, написанные в форме простого предложения субъект-глагол-объект.

На английском языке мы бы прочитали это как «самоиндукция ( L ) — это отношение обратной ЭДС () к скорости изменения тока, производящего ее ( dI / dt ).»Как я уже сказал, мне не очень нравится такое определение, но оно помогает нам определить подходящие единицы.

⎡
⎢
⎣		 Н = В = Дж / К = (кг · м 2 / с 2 ) / (A · с) = кг м 2 ⎤
⎥
⎦
А / с пк / с пк / с A 2 с 2

Единицей индуктивности является генри , названный в честь Джозефа Генри (1797–1878), американского ученого, открывшего электромагнитную индукцию независимо и примерно в то же время, что и Майкл Фарадей (1791–1867) в Англии.Первым свои открытия опубликовал Фарадей, поэтому ему заслуга в большей степени. Генри также открыл самоиндукцию и взаимную индуктивность (которые будут описаны позже в этом разделе) и изобрел электромеханическое реле (которое легло в основу телеграфа). Схема с собственной индуктивностью в один генри будет испытывать противоэдс в один вольт, когда ток изменяется со скоростью один ампер в секунду.

Индуктивность — это что-то. Индуктивность — это сопротивление элемента схемы изменениям тока.Индуктивность в цепи — это аналог массы в механической системе.

⇕
причина
изменения		 = сопротивление
изменить		 × скорость
сдача
⇕

детектор индуктивной петли

Движение на некоторых перекрестках контролируется с помощью индуктивных петлевых детекторов (ILD).ILD — это петля из проводящего провода, проложенная всего на несколько сантиметров ниже тротуара. Когда автомобиль проезжает через поле, он действует как проводник, изменяя индуктивность контура. Изменение индуктивности контура указывает на наличие автомобиля наверху. Затем эту информацию можно использовать для активации сигналов светофора, отслеживания транспортного потока или автоматического цитирования.

примеров

Индуктивность

зависит от геометрии

соленоид ( A площадь поперечного сечения, N количество витков, ℓ длина, n количество витков на длину)

Φ B = N В А
Φ B = N мкм 0 NI А
ℓ
Φ B = мкм 0 AN 2 Я
ℓ
d Φ B = мкм 0 AN 2 dI
дт ℓ дт
левый = мкм 0 AN 2 = мкм 0 Aℓn 2
ℓ

коаксиальных проводников ( a внутренний радиус, b внешний радиус, ℓ длина)

Φ B = ⌠
⌡		 В · d A
б б
Φ B = ⌠
⌡		 мкм 0 I ℓ др = мкм 0 Iℓ ⌠
⌡		 др
2π r 2π r
a a
Φ B = мкм 0 ℓ пер. ⎛
⎜
⎝		 a ⎞
⎟
⎠		 Я
2π б
d Φ B = мкм 0 ℓ пер. ⎛
⎜
⎝		 a ⎞
⎟
⎠		 dI
дт 2π б дт
левый = мкм 0 ℓ пер. ⎛
⎜
⎝		 a ⎞
⎟
⎠
2π б

тороид ( A площадь поперечного сечения, R радиус вращения, N число витков)

Φ B = № В А
Φ B ≈ № мкм 0 NI А
2π R
Φ B ≈ № мкм 0 NA Я
2π R
d Φ B ≈ мкм 0 AN 2 dI
дт 2π R дт
левый ≈ мкм 0 AN 2
2π R

прямоугольная петля ( w ширина, h высота, a радиус проволоки)

