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.
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 Е i 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 .
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 F т , 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 F т и F равны по абсолютному значению
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
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 Е L , которая равна
где dΨ L – 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.
Что такое взаимная индукция? Взаимная индуктивность
Для разъяснения понятия взаимной индукции рассмотрим две катушки К1 и К2 расположенные близко друг от друга
Если по одной из катушек пропускать электрический ток i 1 , 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 i 1 в 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 Ψ 12 к току в первичной катушке i 1
Однако, определить взаимную индукцию можно и обратным способом, то есть пропуская ток i 2 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;
L 1 – индуктивность первой катушки;
L 2 – индуктивность второй катушки.
Коэффициент индуктивной связи k определяется следующим выражением
Из данного выражения видно, что коэффициент связи всегда будет меньше единицы, так как Φ 12 < Φ 1 и Φ 21 < Φ 2 .
Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.
>> ЭДС индукции в движущихся проводниках
§ 13 ЭДС ИНДУКЦИИ В ДВИЖУЩИХСЯ ПРОВОДНИКАХ
Рассмотрим теперь второй случай возникновения индукционного тока.
При движении проводника его свободные заряды движутся вместе с ним. Поэтому на заряды со стороны магнитного поля действует сила Лоренца . Она-то и вызывает перемещение зарядов внутри проводника. ЭДС индукции, следовательно, имеет магнитное происхождение.
На многих электростанциях земнога шара именно сила Лоренца вызывает перемещение электронов в движущихся проводниках.
Вычислим ЭДС индукции, возникающую в проводнике, движущемся в однородном магнитном поле (рис. 2.10). Пусть сторона контура MN длиной l скользит с постоянной скоростью вдоль сторон NC и MD, оставаясь все время параллельной стороне CD. Вектор магнитной индукции однородного поля перпендикулярен проводнику и составляет угол с направлением его скорости.
Сила, с которой магнитное ноле действует на движущуюся заряженную частицу, равна по модулю
Направлена эта сила вдоль проводника MN. Работа силы Лоренца 1 на пути l положительна и составляет:
Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные урокиПоявление электродвижущей силы (ЭДС) в телах, перемещающихся в магнитном поле легко объяснить, если вспомнить о существовании силы Лоренца. Пусть стержень движется в однородном магнитном поле с индукцией рис.1. Пусть направление скорости движения стержня () и перпендикулярны друг другу.
Между точками 1 и 2 стержня индуцируется ЭДС, которая направлена от точки 1 к точке 2. Движение стержня - это перемещение положительных и отрицательных зарядов, которые входят в состав молекул этого тела. Заряды вместе с телом перемещаются в сторону движения стержня. Магнитное поле оказывает воздействие на заряды при помощи силы Лоренца, пытаясь переместить положительные заряды в сторону точки 2, а отрицательные заряды к противоположному концу стержня. Так, действие силы Лоренца порождает ЭДС индукции.
Если в магнитном поле движется металлический стержень, то положительные ионы, находясь в узлах кристаллической решетки, не могут двигаться вдоль стержня. При этом подвижные электроны скапливаются в избытке на конце стержня около точки 1. Противоположный конец стержня будет испытывать недостаток электронов. Появившееся напряжение определяет собой ЭДС индукции.
В том случае, если движущийся стержень сделан из диэлектрика, разделение зарядов при воздействии силы Лоренца, приводит к его поляризации.
ЭДС индукции будет равна нулю, если проводник перемещается параллельно направлению вектора (то есть угол между и равен нулю).
ЭДС индукции в прямом проводнике, движущемся в магнитном поле
Получим формулу для вычисления ЭДС индукции, которая возникает в прямолинейном проводнике, имеющем длину l, движущемся параллельно самому себе в магнитном поле (рис.2). Пусть v - мгновенная скорость проводника, тогда за время он опишет площадь равную:
При этом проводник пересечет все линии магнитной индукции, которые проходят через площадку . Получим, что изменение магнитного потока () сквозь контур в который входит перемещающийся проводник:
где - составляющая магнитной индукции, перпендикулярная к площадке . Подставим выражение для (2) в основной закон электромагнитной индукции:
При этом направление тока индукции определено законом Ленца. То есть индукционный ток имеет такое направление, что механическая сила, которая действует на проводник, замедляет перемещение проводника.
ЭДС индукции в плоском витке, вращающемся в магнитном поле
Если плоский виток вращается в однородном магнитном поле, угловая скорость его вращения равна , ось вращения находится в плоскости витка и , тогда ЭДС индукции можно найти как:
где S - площадь, которую ограничивает виток; - поток самоиндукции витка; - угловая скорость; () - угол поворота контура. Необходимо заметить, что выражение (5) справедливо, тогда, когда ось вращения составляет прямой угол с направлением вектора внешнего поля .
Если вращающаяся рамка имеет N витков и ее самоиндукцией можно пренебречь, то:
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Автомобильная антенна, расположенная вертикально движется с востока на запад в магнитном поле Земли. Длина антенны м, скорость перемещения составляет . Каким будет напряжение между концами проводника? |
| Решение | Антенна - это разомкнутый проводник, следовательно, тока в нем не будет, напряжение на концах равно ЭДС индукции:
Составляющая вектора магнитной индукции поля Земли, перпендикулярная направлению движения антенны для средних широт примерно равна Тл. |
Индуктированная электродвижущая сила (ЭДС) возникает в следующих случаях:
- Когда движущийся проводник пересекает неподвижное магнитное поле или, наоборот, перемещающееся магнитное поле пересекает неподвижный проводник; или когда проводник и магнитное поле, двигаясь в пространстве, перемещаются один относительно другого;
- Когда переменное магнитное поле одного проводника, действуя на другой проводник, индуктирует в нем ЭДС (взаимоиндукция);
- Когда изменяющееся магнитное поле индуктирует в енм самом ЭДС (самоиндукция).
