Empirijski je M. Faraday pokazao da je jačina indukcijske struje u provodnom kolu direktno proporcionalna brzini promjene broja vodova magnetne indukcije koji prolaze kroz površinu ograničenu dotičnim krugom. Savremeni tekst zakona elektromagnetna indukcija, koristeći koncept magnetskog fluksa, dao je Maxwell. Magnetski fluks (F) kroz površinu S je vrijednost jednaka:
gdje je modul vektora magnetske indukcije; - ugao između vektora magnetske indukcije i normale na ravan konture. Magnetski fluks se tumači kao veličina koja je proporcionalna broju linija magnetske indukcije koje prolaze kroz razmatranu površinu S.
Pojava indukcijske struje ukazuje da u vodiču nastaje određena elektromotorna sila (EMS). Razlog za pojavu EMF indukcije je promjena magnetskog fluksa. U sistemu međunarodnih jedinica (SI) zakon elektromagnetne indukcije zapisuje se na sljedeći način:
gdje je brzina promjene magnetskog fluksa kroz područje koje kontura ograničava.
Predznak magnetskog fluksa ovisi o izboru pozitivne normale na ravan konture. U ovom slučaju, smjer normale se određuje pomoću pravila desnog vijka, povezujući ga s pozitivnim smjerom struje u krugu. Dakle, pozitivni smjer normale je proizvoljno dodijeljen, pozitivni smjer struje i EMF indukcije u kolu su određeni. Znak minus u osnovnom zakonu elektromagnetne indukcije odgovara Lenzovom pravilu.
Slika 1 prikazuje zatvorenu petlju. Pretpostavimo da je pozitivan smjer pomicanja konture u smjeru suprotnom od kazaljke na satu, tada je normala na konturu () desni vijak u smjeru pomicanja konture. Ako je vektor magnetne indukcije vanjskog polja ko-usmjeren s normalom i njegov modul raste s vremenom, onda dobijamo:
Title="(!LANG:Rendered by QuickLaTeX.com">!}
U ovom slučaju, indukcijska struja će stvoriti magnetni fluks (F'), koji će manje od nule. Linije magnetne indukcije magnetnog polja indukcione struje () prikazane su na sl. 1 isprekidana linija. Indukcijska struja će biti usmjerena u smjeru kazaljke na satu. Indukcijska emf bit će manja od nule.
Formula (2) je zapis zakona elektromagnetne indukcije u najopštijem obliku. Može se primijeniti na fiksna kola i provodnike koji se kreću u magnetskom polju. Izvod, koji je uključen u izraz (2), uglavnom se sastoji iz dva dela: jedan zavisi od promene magnetnog fluksa tokom vremena, drugi je povezan sa kretanjem (deformacijama) provodnika u magnetnom polju.
U slučaju da se magnetni tok mijenja u jednakim vremenskim intervalima za isti iznos, tada se zakon elektromagnetne indukcije piše kao:
Ako se krug koji se sastoji od N zavoja razmatra u naizmjeničnom magnetskom polju, tada će zakon elektromagnetne indukcije poprimiti oblik:
gdje se ta veličina naziva fluks linkage.
Primjeri rješavanja problema
PRIMJER 1
| Vježba | Kolika je brzina promjene magnetskog fluksa u solenoidu, koji ima N = 1000 zavoja, ako se u njemu pobuđuje indukcijski EMF od 200 V? |
| Rješenje | Osnova za rješavanje ovog problema je zakon elektromagnetne indukcije u obliku:
gdje je brzina promjene magnetskog fluksa u solenoidu. Stoga, nalazimo željenu vrijednost kao:
Uradimo proračune:
|
| Odgovori |
PRIMJER 2
| Vježba | Kvadratni provodni okvir nalazi se u magnetskom polju koje se mijenja prema zakonu: (gdje su i su konstante). Normalna na okvir čini ugao sa smjerom vektora magnetske indukcije polja. zid okvira b. Dobijte izraz za trenutnu vrijednost indukcijske emf (). |
| Rješenje | Hajde da napravimo crtež. Kao osnovu za rješavanje problema uzimamo osnovni zakon elektromagnetne indukcije u obliku:
|
Najvažniji zakon elektrotehnike je Ohmov zakon.
Joule-Lenzov zakon
Joule-Lenzov zakon
Verbalno zvuči ovako: Snaga toplote koja se oslobađa po jedinici zapremine medija tokom strujanja električne struje proporcionalna je proizvodu gustine električne struje za vrednost električno polje
gdje w- snagu oslobađanja toplote po jedinici zapremine, - gustinu električne struje, - jačinu električnog polja, σ
- provodljivost medija.
Zakon se također može formulirati u integralnom obliku za slučaj toka struje u tankim žicama:
Količina topline koja se oslobađa po jedinici vremena u razmatranom dijelu kruga proporcionalna je umnošku kvadrata jačine struje u ovom dijelu i otpora presjeka
U matematičkom obliku, ovaj zakon ima oblik:
gdje dQ- količina toplote koja se oslobađa tokom određenog vremenskog perioda dt, I- jačina struje, R- otpor, Q je ukupna količina toplote koja se oslobađa tokom vremenskog intervala od t1 prije t2.