Φ B = №
Φ B = №
⎡
⎢
⎣		 х w х w ⎤
⎥
⎦
мкм 0 NI ⌠
⌡		 г др + ⌠
⌡		 x др + ⌠
⌡		 г др + ⌠
⌡		 x др
2π r r r r
a a a a
Φ B = 2 мкм 0 N 2 ⎡
⎢
⎣		 y ln ⎛
⎜
⎝		 х ⎞
⎟
⎠		 + x дюйм ⎛
⎜
⎝		 y ⎞
⎟
⎠		 ⎤
⎥
⎦		 Я
2π a a
d Φ B = мкм 0 N 2 ⎡
⎢
⎣		 y ln ⎛
⎜
⎝		 х ⎞
⎟
⎠		 + x дюйм ⎛
⎜
⎝		 y ⎞
⎟
⎠		 ⎤
⎥
⎦		 dI
дт π a a дт
левый = мкм 0 N 2 ⎡
⎢
⎣		 y ln ⎛
⎜
⎝		 х ⎞
⎟
⎠		 + x дюйм ⎛
⎜
⎝		 y ⎞
⎟
⎠		 ⎤
⎥
⎦
π a a

Эта формула не совсем работает, поскольку игнорирует краевые эффекты.Вы можете найти точную формулу (а также скрипты, которые будут рассчитывать индуктивность для вас) в Интернете на нескольких веб-сайтах по электротехнике.

Калькулятор закона Фарадея

Этот калькулятор закона Фарадея поможет вам найти электродвижущую силу, индуцированную в замкнутой цепи.

Что такое электромагнитная индукция?

Если вы прикрепите металлический провод к батарее, вы создадите ток — электроны будут двигаться по проводу. Затем, если вы поместите этот провод в магнитное поле, дополнительная электрическая сила будет индуцирована движением электронов в этом поле.

Этот эффект также работает в обратном направлении — когда неподвижные электроны помещаются в переменное магнитное поле, индуцируется электродвижущая сила (ЭДС), и начинает течь ток. Это явление известно как электромагнитная индукция.

Магнитное поле и поток

Магнитное поле имеет две основные характеристики. Первый — это величина поля B и измеряется в теслах (символ Т), или в ньютонах на метр на ампер. Второй — магнитный поток Φ — определяется как магнитное поле, проходящее через поверхность, и измеряется в веберах (символ Wb).

Величина и поток взаимозависимы — вы можете использовать приведенное ниже уравнение, чтобы легко переключаться между ними. A обозначает площадь поперечного сечения катушки, в которой индуцируется ЭДС.

Φ = B * A

Teslas и веберов связаны следующей формулой:

1 Вт / 1 м² = 1 T

Закон Ленца и формула закона Фарадея

Закон Фарадея гласит, что индуцированное в цепи напряжение равно скорости изменения, то есть изменения во времени, магнитного потока через контур:

ЭДС = dΦ / dt

Закон Ленца — это второй ключевой закон, описывающий электромагнитную индукцию.Он не описывает величину, а скорее направление тока, утверждая, что ток всегда будет противодействовать потоку, который его произвел. Он включен в закон Фарадея со знаком минус:

ЭДС = - dΦ / dt

Если вы попытаетесь вызвать электродвижущую силу в катушке с несколькими витками, вы также можете умножить это значение на количество витков, чтобы учесть количество витков Н :

ЭДС = - N * dΦ / dt

Это формула, используемая нашим калькулятором закона Фарадея.

Как рассчитать электродвижущую силу?

Обычно вы не сразу узнаете, каков магнитный поток в катушке. Но не волнуйтесь — наш калькулятор электромагнитной индукции тоже может его найти! Просто выполните следующие действия, чтобы рассчитать наведенное напряжение.

  1. Определитесь с площадью поперечного сечения и количеством витков в петле. Например, вы можете использовать круглую катушку сечением 30 см² и десятью витками.

  2. Узнайте, какова величина магнитного поля.Например, мы можем принять поле в 0,4 тесла.

  3. Рассчитайте изменение магнитного потока как произведение магнитного поля на площадь поперечного сечения:

dΦ = B * A

dΦ = 0,4 * 30 * 10⁻⁴ = 0,0012 Вт

  1. Теперь определите, за какое время магнитное поле изменится на 0,4 Тл. Можно предположить, что это заняло 8 секунд.

  2. Используйте формулу закона Фарадея для вычисления электродвижущей силы:

ЭДС = - N * dΦ / dt

ЭДС = - 10 * 0.0012/8 = -0,0015 В

Индуцированное напряжение равно 0,0015 В. Знак минус указывает, что направление тока противоположно направлению магнитного потока.