Таким образом, всякое изменение во времени величины магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур (виток, рамку), сопровождается появлением в проводнике индуктированной ЭДС.
Как было отмечено в статье "Явление электромагнитной индукции ", направление ЭДС магнитной индукции зависит от направления движения проводника и от направления магнитного поля.
Для определения направления индуктированной ЭДС в проводнике служит "правило правой руки". Оно заключается в следующем: если мысленно расположить правую руку в магнитном поле вдоль проводника так, чтобы магнитные линии, выходящие из северного полюса, входили в ладонь, а большой отогнутый палец совпадал с направлением движения проводника, то четыре вытянутых пальца будут указывать направление индуктированной ЭДС в проводнике (рисунок 1).
Рисунок 1. Определение направления ЭДС индукции в проводнике по "правилу правой руки"
В случаях, когда проводник остается неподвижным, а магнитное поле движется, для определения направления индуктированной ЭДС нужно предположить, что поле остается неподвижным, а проводник движется в сторону, обратную движению поля, и применить "правило правой руки".
Явление индуктированной ЭДС можно также объяснить при помощи электронной теории.
Поместим проводник в магнитное поле. Свободные электроны проводника будут находиться в беспорядочном тепловом движении. Положительные и отрицательные заряды равномерно расположены по всему объему проводника и взаимно нейтрализуют друг друга. Будем перемещать проводник с определенной скоростью в однородном магнитном поле в направлении n (рисунок 2) перпендикулярно вектору магнитной индукции. Магнитные линии, показанные точками, направлены из-за плоскости чертежа к читателю.
На электрические заряды проводника в этом случае будет действовать сила, под действием которой свободные электроны получат добавочную составляющую скорости и будут двигаться вдоль проводника.
В то время как положительные заряды, связанные с кристаллической решеткой проводника, относительно проводника не смещаются, движущиеся вместе с проводником свободные электроны могут перемещаться относительно него.
В нашем примере электроны движутся от нижнего края проводника к его верхнему краю, что соответствует направлению тока сверху вниз. Направление индуктированной ЭДС и тока в проводнике, как легко убедиться, согласуется с правилом правой руки.
Величина ЭДС индукции магнитного поля в проводнике зависит:
- от величины индукции B магнитного поля, так как чем гуще расположены магнитные индукционные линии, тем больше число их пересечет проводник за единицу времени (секунду);
- от скорости движения проводника v в магнитном поле, так как при большой скорости движения проводник может больше пересечь индукционных линий в секунду;
- от рабочей (находящейся в магнитном поле) длины проводника l , так как длинный проводник может больше пересечь индукционных линий в секунду;
- от величины синуса угла α между направлением движения проводника и направлением магнитного поля (рисунок 3).
Раскладываем вектор скорости движения проводника в магнитном поле на две составляющие: v n - составляющую нормальную к направлению поля (v n = v × sin α) и v t - тангенциальную составляющую (v t = v × cos α), которая не принимает участия в создании ЭДС, так как при движени под воздействием тангенциальной составляющей проводник двигался бы параллельно вектору B и не пересекал бы линии магнитной индукции.
Формула ЭДС индукции дает возможность определить ее величину:
e = B × l × v × sin α (В) .
Познакомившись с явлением электромагнитной индукции, рассмотрим еще раз процесс преобразования электрической энергии в механическую.
Рисунок 4. Преобразование электрической энергии в механическую
Пусть прямолинейный проводник АВ (рисунок 4), по которому проходит ток от источника напряжения, помещен во внешнее магнитное поле. Если проводник неподвижен, то энергия источника напряжения расходуется исключительно на нагрев проводника:
A = U × I × t = I ² × r × t (Дж) .
Затрачиваемая мощность будет равна:
P эл = U × I = I ² × r (Вт) ,
откуда определяем ток в цепи:
| (1) |
Однако нам известно, что проводник с током, помещенный в магнитное поле, будет испытывать силу со стороны поля, стремящуюся перемещать проводник в магнитном поле в направлении, определяемом правилом левой руки. При своем движении проводник будет пересекать магнитные силовые линии поля и в нем по закону электромагнитной индукции возникнет индуктированная ЭДС. Направление этой ЭДС, определенное по правилу правой руки, будет обратным току I . Назовем ее обратной ЭДС E обр. Величина E обр согласно закону электромагнитной индукции будет равна.
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.
Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/1-14-210x140..jpg 614w" sizes="(max-width: 600px) 100vw, 600px">
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.
Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/2-10-768x454..jpg 960w" sizes="(max-width: 600px) 100vw, 600px">
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.
Jpg?x15027" alt="Перемещение провода в МП" width="600" height="429">
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.
Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/4-10-768x536..jpg 900w" sizes="(max-width: 600px) 100vw, 600px">
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:
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.
Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/5-5.jpg 680w" sizes="(max-width: 600px) 100vw, 600px">
Взаимоиндукция
Пусть имеется две катушки. По проводу одной катушки, обладающей N1 витками, протекает ток I1, создающий МП, проходящее через катушку с N2 витками. Тогда:
- Взаимоиндуктивность второй катушки относительно первой:
М21 = (N2 x F21)/I1;
- Магнитный поток:
Ф21 = (М21/N2) x I1;
- Найдем индуцированную ЭДС:
Е2 = — N2 x dФ21/dt = — M21x dI1/dt;
- 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.