U slučaju konstantne struje i otpora:
Kirchhoffovi zakoni
Kirchhoffovi zakoni (ili Kirchhoffova pravila) su odnosi koji postoje između struja i napona u dijelovima bilo kojeg električnog kola. Kirchhoffova pravila vam omogućavaju da izračunate bilo koja električna kola jednosmjerne i kvazistacionarne struje. Imati posebno značenje u elektrotehnici zbog svoje svestranosti, jer su pogodni za rješavanje svih električnih problema. Primjena Kirchhoffovih pravila na lanac omogućava dobijanje sistema linearne jednačine u odnosu na struje, i shodno tome pronađite vrijednost struja na svim granama kola.
Da bi se formulirali Kirchhoffovi zakoni, razlikuju se čvorovi u električnom kolu - spojne točke od tri ili više vodiča i konture - zatvoreni putevi od vodiča. Osim toga, svaki provodnik može biti uključen u nekoliko krugova.
U ovom slučaju, zakoni su formulisani na sledeći način.
Prvi zakon(ZTK, Kirchhoffov zakon struje) kaže da je algebarski zbir struja u bilo kojem čvoru bilo kojeg kola nula (vrijednosti izlaznih struja uzimaju se s suprotnim predznakom):
Drugim riječima, koliko struje teče u čvor, toliko teče iz njega. Ovaj zakon slijedi iz zakona održanja naboja. Ako lanac sadrži strčvorova, onda je opisano p − 1 trenutne jednačine. Ovaj zakon se može primjenjivati i na druge fizičke pojave(na primjer, vodovodne cijevi), gdje postoji zakon održanja veličine i protoka ove veličine.
Drugi zakon(ZNK, Kirchhoff Voltage Law) kaže da je algebarski zbir pada napona duž bilo kojeg zatvorenog kola jednak algebarskom zbiru EMF-a koji djeluje duž istog kola. Ako u krugu nema EMF-a, tada je ukupni pad napona nula:
za konstantne napone: 
Drugim riječima, kada se krug zaobiđe duž konture, potencijal se, mijenjajući, vraća na svoju prvobitnu vrijednost. Ako krug sadrži grane, od kojih grane sadrže izvore struje u količini od , tada se opisuje jednadžbama napona. Poseban slučaj drugog pravila za kolo koje se sastoji od jednog kola je Ohmov zakon za ovo kolo.
Kirchhoffovi zakoni vrijede za linearna i nelinearna kola za bilo koju prirodu promjene vremena struja i napona.
Na ovoj slici, za svaki provodnik, prikazana je struja koja teče kroz njega (slovo "I") i napon između čvorova povezanih s njim (slovo "U").
Na primjer, za kolo prikazano na slici, u skladu s prvim zakonom, vrijede sljedeće relacije:
Imajte na umu da se za svaki čvor mora odabrati pozitivan smjer, na primjer, ovdje se struje koje teku u čvor smatraju pozitivnim, a struje koje izlaze negativnim.
U skladu sa drugim zakonom važe sljedeći odnosi:
Ako je smjer struje isti kao smjer bajpasa petlje (koji je proizvoljno odabran), pad napona se smatra pozitivnim, u suprotnom je negativan.
Kirchhoffovi zakoni, napisani za čvorove i kola, daju kompletan sistem linearnih jednačina koji vam omogućava da pronađete sve struje i napone.
Postoji mišljenje da bi se „Kirhhofovi zakoni“ trebali nazvati „Kirhhofovim pravilima“, jer ne odražavaju fundamentalne suštine prirode (i nisu generalizacija). veliki broj eksperimentalni podaci), ali se mogu izvesti iz drugih odredbi i pretpostavki.
POTPUNI VAŽEĆI ZAKON
POTPUNI VAŽEĆI ZAKON jedan od osnovnih zakona elektromagnetno polje. Uspostavlja odnos između magnetske sile i količine struje koja prolazi kroz površinu. Ukupna struja se shvata kao algebarski zbir struja koje prodiru u površinu ograničenu zatvorena petlja.
Sila magnetiziranja duž konture jednaka je ukupnoj struji koja prolazi kroz površinu ograničenu ovom konturom. Općenito, jačina polja na različitim oblastima magnetna linija može imati različita značenja, i tada će sila magnetiziranja biti jednaka zbroju sila magnetiziranja svake linije.
Joule-Lenzov zakon
Joule-Lenzov zakon- fizički zakon koji kvantificira termičko djelovanje električna struja. Otkrili su ga 1840. nezavisno James Joule i Emil Lenz.
Verbalno zvuči ovako:
Snaga toplote koja se oslobađa po jedinici zapremine medija tokom strujanja električne struje proporcionalna je proizvodu gustine električne struje i veličine električnog polja
Matematički se to može izraziti u sljedećem obliku:
gdje w- snaga oslobađanja toplote po jedinici zapremine, - gustina električne struje, - jačina električnog polja, σ - provodljivost medija.
ZAKON ELEKTROMAGNETNE INDUKCIJE, Faradejev zakon je zakon koji uspostavlja odnos između magnetnih i električnih pojava. EMF elektromagnetske indukcije u kolu je brojčano jednak i suprotan po predznaku brzini promjene magnetskog fluksa kroz površinu ograničenu ovim krugom. Veličina EMF polja ovisi o brzini promjene magnetnog fluksa.