Закон Фарадея

Закон Фарадея

Закон Фарадея

Закон Фарадея — одно из уравнений Максвелла. Закон Фарадея гласит, что абсолютная величина или величина обращения электрическое поле E вокруг замкнутого контура равно скорости изменения магнитный поток через область, ограниченную петлей.В приведенное ниже уравнение выражает закон Фарадея в математической форме.

ΔΦ B / Δt (через фиксированная площадь) = -Σ вокруг контура E ∙ ∆ r (при a фиксированное время)

Знак минус в этом уравнении говорит нам о направлении тираж. (См. Ниже.)

Когда магнитный поток через замкнутую область при изменении петли Σ вокруг петли E ∙ ∆ r не равно нулю, электрическое поле E циркулирует.
E ∙ ∆ r — работа, выполненная за единичный заряд электрическим полем при перемещении заряда на расстояние ∆ r .
Если петля — это настоящая проволочная петля, тогда есть фактическая работа, выполняемая индуцированным поле на бесплатные начисления.
Σ вокруг петли E ∙ ∆ r — работа на единицу заряда полем при однократном перемещении заряда по петле.
Это наведенная ЭДС , и измеряется в вольтах.
Индуцированная ЭДС вызывает протекание тока без разность потенциалов из-за разделенных зарядов.

ΔΦ B / Δt (через фиксированная площадь) = наведенная ЭДС

Индуцированное электрическое поле НЕ консервативное поле. Когда вы перемещаете заряд против индуцированного поле один раз по кругу, вам нужно работать. Но твоя работа НЕ хранится как потенциальная энергия. Вы не можете позволить электрическому полю работать, чтобы восстановиться энергия, которую вы потратили на перемещение заряда.Индуцированное электрическое поле исчезает как как только магнитный поток перестанет меняться. Работа, которую ты делаешь на заряд против индуцированного поля не локально хранится. Энергия может быть отведена в виде электромагнитная волна. Электромагнитные волны переносят энергию через свободное пространство.

Какое направление динамического (индуцированного) поля?

Знак минус в уравнении, выражающем закон Фарадея, говорит нам о направление индуцированного поля.
Есть простой способ запомнить это направление. Циркуляция индуцированного поля равна ЭДС.
Любой текущий течет в результате этой ЭДС создает магнитное поле, которое противодействует изменения потока, которые его производят.
Это называется Закон Ленца.

Индуцированная ЭДС действует как противодействие изменению потока, которое произвести это.

Пример:

Магнит быстро перемещается к проволочной петле, как показано.
Поток через проволочную петлю увеличивается в направлении вниз.
Ток начинает течь в петлю в направлении, указанном стрелкой.
Магнитное поле, создаваемое этим током указывает вверх, противостоит потоку изменения, которые его производят.
Магнитная сила из-за петли на магните действует, чтобы замедлить приближающийся магнит.

Прелесть закона Ленца в том, что вам не нужно вдаваться в подробности.Если магнитный поток через проводник изменяется, токи будут течь встречно что бы ни вызвало изменение. Если какое-то относительное движение вызывает изменение потока, ток попытается остановить это относительное движение. Если изменение тока в цепь отвечает за изменение потока, тогда наведенная ЭДС будет пытаться предотвратить изменение тока в этой цепи.

Пожалуйста, смотрите: Электромагнитная индукция и закон Фарадея (Youtube)

Проблема:

Рассмотрим плоскую квадратную катушку с N = 5 витками.
Катушка имеет длину 20 см с каждой стороны и имеет магнитное поле. 0,3 Тл.
Плоскость катушки перпендикулярна плоскости магнитное поле: поле указывает за пределы страницы.
(a) Если ничего не изменилось, какова наведенная ЭДС?
(b) Магнитное поле равномерно увеличивается от 0,3 Тл до 0,8 Тл за 1 с. Какова наведенная ЭДС в катушке, пока происходит изменение?
(c) При изменении магнитного поля ЭДС, индуцированная в катушке, вызывает ток течь.Ток течет по часовой стрелке или против часовой стрелки? вокруг катушки?