FARADAYOVI ZAKONI(nazvan po engleskom fizičaru M. Faradayu (1791-1867)) - osnovni zakoni elektrolize.
Uspostavlja se odnos između količine električne energije koja prolazi kroz električno provodljivu otopinu (elektrolit) i količine tvari koja se oslobađa na elektrodama.
Kada prođe kroz elektrolit jednosmerna struja I u roku od sekunde q = It, m = kIt.
FARADAYEV 2. zakon: Elektrohemijski ekvivalenti elemenata su direktno proporcionalni njihovim hemijskim ekvivalentima.
pravilo gimleta
Gimlet Rule(takođe pravilo desna ruka) - mnemoničko pravilo za određivanje smjera vektora ugaone brzine koji karakterizira brzinu rotacije tijela, kao i vektora magnetske indukcije B ili za određivanje smjera induktivne struje.
Pravilo desne ruke
Pravilo desne ruke
pravilo gimleta: „Ako je pravac kretanje napred Gimlet (vijak) poklapa se sa smjerom struje u provodniku, tada se smjer rotacije ručke gimleta poklapa sa smjerom vektora magnetske indukcije.
Određuje smjer induktivne struje u vodiču koji se kreće u magnetskom polju
Pravilo desne ruke: „Ako je dlan desne ruke postavljen tako da uključuje linije sile magnetskog polja, a savijeni palac usmjeren duž kretanja provodnika, tada će četiri ispružena prsta ukazati na smjer indukcijske struje."
Za solenoid formulira se na sljedeći način: „Ako dlanom desne ruke uhvatite solenoid tako da su četiri prsta usmjerena duž struje u zavojima, tada će palac koji je ostavljen u stranu pokazati smjer linija magnetskog polja unutar solenoida. "
pravilo lijeve ruke
pravilo lijeve ruke
Ako se naboj kreće, a magnet miruje, tada se primjenjuje pravilo lijeve ruke za određivanje sile: „Ako lijeva ruka postavljen tako da linije indukcije magnetskog polja ulaze u dlan okomito na njega, a četiri prsta su usmjerena uz struju (duž kretanja pozitivno nabijene čestice ili protiv kretanja negativno nabijene čestice), zatim postavljen palac u stranu za 90° pokazat će smjer djelovanja Lorentzove ili Amperove sile.
Za opisivanje procesa u fizici i hemiji postoji niz zakona i odnosa dobijenih eksperimentalno i proračunom. Bez istraživanja se ne može raditi preliminarna evaluacija procesi prema teorijskim omjerima. Faradejevi zakoni primjenjuju se i u fizici i u hemiji, a u ovom članku pokušaćemo ukratko i jasno govoriti o svim poznatim otkrićima ovog velikog naučnika.
Istorija otkrića
Faradayev zakon u elektrodinamici otkrila su dva naučnika: Michael Faraday i Joseph Henry, ali je Faraday objavio rezultate svog rada ranije - 1831. godine.
U svojim demonstracijskim eksperimentima u kolovozu 1831. koristio je željezni torus, na čijim je suprotnim krajevima bila namotana žica (jedna žica po strani). Na krajevima jedne prve žice napajao je struju iz galvanske baterije i spojio galvanometar na zaključke druge. Dizajn je bio sličan modernom transformatoru. Periodično je uključivao i gasio napon na prvoj žici, primetio je rafale na galvanometru.
Galvanometar je vrlo osjetljiv instrument za mjerenje malih struja.
Tako je prikazan utjecaj magnetskog polja, nastalog kao rezultat strujanja u prvoj žici, na stanje drugog vodiča. Ovaj udar se prenosio s prvog na drugi kroz jezgro - metalni torus. Kao rezultat istraživanja, otkriven je i utjecaj stalnog magneta koji se kreće u zavojnici na njegov namotaj.
Zatim je Faraday objasnio fenomen elektromagnetne indukcije u smislu linija sile. Druga je bila instalacija za generiranje jednosmjerne struje: bakarni disk se rotirao u blizini magneta, a žica koja klizi duž njega bila je kolektor struje. Ovaj izum se zove Faradejev disk.
Naučnici tog perioda nisu prihvatili Faradejeve ideje, ali je Maksvel uzeo istraživanje da formira osnovu svoje magnetske teorije. Godine 1836, Michael Faraday uspostavio je odnose za elektrohemijske procese, koje su nazvali Faradejevi zakoni elektrolize. Prvi opisuje omjer mase tvari oslobođene na elektrodi i struje koja teče, a drugi opisuje omjer mase tvari u otopini i oslobođene na elektrodi, za određenu količinu električne energije.
Elektrodinamika
Prvi radovi se primenjuju u fizici, konkretno u opisu rada električnih mašina i aparata (transformatora, motora itd.). Faradejev zakon kaže:
Za kolo, inducirani EMF je direktno proporcionalan veličini brzine magnetskog fluksa koji se kreće kroz ovo kolo sa predznakom minus.
Može se reći jednostavnim rečima: što se brže magnetski tok kreće kroz kolo, to se više EMF stvara na njegovim terminalima.
Formula izgleda ovako:
Ovdje je dF magnetni fluks, a dt jedinica vremena. Poznato je da je prvi izvod s obzirom na vrijeme brzina. Odnosno, brzina kretanja magnetskog fluksa u ovom konkretnom slučaju. Usput, može se kretati, kao izvor magnetskog polja (zavojnica sa strujom - elektromagnet, ili trajni magnet), i krug.
Ovdje se protok može izraziti sljedećom formulom:
B je magnetno polje, a dS je površina.
Ako uzmemo u obzir zavojnicu s gusto namotanim zavojima, dok je broj zavoja N, tada Faradejev zakon izgleda ovako:
Magnetski fluks u formuli za jedan okret se mjeri u Webersu. Struja koja teče u kolu naziva se induktivna.
Elektromagnetna indukcija je fenomen strujanja struje u zatvorenom kolu pod utjecajem vanjskog magnetskog polja.
U gornjim formulama možete uočiti znakove modula, bez njih ima malo drugačiji oblik, kao što je rečeno u prvoj formulaciji, sa znakom minus.
Znak minus objašnjava Lenzovo pravilo. Struja koja se javlja u krugu stvara magnetsko polje, usmjereno je u suprotnom smjeru. To je posljedica zakona održanja energije.
Smjer indukcijske struje može se odrediti pravilom desne ruke ili, detaljno smo ga razmotrili na našoj web stranici.
Kao što je već spomenuto, zbog fenomena elektromagnetne indukcije, rad električni automobili transformatori, generatori i motori. Na slici je prikazan tok struje u namotaju armature pod utjecajem magnetskog polja statora. U slučaju generatora, kada se njegov rotor rotira spoljne sile EMF se javlja u namotajima rotora, struja stvara magnetsko polje usmjereno suprotno (isti znak minus u formuli). Što je veća struja koju povlači opterećenje generatora, veće je ovo magnetno polje i teže ga je rotirati.
I obrnuto - kada struja teče u rotoru, nastaje polje koje je u interakciji sa poljem statora i rotor počinje da se okreće. Kada je osovina opterećena povećava se struja u statoru i u rotoru, te je potrebno osigurati preklapanje namotaja, ali to je druga tema vezana za projektiranje električnih strojeva.
U srcu rada transformatora, izvor pokretnog magnetskog fluksa je izmjenično magnetsko polje koje nastaje kao rezultat protoka naizmjenične struje u primarnom namotu.
Ako želite detaljnije proučiti problem, preporučujemo da pogledate video koji lako i jasno objašnjava Faradejev zakon za elektromagnetnu indukciju:
Elektroliza
Pored istraživanja EMF-a i elektromagnetne indukcije, naučnik je napravio velika otkrića u drugim disciplinama, uključujući hemiju.
Kada struja teče kroz elektrolit, ioni (pozitivni i negativni) počinju da jure prema elektrodama. Negativi se kreću prema anodi, pozitivni prema katodi. Istovremeno se na jednoj od elektroda oslobađa određena masa tvari koja se nalazi u elektrolitu.
Faraday je provodio eksperimente, propuštajući različite struje kroz elektrolit i mjereći masu tvari taložene na elektrodama, te zaključivao obrasce.
m je masa supstance, q je naelektrisanje, a k zavisi od sastava elektrolita.
A naelektrisanje se može izraziti u vidu struje tokom određenog vremenskog perioda:
I=q/t, onda q = i*t
Sada možete odrediti masu supstance koja će se osloboditi, znajući struju i vrijeme kada je tekla. To se zove Faradejev prvi zakon elektrolize.
drugi zakon:
Težina hemijski element, koji će se taložiti na elektrodi, direktno je proporcionalan ekvivalentnoj masi elementa (molarna masa podijeljena brojem koji ovisi o kemijskoj reakciji u kojoj supstanca sudjeluje).
S obzirom na gore navedeno, ovi zakoni su kombinovani u formulu:
m je masa oslobođene supstance u gramima, n je broj elektrona prenesenih u procesu elektrode, F=986485 C/mol je Faradejev broj, t je vrijeme u sekundama, M molarna masa supstance g/mol.
U stvarnosti, iz raznih razloga, masa oslobođene tvari je manja od izračunate (prilikom izračunavanja uzimajući u obzir struju koja teče). Omjer teorijske i stvarne mase naziva se strujni izlaz:
B t \u003d 100% * m kalc / m teor
Faradejevi zakoni dali su značajan doprinos razvoju moderna nauka, zahvaljujući njegovom radu imamo elektromotore i generatore električne energije (kao i rad njegovih sljedbenika). Rad EMF-a i pojava elektromagnetne indukcije dali su nam većinu moderne električne opreme, uključujući zvučnike i mikrofone, bez kojih je slušanje snimaka i glasovna komunikacija nemoguće. U galvanskoj metodi oblaganja materijala koriste se procesi elektrolize, koji imaju i dekorativnu i praktičnu vrijednost.
Povezani sadržaj:
lajkuj( 0 ) ne volim( 0 )
Vektor magnetske indukcije \(~\vec B\) karakterizira svojstva sile magnetskog polja u datoj tački u prostoru. Uvedimo još jednu veličinu koja ovisi o vrijednosti vektora magnetske indukcije ne u jednoj tački, već u svim tačkama proizvoljno odabrane površine. Ova vrijednost se zove magnetni fluks i označava se grčkim slovom Φ (phi).