Решение:

  • Рассуждение:
    Если величина магнитного поля B изменяется, то поток Φ = BA изменяется, и возникает ЭДС.
  • Детали расчета:
    (a) ЭДС индуцируется изменяющимся магнитным потоком. Если ничего изменяется, наведенная ЭДС равна нулю.
    (б) Катушка имеет 5 витков. Каждый поворот имеет площадь A = (0,2 м) 2 .Начальный магнитный поток через каждый оборот катушки Φ 0 = B 0 A = 0,3 * (0,2) 2 Tm 2 = 0,012 Tm 2 .
    Конечный магнитный поток через каждый виток катушки Φ ф = B f A = 0,8 * (0,2) 2 Tm 2 = 0,032 Tm 2 .
    Суммарное изменение потока через катушку N (Φ ф — Φ 0 ), с N = 5. Индуцированная ЭДС
    ЭДС = -N∆Φ / ∆t = -N (Φ f — Φ 0 ) / ∆t = [-5 * (0.032 -0,012) / 1,0] V = -0,1 В.
    (c) При изменении магнитного поля магнитный поток увеличивался. со страницы. По закону Ленца наведенная в петле ЭДС этим изменяющимся потоком образуется ток, который создает поле, противодействующее изменение. Поле, создаваемое током в катушке, указывает на страницу, противоположную направлению увеличения потока. Чтобы произвести поле на страницу, ток должен течь по кругу по часовой стрелке. согласно правилу правой руки.
Модуль 5: Вопрос 1

Стержневой магнит расположен перед горизонтальной петлей из проволоки с северный полюс, указывающий на петлю. Затем магнит отрывается от петля. Идет ли индуцированный ток в контуре по часовой стрелке или против часовой стрелки?

Обсудите это со своими однокурсниками на дискуссионном форуме!
Визуализируйте магнитное поле стержневого магнита. Как происходит поток этого поле через проводную петлю поменять?

Самоиндукция

Если длинная катушка провода сечением A и длиной ℓ с N витками подключен или отключен от батареи, изменение магнитного потока через катушка производит наведенную ЭДС.Индуцированный ток создает магнитное поле, которое противодействует изменению магнитного потока. Величина наведенную ЭДС можно рассчитать с помощью закона Фарадея.

  • Магнитное поле внутри длинной катушки B = μ 0 (N / ℓ) I.
  • Поток через катушку равен NBA = μ 0 (N 2 /) IA.
  • Изменение потока в единицу времени составляет μ 0 (N 2 /) A ∆I / ∆t = L * ∆I / ∆t, поскольку I — единственная величина меняется со временем.
    L = μ 0 (N 2 / ℓ) A называется собственная индуктивность катушки. В единицы индуктивности — Генри (Гн) . 1 H = 1 Вс / А.
  • Индуцированная ЭДС равна ЭДС = -L * ∆I / ∆t, где знак минус является следствием закона Ленца.

Наведенная ЭДС пропорциональна скорости изменения тока в катушка. Оно может быть в несколько раз больше напряжения источника питания. Когда выключатель в цепи, по которой проходит большой ток, размыкается, уменьшая ток до ноль за очень короткий промежуток времени, это может привести к искре.Все схемы имеют собственную индуктивность, и у нас всегда есть ЭДС = -L * ∆I / ∆t. Собственная индуктивность L зависит только от по геометрии схемы.

Проблема:
Катушка

А имеет собственную индуктивность 3 мГн, а ток через нее изменяется от 0,2 А. до 1,5 А за время 0,2 с. Найти величину средней наведенной ЭДС в катушке за это время.