- magnetni fluks Φ uniformno polje kroz ravnu površinu prolazi skalarna fizička veličina brojčano jednaka proizvodu modula indukcije B magnetno polje, površina S i kosinus ugla α između normale \(~\vec n\) na površinu i vektora indukcije \(~\vec B\) (slika 1):
U SI, jedinica magnetskog fluksa je weber(Wb):
1 Wb \u003d 1 T ⋅ 1 m 2.
- Magnetski fluks na 1 Wb je magnetni tok jednolikog magnetskog polja sa indukcijom od 1 T kroz ravnu površinu okomitu na nju površine 1 m 2.
Iz formule (1) proizilazi da se magnetni tok može promijeniti:
- ili samo promjenom modula vektora indukcije B magnetno polje, zatim \(~\Delta \Phi = (B_2 - B_1) \cdot S \cdot \cos \alpha\) ;
- ili samo promjenom područja konture S, zatim \(~\Delta \Phi = B \cdot (S_2 - S_1) \cdot \cos \alpha\) ;
- ili samo zbog rotacije konture u magnetskom polju, tada \(~\Delta \Phi = B \cdot S \cdot (\cos \alpha_2 - \cos \alpha_1)\) ;
- ili istovremeno promjenom nekoliko parametara, tada \(~\Delta \Phi = B_2 \cdot S_2 \cdot \cos \alpha_2 - B_1 \cdot S_1 \cdot \cos \alpha_1\) .
Elektromagnetna indukcija (EMI)
Otkriće EMP
Već znate da oko provodnika sa strujom uvijek postoji magnetsko polje. Da li je moguće, naprotiv, stvoriti struju u vodiču uz pomoć magnetnog polja? Upravo je ovo pitanje zanimalo engleskog fizičara Michaela Faradaya, koji je 1822. godine napisao u svom dnevniku: "Pretvorite magnetizam u elektricitet". I tek nakon 9 godina ovaj problem je on riješio.
Otvaranje elektromagnetna indukcija, kako je Faraday nazvao ovu pojavu, napravljena je 29. avgusta 1831. U početku je otkrivena indukcija u provodnicima koji su bili stacionarni jedni u odnosu na druge kada je kolo zatvoreno i otvoreno. Zatim, jasno shvaćajući da bi približavanje ili uklanjanje provodnika sa strujom trebalo da dovede do istog rezultata kao zatvaranje i otvaranje strujnog kola, Faraday je eksperimentima dokazao da struja nastaje kada se zavojnice pomiču jedna u odnosu na drugu (slika 2).
Dana 17. oktobra, kako je zapisano u njegovom laboratorijskom dnevniku, indukciona struja je otkrivena u zavojnici tokom guranja (ili izvlačenja) magneta (slika 3).
U roku od mjesec dana, Faraday je eksperimentalno otkrio da u zatvorenom krugu, struja sa bilo kojom promjenom magnetskog toka kroz njega. Struja dobijena na ovaj način naziva se indukovana struja I i.
Poznato je da električna struja nastaje u kolu kada vanjske sile djeluju na slobodna naelektrisanja. Rad ovih sila pri kretanju jednog pozitivnog naboja duž zatvorenog kola naziva se elektromotorna sila. Stoga, kada se magnetni tok mijenja kroz površinu omeđenu konturom, u njoj se pojavljuju vanjske sile čije djelovanje karakterizira EMF, koji se naziva EMF indukcija i označeno sa E i.
Indukcijska struja I i u kolu i indukcijski EMF E i povezani su sljedećom relacijom (Ohmov zakon):
\(~I_i = -\dfrac (E_i)(R),\)
gdje R- otpor petlje.
- Fenomen pojave indukcionog EMF-a kada se magnetni tok mijenja kroz područje ograničeno strujnim krugom naziva se fenomen elektromagnetne indukcije. Ako je krug zatvoren, tada uz indukcijski EMF nastaje i indukcijska struja. James Clerk Maxwell je predložio sljedeću hipotezu: promjenjivo magnetno polje stvara se u okolnom prostoru električno polje, što slobodne naboje vodi u usmjereno kretanje, tj. stvara induktivnu struju. linije sile takva polja su zatvorena, tj. električno polje vortex. Indukcijske struje koje nastaju u masivnim vodičima pod djelovanjem naizmjeničnog magnetskog polja nazivaju se Foucaultove struje ili vrtložne struje.
Priča
Evo Kratki opis prvo iskustvo koje je dao sam Faraday.
“Namotana na široku drvenu zavojnicu bakrene žice Dugačka 203 stope (stopa je 304,8 mm), a između njenih zavoja je namotana žica iste dužine, ali izolirana od prvog pamučnog konca. Jedna od ovih spirala bila je spojena na galvanometar, a druga na jaku bateriju, koja se sastojala od 100 pari ploča... Kada se sklop zatvorio, bilo je moguće primijetiti iznenadni, ali izuzetno slab učinak na galvanometar, a isto je primjećeno kada je struja stala. Kontinuiranim prolaskom struje kroz jedan od zavojnica nije bilo moguće uočiti nikakav uticaj na galvanometar, niti uopšte bilo kakav induktivni efekat na drugi kalem, uprkos činjenici da je zagrevanje celog namota spojenog na bateriju, i jačina iskre koja je skakala između ugljeva, svjedočila je o snazi baterije.
Vidi također
- Vasiliev A. Volta, Oersted, Faraday // Kvant. - 2000. - br. 5. - S. 16-17
Lenzovo pravilo
Ruski fizičar Emiliy Lenz je 1833. godine formulisao pravilo ( Lenzovo pravilo), koji vam omogućava da postavite smjer indukcijske struje u krugu:
- indukcijska struja koja nastaje u zatvorenom kolu ima takav smjer u kojem vlastiti magnetski tok koji je stvorio kroz područje ograničeno krugom teži da spriječi promjenu vanjskog magnetskog fluksa koji je uzrokovao ovu struju.
- induktivna struja ima takav smjer da sprječava uzrok koji je uzrokuje.
Na primjer, s povećanjem magnetskog toka kroz zavoje zavojnice, indukcijska struja ima takav smjer da magnetsko polje koje stvara sprječava rast magnetskog toka kroz zavoje zavojnice, tj. vektor indukcije \((\vec(B))"\) ovog polja je usmjeren protiv vektora indukcije \(\vec(B)\) vanjskog magnetskog polja. Ako magnetni tok kroz zavojnicu oslabi, tada indukcijska struja stvara magnetsko polje sa indukcijom \ ((\vec(B))"\) koje povećava magnetni tok kroz zavoje zavojnice.
Vidi također
Zakon o EMP-u
Faradejevi eksperimenti su pokazali da je emf indukcije (i jačina induktivne struje) u provodnom kolu proporcionalna brzini promjene magnetskog fluksa. Ako u kratkom vremenu Δ t magnetni fluks se mijenja za ΔΦ, tada je brzina promjene magnetnog fluksa jednaka \(\dfrac(\Delta \Phi )(\Delta t)\). Uzimajući u obzir Lenzovo pravilo, D. Maxwell je 1873. dao sljedeću formulaciju zakona elektromagnetne indukcije:
- Indukcijska emf u zatvorenom krugu jednaka je brzini promjene magnetskog fluksa koji prodire u ovaj krug, uzet sa suprotnim predznakom
- Ova formula se može primijeniti samo uz jednoličnu promjenu magnetnog fluksa.
- Predznak minus u zakonu proizlazi iz Lenzovog zakona. Sa povećanjem magnetnog fluksa (ΔΦ > 0), EMF je negativan (E i < 0), т.е. индукционный ток имеет такое направление, что вектор магнитной индукции индукционного магнитного поля направлен против вектора магнитной индукции внешнего (изменяющегося) магнитного поля (рис. 4, а). При уменьшении магнитного потока (ΔΦ < 0), ЭДС положительная (Ei> 0) (slika 4b).
Rice. 4 U Međunarodnom sistemu jedinica, zakon elektromagnetne indukcije koristi se za utvrđivanje jedinice magnetnog fluksa. Pošto indukciona emf E i izraženo u voltima, a vrijeme u sekundama, onda se iz Weberovog EMP zakona može odrediti na sljedeći način:
- magnetni tok kroz površinu ograničenu zatvorenom petljom jednak je 1 Wb, ako se, uz ravnomjerno smanjenje ovog fluksa na nulu za 1 s, u petlji javlja emf indukcije jednak 1 V:
EMF indukcije u pokretnom provodniku
Prilikom pomicanja dužine provodnika l brzinom \(\vec(\upsilon)\) u konstantnom magnetskom polju sa vektorom indukcije \(\vec(B)\) u njemu nastaje EMF indukcije
\(~E_i = B \cdot \upsilon \cdot l \cdot \sin \alpha,\)
gdje je α ugao između smjera brzine \(\vec(\upsilon)\) provodnika i vektora magnetske indukcije \(\vec(B)\).
Razlog za pojavu ovog EMF-a je Lorentzova sila koja djeluje na slobodna naelektrisanja u provodniku koji se kreće. Stoga će se smjer inducirane struje u vodiču poklopiti sa smjerom komponente Lorentzove sile na ovaj vodič.
Imajući to na umu, možemo formulirati sljedeće kako bismo odredili smjer indukcijske struje u provodniku koji se kreće ( pravilo lijeve ruke):
- trebate postaviti lijevu ruku tako da vektor magnetne indukcije \(\vec(B)\) uđe u dlan, četiri prsta se poklapaju sa smjerom brzine \(\vec(\upsilon)\) provodnika, zatim palac postavljen u stranu za 90° pokazaće smer indukcione struje (slika 5).
Ako se provodnik kreće duž vektora magnetske indukcije, tada neće biti induktivne struje (Lorentzova sila je nula).
Književnost
- Aksenovich L. A. Fizika u srednja škola: Theory. Zadaci. Testovi: Proc. dodatak za institucije koje pružaju op. sredine, obrazovanje / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Minsk: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C.344-351.
- Zhilko V.V. Fizika: udžbenik. dodatak za 11. razred. opšte obrazovanje institucije sa ruskim jezikom. lang. Obrazovanje sa 12-godišnjim rokom studija (osnovni i napredni nivoi) / V.V. Zhilko, L.G. Markovich. - Mn.: Nar. asveta, 2008. - S. 170-182.
- Myakishev, G.Ya. Fizika: Elektrodinamika. 10-11 ćelija: udžbenik. za dubinska studija fizike / G.Ya. Myakishev, A.3. Sinyakov, V.A. Slobodskov. - M.: Drfa, 2005. - S. 399-408, 412-414.
Danas ćemo otkriti takav fenomen fizike kao što je "zakon elektromagnetne indukcije". Reći ćemo vam zašto je Faraday provodio eksperimente, dati formulu i objasniti važnost fenomena za svakodnevni život.
Drevni bogovi i fizika
Drevni ljudi su obožavali nepoznato. A sada se čovjek boji dubina mora i svemirske udaljenosti. Ali nauka može objasniti zašto. Polijeću podmornice nevjerovatan život okeane dubine više od kilometra, svemirski teleskopi proučavaju objekte koji su postojali samo nekoliko miliona godina nakon velikog praska.
Ali onda su ljudi oboženjavali sve što ih je fasciniralo i uznemiravalo:
- Sunrise;
- buđenje biljaka u proljeće;
- kiša;
- rođenje i smrt.
U svakom predmetu i pojavi živele su nepoznate sile koje su vladale svetom. Do sada su djeca težila humaniziranju namještaja i igračaka. Ostavljeni bez nadzora odraslih, maštaju: ćebe će zagrliti, stolica će stati, prozor će se sam otvoriti.
Možda je prvi evolucijski korak čovječanstva bila sposobnost održavanja vatre. Antropolozi sugerišu da su najranije vatre paljene sa drveta u koje je udario grom.
Dakle, električna energija je odigrala veliku ulogu u životu čovječanstva. Prva munja dala je poticaj razvoju kulture, osnovni zakon elektromagnetne indukcije doveo je čovječanstvo u današnje stanje.
Od sirćeta do nuklearnog reaktora
U Keopsovoj piramidi pronađene su čudne keramičke posude: vrat je bio zapečaćen voskom, metalni cilindar bio je skriven u dubini. Na unutra zidovima pronađeni ostaci octa ili kiselog vina. Naučnici su došli do senzacionalnog zaključka: ovaj artefakt je baterija, izvor električne energije.
Ali sve do 1600. niko se nije bavio proučavanjem ovog fenomena. Prije pokretanja elektrona, istražena je priroda statičkog elektriciteta. Stari Grci su znali da ćilibar daje iscjedak ako se trlja o krzno. Boja ovog kamena ih je podsjetila na svjetlost zvijezde Elektre sa Plejada. A ime minerala postalo je, zauzvrat, razlog za krštenje fizičkog fenomena.
Prvi primitivni izvor jednosmjerne struje izgrađen je 1800. godine
Naravno, čim se pojavio dovoljno snažan kondenzator, naučnici su počeli proučavati svojstva provodnika koji je povezan s njim. 1820. danski naučnik Hans Christian Oersted otkrio je da magnetna igla skreće pored provodnika uključenog u mrežu. Ova činjenica dala je poticaj Faradejevom otkriću zakona elektromagnetne indukcije (formula će biti navedena u nastavku), koji je omogućio čovječanstvu da proizvodi električnu energiju iz vode, vjetra i nuklearnog goriva.
Primitivno, ali moderno
Fizičku osnovu eksperimenata Maxa Faradaya postavio je Oersted. Ako uključeni provodnik utiče na magnet, onda je i obrnuto: magnetizovani provodnik mora inducirati struju.
Struktura eksperimenta, koja je pomogla da se izvede zakon elektromagnetne indukcije (EMF kao koncept, razmotrit ćemo malo kasnije), bila je vrlo jednostavna. Žica namotana u oprugu povezana je sa uređajem koji registruje struju. Naučnik je donio veliki magnet na zavojnice. Dok se magnet kretao pored kola, uređaj je registrovao protok elektrona.
Od tada se tehnika poboljšala, ali osnovni princip stvaranja električne energije na ogromnim stanicama je i dalje isti: pokretni magnet pobuđuje struju u provodniku namotanom oprugom.
Razvoj ideja
Već prvo iskustvo uvjerilo je Faradaya da električni i magnetsko polje su međusobno povezani. Ali bilo je potrebno saznati kako tačno. Da li se magnetno polje javlja i oko provodnika sa strujom ili su oni jednostavno u stanju da utiču jedno na drugo? Stoga je naučnik otišao dalje. Namotao je jednu žicu, doveo do nje struju i gurnuo ovu zavojnicu u drugu oprugu. A dobio je i struju. Ovo iskustvo je pokazalo da pokretni elektroni stvaraju ne samo električno već i magnetsko polje. Kasnije su naučnici shvatili kako se nalaze u svemiru u odnosu jedni na druge. Elektromagnetno polje je takođe razlog zašto postoji svetlost.
Eksperimentisanje sa različite opcije interakcije provodnika pod naponom, Faraday je otkrio da se struja najbolje prenosi ako su i prvi i drugi namotaj namotani na jedno zajedničko metalno jezgro. Formula koja izražava zakon elektromagnetne indukcije izvedena je upravo na ovom uređaju.
Formula i njene komponente
Sada kada je istorija proučavanja elektriciteta dovedena do Faradejevog eksperimenta, vreme je da napišemo formulu:
Hajde da dešifrujemo:
ε je elektromotorna sila (skraćeno EMF). U zavisnosti od vrednosti ε, elektroni se kreću intenzivnije ili slabije u provodniku. Snaga izvora utječe na EMF, a jačina elektromagnetnog polja na njega.
Φ - vrijednost magnetnog fluksa koji u ovom trenutku prolazi kroz datu oblast. Faraday je namotao žicu u oprugu, jer mu je bio potreban određeni prostor kroz koji će provodnik proći. Naravno, bilo bi moguće napraviti vrlo debeo provodnik, ali to bi bilo skupo. Naučnik je odabrao oblik kruga jer ova ravna figura ima najveći omjer površine i dužine površine. Ovo je energetski najefikasniji oblik. Dakle, kapi vode ravna povrsina postati okrugli. Osim toga, proljeće okrugli presjek mnogo lakše doći: samo namotajte žicu oko nekog okruglog predmeta.
t je vrijeme potrebno da protok prođe kroz petlju.
Prefiks d u formuli za zakon elektromagnetne indukcije znači da je vrijednost diferencijalna. To jest, mali magnetni fluks se mora razlikovati u malim vremenskim periodima da bi se dobio konačni rezultat. Ova matematička radnja zahtijeva određenu pripremu od ljudi. Da bismo bolje razumjeli formulu, snažno potičemo čitatelja da se prisjeti diferencijacije i integracije.
Posljedice iz zakona
Odmah nakon otkrića počeo se istraživati fenomen elektromagnetne indukcije. Lenzov zakon, na primjer, eksperimentalno je izveo ruski naučnik. Upravo je ovo pravilo dodalo minus konačnoj formuli.
On izgleda ovako: smjer indukcijske struje nije slučajan; tok elektrona u drugom namotu, takoreći, teži da smanji učinak struje u prvom namotu. Odnosno, pojava elektromagnetne indukcije je zapravo otpor druge opruge na smetnje u "ličnom životu".
Lenzovo pravilo ima još jednu posljedicu.
- ako se struja u prvom namotu poveća, tada će i struja druge opruge težiti povećanju;
- ako struja u induktivnom namotu padne, tada će se smanjiti i struja u drugom namotu.
Prema ovom pravilu, provodnik u kojem se javlja inducirana struja zapravo nastoji kompenzirati učinak promjenjivog magnetskog toka.
Žito i magarac
Ljudi već duže vrijeme pokušavaju koristiti najjednostavnije mehanizme u svoju korist. Mljevenje brašna je težak posao. Neka plemena žito melju ručno: na jedan kamen stavljaju pšenicu, pokrivaju je drugim ravnim i okruglim kamenom i okreću mlinski kamen. Ali ako trebate samljeti brašno za cijelo selo, onda to ne možete učiniti samo mišićnim radom. U početku su ljudi pogađali da se za mlinski kamen veže tegleća životinja. Magarac je povukao konopac - kamen se okrenuo. Tada su, vjerovatno, ljudi pomislili: „Rijeka stalno teče, gura svašta nizvodno. Zašto ga ne bismo iskoristili za dobro?" Tako su se pojavile vodenice.
Točak, voda, vjetar
Naravno, prvi inženjeri koji su gradili ove konstrukcije nisu znali ništa o sili gravitacije, zbog koje voda uvijek ima tendenciju pada, niti o sili trenja ili površinskog napona. Ali vidjeli su: ako stavite točak s oštricama na prečnik u potoku ili rijeci, onda će se ne samo okretati, već će moći i obavljati koristan posao.
Ali ovaj mehanizam je također bio ograničen: ne postoji svugdje tekuća voda s dovoljnom snagom struje. Tako su ljudi krenuli dalje. Izgradili su mlinove koje je pokretao vjetar.
Ugalj, lož ulje, benzin
Kada su naučnici shvatili princip pobuđivanja električne energije, postavljen je tehnički zadatak: nabaviti ga u industrijskom obimu. U to vreme (sredina devetnaestog veka) svet je bio u groznici mašina. Sve težak posao nastojao da povjeri paru koja se širi.
Ali tada su samo fosilna goriva, ugalj i lož ulje, mogli zagrijati velike količine vode. Stoga su oni koji su bili bogati drevnim ugljicima odmah privukli pažnju investitora i radnika. A preraspodjela ljudi dovela je do industrijske revolucije.
Holandiju i Teksas
Međutim, ovakvo stanje je loše uticalo na životnu sredinu. I naučnici su pomislili: kako dobiti energiju bez uništavanja prirode? Spašeno dobro zaboravljeno staro. Mlin je koristio obrtni moment da bi napravio direktno grubo mehanički rad. Turbine hidroelektrana rotiraju magnete.
Trenutno najčistija električna energija dolazi iz energije vjetra. Inženjeri koji su napravili prve teksaške generatore oslanjali su se na iskustvo vjetrenjače Holland.