Решение:

  • Рассуждение:
    ЭДС самоиндукции равна ЭДС = -L * ∆I / ∆t.
  • Детали расчета:
    L = 3 мГн, ∆I / ∆t = (1,5 A — 0,2 A) / 0,2 с = 6,5 A / с.
    э. Д. произвел это.
Проблема:

Круглая катушка с 25 витками проволоки имеет диаметр 1 м. Он размещен со своим ось вдоль направления магнитного поля Земли (величина 50 мкТл), а затем в 0.2 с переворачивается на 180 на . Какая средняя ЭДС сгенерировано

Решение:

  • Рассуждение:
    Φ B = B ∙ A — поток B через область A. Первоначально B и A выровнены, наконец, они анти-выровнены. Точка товар меняет знак.
  • Детали расчета:
    ЭДС = -∆Φ B / ∆t. Φ B (начальный) = NAB = 25 * π * (0,5 м) 2 50 * 10 -6 Т = 9.82 * 10 -4 Тм 2 .
    Φ B (окончательный) = -Φ B (начальный), так как катушка перевернута.
    | ∆Φ B | = 2Φ B (начальное).
    | ∆Φ B / ∆t | знак равно 2 * (9,82 * 10 -4 Tm 2 ) / (0,2 с) = 9,82 * 10 -3 В.
Проблема:

Катушка с 500 витками радиусом 0,5 м поворачивается на четверть оборота за 4,17. мс, изначально имеющая плоскость, перпендикулярную однородному магнитному полю. Найдите напряженность магнитного поля, необходимую для индукции средней ЭДС 10 000 В.

Решение:

  • Рассуждение:
    ЭДС = -∆Φ B / ∆t. Φ B = NABcosθ изменяется с NAB на 0 за 4,17 мс, так как θ изменяется от 0 до 90 o через 4,17 мс.
  • Детали расчета:
    | ∆Φ B | = NAB = 500 * π * (0,5 м) 2 * B = (393 м 2 ) * Б.
    Хотим
    | emf | = | ∆Φ B / ∆t | = (393 м 2 ) / (4.17 * 10 -3 с) * B = (94174 м 2 / с) * B = 10000 В.
    B = 0,1 Вс / м 2 = 0,1 Т.

Если вы пропускаете регулярные лекции, обратите внимание на эту видеолекцию.

Лекция 16: Электромагнитная индукция

Электромагнитная индукция (HL) — IB Physics

См. Руководство по этой теме.

11.1 — Электромагнитная индукция

  • Электродвижущая сила (ЭДС)

  • Когда проводящий провод движется через магнитное поле, вдоль провода создается разность потенциалов.Это явление называется электромагнитной индукцией.

  • Когда движение провода перпендикулярно магнитному полю, индуцированная ЭДС (ε) определяется выражением ε = Bvl, где B — магнитное поле, v — скорость провода, а l — длина провода. .

  • Магнитный поток и магнитопровод

  • Магнитный поток, проходящий через поверхность, измеряет составляющую магнитного поля, проходящего через поверхность, и пропорционален количеству силовых линий магнитного поля, пересекающих поверхность.
  • Магнитный поток (φ) через поверхность равен
    • .

, где B — магнитное поле, проходящее через поверхность, A — площадь поверхности, а θ — угол между магнитным полем и нормалью к поверхности.

  • Магнитный поток катушки измеряет составляющую магнитного поля, проходящего через катушку.
  • Для катушки с N витками общая потокосцепление составляет

, где BA = φ = магнитный поток

  • Закон индукции Фарадея

  • Закон Фарадея гласит, что величина наведенной ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитной связи на
    • .

  • Закон Фарадея позволяет определить наведенную ЭДС по изменению магнитного потока во времени.

  • Закон Ленца

  • Закон Ленца гласит, что индуцированная ЭДС действует в таком направлении, что индуцированный ток противодействует изменению, вызвавшему его.

11.2 — Производство и передача электроэнергии

  • Генераторы переменного тока

  • Работа основного генератора переменного тока показана на следующей диаграмме.

  1. Катушка с проволокой приводится во вращение внешней силой.
  2. Когда катушка вращается, магнитная связь, проходящая через катушку, изменяется.
  3. По закону Фарадея это вызывает ЭДС и заставляет ток течь внутри катушки.
  • Если вращение происходит с постоянной скоростью, наведенная ЭДС является синусоидальной (повторяющиеся колебания).
  • Увеличение скорости вращения увеличивает как частоту, так и величину наведенной ЭДС.

  • Средняя мощность и среднеквадратичные (действующие) значения тока и напряжения

  • Средняя мощность, производимая (или рассеиваемая) переменным током, не может быть вычислена напрямую с использованием пиковых значений напряжения или тока.
  • Среднеквадратичное значение переменного тока или напряжения — это значение, которое можно подставить в формулу электрической мощности P = IV для расчета средней рассеиваемой мощности, где I и V — среднеквадратичные значения.

, где V0 — пиковое значение переменного напряжения.

где I0 — пиковое значение переменного тока.

  • Указанные значения переменного напряжения и тока относятся к их действующим значениям, а не к их пиковым значениям. Например, розетка переменного тока в Европе рассчитана на 220 В.

  • Трансформаторы

  • Трансформатор — это устройство, которое может использоваться для передачи электроэнергии от одной цепи переменного тока к другой при другом напряжении.
  • Трансформаторы, повышающие выходное напряжение, называются повышающими трансформаторами, а трансформаторы, уменьшающие выходное напряжение, называются понижающими трансформаторами.
  • Трансформатор представляет собой две катушки с проволокой, соединенные вместе, как показано ниже.

  1. Переменное входное напряжение вызывает постоянное изменение магнитного поля вокруг первичной катушки.
  2. Это вызывает постоянное изменение магнитной индукционной связи во вторичной катушке.
  3. По закону Фарадея во вторичной обмотке индуцируется ЭДС.
  • Отношение между индуцированным входным напряжением (действующее значение) и выходным напряжением (среднеквадратичное значение) равно отношению количества витков в соответствующей катушке.

, где Vp — напряжение в первичной катушке, Vs — напряжение во вторичной катушке, np — количество витков на первичной катушке, а ns — количество витков на вторичной катушке.

  • Идеальный трансформатор работает с КПД 100%.Другими словами, его потребляемая мощность равна выходной мощности.

, так как P = IV

Диодный мост — это конфигурация из четырех (или более) диодов в конфигурации мостовой схемы, где диод представляет собой двухконтактный электронный компонент, который проводит ток в одном направлении.

  • Полупериодное и двухполупериодное выпрямление

Диоды также известны как выпрямители.Их можно использовать для преобразования переменного тока (ac) в постоянный (dc) посредством процесса, называемого выпрямлением.

Полупериодное выпрямление

Окончательная форма сигнала постоянного тока на экране представляет собой только положительную половину исходной формы сигнала переменного тока. При полуволновом выпрямлении отрицательная часть тока не проходит.

Двухполупериодное выпрямление

Четыре диода, подключенные, как показано на схеме выше, образуют двухполупериодный выпрямитель.Благодаря такому расположению положительная половина каждого цикла может проходить, в то время как отрицательная половина каждого цикла переворачивается. Эта конфигурация диодов широко известна как диодный мост.

11,3 — Емкость

Емкость (C) — это способность сохранять изменения, выраженные в единицах фарад (F), и может быть выражена как

.

где C — емкость, Q — заряд, V — напряжение.

Конденсатор состоит из двух металлических пластин с диэлектрическим материалом между пластинами.

Когда напряжение прикладывается к двум пластинам, создается электрическое поле с накоплением положительного заряда на одной пластине и отрицательного заряда на другой.

Это то, что имеют в виду физики, когда говорят, что «конденсатор работает, накапливая энергию электростатически в электрическом поле».

Емкость конденсатора может быть соотнесена с площадью пластин (A) и расстоянием между пластинами (d) на

.

FYI

Потенциальная энергия, запасенная в конденсаторе, определяется как

.

где E — потенциальная энергия, Q — заряд, V — напряжение, C — емкость.

  • Диэлектрические материалы

  • Диэлектрические материалы — это изоляторы, такие как стекло, пластмассы, дистиллированная вода, сухой воздух или даже вакуум.
  • Диэлектрические материалы удерживают токопроводящие пластины в контакте, обеспечивая меньшее расстояние между пластинами (d) и более высокую емкость (C).

  • Конденсаторы последовательно и параллельно

  • Последовательные цепи резистор-конденсатор (RC)

RC-цепь — это цепь, в которой конденсатор и резистор включены в одну цепь.

Зарядка и разрядка RC-цепи работает следующим образом:

  1. Предполагается, что C полностью разряжен, а переключатель разомкнут. Когда переключатель замкнут в положении 1, батарея подключается через конденсатор. Ток течет, и разность потенциалов на конденсаторе начинает расти, но по мере того, как на пластинах конденсатора накапливается все больше и больше заряда, ток и скорость нарастания разности потенциалов падают до тех пор, пока не перестанет течь ток и разность потенциалов на конденсаторе не станет равной напряжение питания (V0).Конденсатор полностью заряжен.

  1. Когда переключатель затем замыкается в положении 2, течет большой ток и разность потенциалов на конденсаторе падает. Когда заряд перетекает от одной пластины к другой через резистор, заряд нейтрализуется. Ток и скорость уменьшения разности потенциалов падают. Когда заряд на пластинах достигает нуля, начальное состояние, ток и разность потенциалов также равны нулю. Конденсатор полностью разряжен.

Постоянная времени RC определяет время, необходимое для зарядки конденсатора через резистор примерно на 63,2% или для разряда конденсатора через резистор примерно на 36,8% и дается как

где τ — постоянная времени RC в секундах, R — сопротивление цепи в омах, а C — емкость цепи в фарадах.

Как это:

Нравится Загрузка …

Закон индукции Фарадея для чайников

Закон индукции Фарадея был открыт в результате экспериментов, проведенных Майклом Фарадеем в Англии в 1831 году и примерно в то же время Джозефом Генри в Соединенных Штатах.
Несмотря на то, что Фарадей первым опубликовал свои результаты, что дает ему приоритет открытия, единица индуктивности в системе СИ называется генри (аббревиатура H) . С другой стороны, единица измерения емкости в системе СИ, как мы видели, называется фарад (сокращение F) .
В этой главе мы обсуждаем колебания в емкостно-индуктивных цепях, мы видим, насколько уместно связать имена этих двух талантливых современников в едином контексте.

* Помимо независимого одновременного открытия закона индукции, у Фарадея и Генри есть еще несколько общих черт в их жизнях.Оба были учениками в раннем возрасте. Фарадей в 14 лет поступил в ученики к лондонскому переплетчику. Генри в 13 лет поступил в ученики к часовщику в Олбани, штат Нью-Йорк. В последующие годы Фарадей был назначен директором королевского учреждения в Лондоне, основание которого во многом было связано с американцем Бенджамином Томсоном (граф Рамфорд). Генри, с другой стороны, потому что секретарь Смитсоновского института в Вашингтоне, округ Колумбия, который был найден на пожертвования англичанина Джеймса Смитсона.

Фарадей заметил, что если магнит перемещается к катушке с проволокой (соленоиду), соединенной последовательно с гальванометром, в токе возникает электрический ток. Когда магнит перемещается к соленоиду, гальванометр показывает отклонение в одном направлении, а когда магнит перемещается от соленоида, гальванометр показывает отклонение в противоположном направлении. Когда магнит неподвижен, гальванометр не прогибается. Аналогичные результаты получаются, когда магнит остается неподвижным, а катушка перемещается.Когда магнит перемещается, если отклонение гальванометра велико, а когда он перемещается медленно, отклонение невелико. Также было обнаружено, что если есть две замкнутые цепи в непосредственной близости, одна из которых содержит батарею, а другая — гальванометр, и цепь батареи замкнута нажатием кнопки K, а затем разомкнута, гальванометр во вторичной цепи показывает прогиб сначала в одну сторону, а затем в другую.

Замечено, что в гальванометре не возникает отклонений, если ток в первичной цепи протекает непрерывно.Отклонение в гальванометре происходит только при включении или отключении тока в первичной цепи. Фарадей суммировал эти экспериментальные результаты в виде следующих законов:

  • 1: Всякий раз, когда происходит изменение магнитных силовых линий или магнитного потока, в цепи возникает индуцированный ток.
  • 2: Индуцированный ток или ЭДС длится только в течение времени, в течение которого силовые линии или магнитный поток фактически изменяются.
  • 3: Величина наведенной ЭДС зависит от скорости изменения магнитных силовых линий или магнитного потока.

На рисунке (1) показана катушка с проводом как часть цепи, содержащей амперметр. Обычно мы ожидаем, что амперметр не будет показывать ток в цепи, потому что, похоже, нет электродвижущей силы. Однако, если мы подтолкнем стержневой магнит к катушке так, чтобы его северный полюс был обращен к катушке, произойдет примечательная вещь. Во время движения магнита амперметр отклоняется, показывая, что в катушке установлен ток. Если удерживать магнит неподвижно по отношению к катушке, амперметр не отклоняется.Если мы отодвинем магнит от катушки, счетчик снова отклонится, но в противоположном направлении, а это значит, что ток в катушке находится в противоположном направлении. Если мы используем конец северного полюса магнита вместо конца северного полюса, эксперимент будет работать, как описано, но отклонения будут обратными. Чем быстрее перемещается магнит, тем выше показания счетчика. Дальнейшие эксперименты показывают, что важно относительное движение магнита и катушки. Он не отмечает различий, перемещаем ли мы магнит к катушке или катушку к магниту.

Закон индукции Фарадея формула

«Индуцированная ЭДС в цепи равна отрицательной скорости, с которой магнитный поток, проходящий через цепь, изменяется со временем». Математически это записывается как:

Пояснение:

Эксперимент Фарадея показал, и, поскольку техника линий поля Фарадея помогает нам визуализировать, именно изменение количества силовых линий, проходящих через контур цепи, вызывает в контуре ЭДС.В частности, скорость изменения количества силовых линий, проходящих через петлю, определяет наведенную ЭДС.

Чтобы сделать это утверждение количественным, мы вводим магнитный поток Φ B , который указывается как «Количество магнитных силовых линий, проходящих нормально через определенную область, называется магнитным потоком». Он обозначается как Φ B. Это скалярная величина, единица измерения которой — Вебер (Вб). Он измеряется произведением напряженности магнитного поля и составляющей площади вектора, параллельной магнитному полю.Математически это представлено как:

Φ B = B.A

Φ B = BA cosθ

Где A — вектор, величина которого представляет собой площадь элемента, а направление — по нормали к поверхности элемента, θ — угол между направлениями векторов B и A.

Когда магнит перемещается к петле, стрелка амперметра отклоняется в одном направлении, как показано на рисунке (а).Когда магнит приведен в состояние покоя и удерживается неподвижно относительно фигуры петли (b), отклонения не наблюдается. Когда магнит отодвигается от петли, игла отклоняется в противоположном направлении, как показано на рисунке (c). Наконец, если магнит удерживается в неподвижном состоянии и петля перемещается либо к нему, либо от него, игла отклоняется. Из этих наблюдений мы заключаем, что петля обнаруживает движение магнита относительно нее, и мы связываем это обнаружение с изменением магнитного поля.Таким образом, кажется, что существует связь между током и изменяющимися магнитными полями.

Эти результаты весьма примечательны с учетом того факта, что ток подается, даже если в цепи нет батарей. Мы называем такой ток индуцированным током, который создается наведенной ЭДС. Это явление называется электромагнитной индукцией.


На нашем веб-сайте есть и другие связанные темы:
1: Закон Ленца
2: Электромагнитная индукция
3: Трансформатор
4: Магнетизм
Внешние источники

  • https: // en.wikipedia.org/wiki/Faraday%27s_law_of_induction
  • https://www.daenotes.com/electronics/basic-electronics/faraday-laws-of-electromagnetic-induction
.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *