Jaki jest prąd indukowany? Opracowanie lekcji „Eksperymenty Faradaya. Indukcja elektromagnetyczna”. Praca laboratoryjna „Badanie zjawiska indukcji elektromagnetycznej”
Występowanie w przewodniku indukcji PEM
Jeśli umieścisz go w przewodniku i przesuniesz tak, że podczas ruchu przecina linie sił pola, to pojawi się przewodnik, zwany indukcją emf.
SEM indukcji wystąpi w przewodniku, nawet jeśli sam przewodnik pozostaje nieruchomy, a pole magnetyczne porusza się, przecinając przewodnik liniami sił.
Jeśli przewodnik, w którym indukowana jest indukcja EMF, jest zamknięty do dowolnego obwodu zewnętrznego, to pod działaniem tego pola elektromagnetycznego przez obwód popłynie prąd, zwany prąd indukcyjny.
Zjawisko indukcji pola elektromagnetycznego w przewodniku, gdy przecinają go linie pola magnetycznego, nazywa się Indukcja elektromagnetyczna.
Indukcja elektromagnetyczna jest procesem odwrotnym, tj. przemianą energii mechanicznej w energię elektryczną.
Zjawisko Indukcja elektromagnetyczna znaleziony najszersze zastosowanie w . Urządzenie różnych maszyn elektrycznych opiera się na jego zastosowaniu.
Wielkość i kierunek indukcji SEM
Rozważmy teraz, jaka będzie wielkość i kierunek pola elektromagnetycznego indukowanego w przewodniku.
Wielkość pola elektromagnetycznego indukcji zależy od liczby linii sił pola przechodzących przez przewodnik w jednostce czasu, tj. Od prędkości przewodnika w polu.
Wielkość indukowanego SEM zależy bezpośrednio od prędkości przewodnika w polu magnetycznym.
Wielkość indukowanego SEM zależy również od długości tej części przewodnika, którą przecinają linie pola. Im większa część przewodnika jest przecinana przez linie pola, tym większa jest indukowana siła elektromotoryczna w przewodniku. I wreszcie, im silniejsze pole magnetyczne, tj. im większa jego indukcja, tym większa siła elektromotoryczna występuje w przewodniku przecinającym to pole.
Więc, wielkość pola elektromagnetycznego indukcji, która występuje w przewodniku, gdy porusza się on w polu magnetycznym, jest wprost proporcjonalna do indukcji pola magnetycznego, długości przewodnika i prędkości jego ruchu.
Zależność tę wyraża wzór E = Blv,
gdzie E jest indukcyjnym emf; B - indukcja magnetyczna; I - długość przewodu; v - prędkość przewodnika.
Trzeba to mocno zapamiętać w przewodniku poruszającym się w polu magnetycznym EMF indukcji występuje tylko wtedy, gdy ten przewodnik przecinają linie pola magnetycznego. Jeśli przewodnik porusza się wzdłuż linii sił pola, tj. Nie przecina się, ale niejako ślizga się wzdłuż nich, wówczas nie indukuje się w nim pola elektromagnetycznego. Dlatego powyższy wzór jest ważny tylko wtedy, gdy przewodnik porusza się prostopadle do magnesu linie siły pola.
Kierunek indukowanej siły elektromotorycznej (a także prądu w przewodniku) zależy od kierunku, w którym porusza się przewodnik. Aby określić kierunek indukowanego emf, istnieje reguła prawa ręka.
Jeśli trzymasz dłoń prawej ręki tak, aby zawierała magnetyczne linie siły pola i wygięła się kciuk wskazywałby kierunek ruchu przewodnika, to rozciągnięte cztery palce wskazywałyby kierunek indukowanego pola elektromagnetycznego i kierunek prądu w przewodniku.
Zasada prawej ręki
SEM indukcji w cewce
Powiedzieliśmy już, że aby wytworzyć indukcję pola elektromagnetycznego w przewodniku, konieczne jest poruszenie samego przewodnika lub pola magnetycznego w polu magnetycznym. W obu przypadkach przez przewodnik muszą przebiegać linie pola magnetycznego, w przeciwnym razie pole elektromagnetyczne nie zostanie zaindukowane. Indukowany SEM, a co za tym idzie indukowany prąd, można uzyskać nie tylko w prostym przewodniku, ale także w przewodniku nawiniętym na cewkę.
Podczas poruszania się wewnątrz magnesu trwałego indukuje się w nim pole elektromagnetyczne, ponieważ strumień magnetyczny magnesu przecina zwoje cewki, czyli dokładnie tak samo, jak w przypadku prostoliniowego przewodnika poruszającego się w polu magnes.
Jeśli magnes zostanie powoli opuszczony do cewki, wówczas powstający w nim emf będzie tak mały, że strzałka urządzenia może nawet nie odchylić się. Jeśli wręcz przeciwnie, magnes zostanie szybko wprowadzony do cewki, odchylenie strzałki będzie duże. Oznacza to, że wielkość indukowanego pola elektromagnetycznego, a tym samym natężenie prądu w cewce, zależy od prędkości magnesu, to znaczy od tego, jak szybko linie pola przecinają zwoje cewki. Jeśli teraz naprzemiennie wprowadzimy do cewki z tą samą prędkością najpierw silny, a potem słaby magnes, to zobaczymy, że przy silnym magnesie strzałka urządzenia odchyli się o większy kąt. Oznacza, wielkość indukowanego emf, a tym samym natężenie prądu w cewce, zależy od wielkości strumienia magnetycznego magnesu.
I wreszcie, jeśli ten sam magnes zostanie wprowadzony z tą samą prędkością, najpierw do cewki z duża liczba obrotów, a następnie znacznie mniejszym, to w pierwszym przypadku strzałka urządzenia odchyli się o większy kąt niż w drugim. Oznacza to, że wielkość indukowanego pola elektromagnetycznego, a tym samym natężenie prądu w cewce, zależy od liczby jej zwojów. Te same wyniki można uzyskać stosując elektromagnes zamiast magnesu stałego.
Kierunek pola elektromagnetycznego indukcji w cewce zależy od kierunku ruchu magnesu. Jak określić kierunek pola elektromagnetycznego indukcji, mówi prawo ustanowione przez E. X. Lenza.
Prawo Lenza dotyczące indukcji elektromagnetycznej
Każdej zmianie strumienia magnetycznego wewnątrz cewki towarzyszy pojawienie się w niej indukcyjnego pola elektromagnetycznego, a im szybciej zmienia się strumień magnetyczny przenikający przez cewkę, tym większe jest w niej indukowane pole elektromagnetyczne.
Jeśli cewka, w której powstaje indukcja EMF, jest zamknięta na obwód zewnętrzny, wówczas prąd indukcyjny przepływa przez jej zwoje, tworząc pole magnetyczne wokół przewodnika, dzięki czemu cewka zamienia się w solenoid. Okazuje się, że zmieniające się zewnętrzne pole magnetyczne powoduje powstanie w cewce prądu indukcyjnego, który z kolei wytwarza wokół cewki własne pole magnetyczne – pole prądowe.
Badając to zjawisko, E. X. Lenz ustanowił prawo, które określa kierunek prądu indukcyjnego w cewce, aw konsekwencji kierunek indukcji EMF. Indukcja emf, która występuje w cewce, gdy zmienia się w niej strumień magnetyczny, wytwarza prąd w cewce w takim kierunku, że strumień magnetyczny cewki wytwarzany przez ten prąd zapobiega zmianie zewnętrznego strumienia magnetycznego.
Prawo Lenza obowiązuje we wszystkich przypadkach indukcji prądu w przewodnikach, niezależnie od kształtu przewodników i sposobu uzyskania zmiany zewnętrznego pola magnetycznego.
Gdy magnes trwały porusza się względem cewki drucianej przymocowanej do zacisków galwanometru lub gdy cewka porusza się względem magnesu, pojawia się prąd indukcyjny.
Prądy indukcyjne w przewodnikach masywnych
Zmieniający się strumień magnetyczny może indukować pole elektromagnetyczne nie tylko w zwojach cewki, ale także w masywnych metalowych przewodnikach. Wnikając w grubość masywnego przewodnika, strumień magnetyczny indukuje w nim pole elektromagnetyczne, które wytwarza prądy indukcyjne. Te tzw. rozchodzą się wzdłuż masywnego przewodnika i ulegają w nim zwarciu.
Rdzenie transformatorów, obwody magnetyczne różnych maszyn i urządzeń elektrycznych to właśnie te masywne przewodniki, które są ogrzewane przez powstające w nich prądy indukcyjne. Zjawisko to jest niepożądane, dlatego w celu zmniejszenia wielkości prądów indukcyjnych części maszyn elektrycznych i rdzenie transformatorów są wykonane nie masywnie, ale składają się z cienkich arkuszy odizolowanych od siebie papierem lub warstwą lakieru izolacyjnego. Z tego powodu ścieżka propagacji prądów wirowych wzdłuż masy przewodnika jest zablokowana.
Ale czasami w praktyce prądy wirowe są również wykorzystywane jako prądy użyteczne. Wykorzystanie tych prądów opiera się np. na działaniu tzw. tłumików magnetycznych ruchomych części elektrycznych przyrządów pomiarowych.
Rysunek pokazuje kierunek prądu indukcyjnego, który pojawia się w zwartej cewce drutu, gdy cewka jest względem niej przesuwana.magnes Wskaż, które z poniższych stwierdzeń są prawdziwe, a które które są błędne.
A. Magnes i cewka przyciągają się do siebie.
B. Wewnątrz cewki pole magnetyczne prądu indukcyjnego jest skierowane do góry.
B. Wewnątrz cewki linie indukcji magnetycznej pola magnesu są skierowane do góry.
D. Magnes jest usuwany z cewki.
2. Jakie układy odniesienia są inercjalne i nieinercjalne? Daj przykłady.
3. Jaka jest właściwość ciał zwana bezwładnością? Jaka jest wartość bezwładności?
4. Jaki jest związek między masami ciał a modułami przyspieszeń, jakie otrzymują podczas interakcji?
5. Czym jest siła i czym się charakteryzuje?
6. Stwierdzenie drugiego prawa Newtona? Co to jest notacja matematyczna?
7. Jak sformułowane jest drugie prawo Newtona w formie impulsywnej? Jego notacja matematyczna?
8. Ile to jest 1 Newton?
9. Jak porusza się ciało, jeśli działa na nie siła o stałej wartości i kierunku? Jaki jest kierunek przyspieszenia wywołanego przez działającą na niego siłę?
10. Jak wyznacza się wypadkową sił?
11. Jak sformułowane i spisane jest trzecie prawo Newtona?
12. W jaki sposób skierowane są przyspieszenia oddziałujących ze sobą ciał?
13. Podaj przykłady przejawów III prawa Newtona.
14. Jakie są granice stosowalności wszystkich praw Newtona?
15. Dlaczego możemy uważać Ziemię za inercjalny układ odniesienia, skoro porusza się ona z przyspieszeniem dośrodkowym?
16. Co to jest deformacja, jakie znasz rodzaje deformacji?
17. Jaką siłę nazywamy siłą sprężystości? Jaka jest natura tej siły?
18. Jakie są cechy siły sprężystości?
19. Jak skierowana jest siła sprężystości (siła reakcji podpory, siła naprężenia nici?)
20. Jak sformułowane i zapisane jest prawo Hooke'a? Jakie są granice jego stosowalności? Sporządź wykres ilustrujący prawo Hooke'a.
21. Jak sformułowane i spisane jest prawo powszechnego ciążenia, kiedy ma ono zastosowanie?
22. Opisz eksperymenty mające na celu wyznaczenie wartości stałej grawitacji?
23. Jaka jest stała grawitacji, jaka jest jej wartość znaczenie fizyczne?
24. Czy praca siły grawitacji zależy od kształtu trajektorii? Jaka jest praca wykonana przez grawitację w zamkniętej pętli?
25. Czy praca siły sprężystej zależy od kształtu trajektorii?
26. Co wiesz o grawitacji?
27. Jak oblicza się przyspieszenie swobodny spadek na Ziemi i innych planetach?
28. Jaka jest pierwsza prędkość kosmiczna? Jak to jest obliczane?
29. Co nazywa się swobodnym spadkiem? Czy przyspieszenie swobodnego spadania zależy od masy ciała?
30. Opisz doświadczenie Galileo Galilei, udowadniając, że wszystkie ciała w próżni spadają z takim samym przyspieszeniem.
31. Jaką siłę nazywamy siłą tarcia? Rodzaje sił tarcia?
32. Jak oblicza się siłę tarcia ślizgowego i tocznego?
33. Kiedy powstaje siła tarcia statycznego? Ile to jest równe?
34. Czy siła tarcia ślizgowego zależy od powierzchni powierzchni styku?
35. Od jakich parametrów zależy siła tarcia ślizgowego?
36. Co decyduje o sile oporu ruchu ciała w cieczach i gazach?
37. Co nazywamy masą ciała? Jaka jest różnica między ciężarem ciała a siłą grawitacji działającą na ciało?
38. W jakim przypadku ciężar ciała jest liczbowo równy modułowi ciężkości?
39. Co to jest stan nieważkości? Co to jest przeciążenie?
40. Jak obliczyć ciężar ciała w ruchu przyspieszonym? Czy ciężar ciała zmienia się, jeśli porusza się ono wzdłuż ustalonej poziomej płaszczyzny z przyspieszeniem?
41. Jak zmienia się ciężar ciała poruszającego się po wypukłej i wklęsłej części koła?
42. Jaki jest algorytm rozwiązywania problemów, gdy ciało porusza się pod działaniem kilku sił?
43. Jaką siłę nazywamy siłą Archimedesa lub siłą wyporu? Od jakich parametrów zależy ta siła?
44. Jakich wzorów można użyć do obliczenia siły Archimedesa?
45. W jakich warunkach ciało w cieczy pływa, tonie, pływa?
46. W jaki sposób głębokość zanurzenia ciała pływającego w cieczy zależy od jego gęstości?
47. Dlaczego Balony wypełnione wodorem, helem lub gorącym powietrzem?
48. Wyjaśnij wpływ obrotu Ziemi wokół własnej osi na wartość przyspieszenia swobodnego spadku.
49. Jak zmienia się wartość grawitacji, gdy: a) oderwanie ciała od powierzchni Ziemi, B) gdy ciało porusza się wzdłuż południka, równolegle
obwód elektryczny?
3. Jakie jest fizyczne znaczenie pola elektromagnetycznego? Zdefiniuj wolt.
4. Połącz z Krótki czas woltomierz ze źródłem energii elektrycznej, przestrzegając biegunowości. Porównaj jego odczyty z obliczeniami opartymi na wynikach eksperymentu.
5. Od czego zależy napięcie na zaciskach źródeł prądu?
6. Na podstawie wyników pomiarów wyznaczyć napięcie w obwodzie zewnętrznym (jeżeli praca została wykonana metodą I), rezystancję obwodu zewnętrznego (jeśli pracę wykonano metodą II).
6 pytań w obliczeniach zagnieżdżania
Pomóż mi proszę!1. W jakich warunkach pojawiają się siły tarcia?
2. Co decyduje o module i kierunku siły tarcia statycznego?
3. W jakich granicach może zmieniać się siła tarcia statycznego?
4. Jaka siła nadaje przyspieszenie wagonowi lub lokomotywie?
5. Czy siła tarcia ślizgowego może zwiększyć prędkość ciała?
6. Jaka jest główna różnica między siłą oporu w cieczach i gazach a siłą tarcia między nimi ciała stałe?
7. Podaj przykłady przydatnych i działanie szkodliwe siły tarcia wszelkiego rodzaju
Zależność między polami elektrycznymi i magnetycznymi była zauważana od bardzo dawna. Związek ten został odkryty w XIX wieku przez angielskiego fizyka Faradaya i nadał mu nazwę. Pojawia się w momencie przenikania strumienia magnetycznego przez powierzchnię obwodu zamkniętego. Po zmianie strumienia magnetycznego przez pewien czas w tym obwodzie pojawia się prąd elektryczny.
Zależność indukcji elektromagnetycznej i strumienia magnetycznego
Istotę strumienia magnetycznego przedstawia znany wzór: Ф = BS cos α. W nim F jest strumieniem magnetycznym, S jest powierzchnią konturu (obszaru), B jest wektorem indukcji magnetycznej. Kąt α jest tworzony ze względu na kierunek wektora indukcji magnetycznej i normalną do powierzchni konturu. Wynika z tego, że strumień magnetyczny osiągnie maksymalny próg przy cos α = 1, a minimalny próg przy cos α = 0.
W drugim wariancie wektor B będzie prostopadły do normalnej. Okazuje się, że linie przepływu nie przecinają konturu, a jedynie przesuwają się wzdłuż jego płaszczyzny. Dlatego charakterystyka zostanie określona przez linie wektora B, które przecinają powierzchnię konturu. Do obliczeń Weber jest używany jako jednostka miary: 1 wb \u003d 1v x 1s (wolt-sekunda). Kolejną, mniejszą jednostką miary jest maxwell (µs). To jest: 1 wb \u003d 108 μs, czyli 1 μs \u003d 10-8 wb.
Do badań Faradaya wykorzystano dwie spirale z drutu, odizolowane od siebie i umieszczone na drewnianej cewce. Jeden z nich był podłączony do źródła energii, a drugi do galwanometru przeznaczonego do rejestracji małych prądów. W tym momencie, gdy obwód oryginalnej spirali zamykał się i otwierał, w drugim obwodzie strzałka urządzenia pomiarowego odchylała się.
Prowadzenie badań nad zjawiskiem indukcji
W pierwszej serii eksperymentów Michael Faraday włożył namagnesowany metalowy pręt do cewki podłączonej do prądu, a następnie go wyciągnął (ryc. 1, 2).
1 
2 
Gdy magnes zostanie umieszczony w cewce podłączonej do urządzenia pomiarowego, w obwodzie zaczyna płynąć prąd indukcyjny. Jeśli pręt magnetyczny zostanie usunięty z cewki, prąd indukcyjny nadal się pojawia, ale jego kierunek jest już odwrócony. W konsekwencji parametry prądu indukcyjnego będą się zmieniać w kierunku pręta iw zależności od bieguna, którym jest on umieszczony w cewce. Na siłę prądu wpływa prędkość ruchu magnesu.
W drugiej serii eksperymentów potwierdzono zjawisko, w którym zmienny prąd w jednej cewce powoduje powstanie prądu indukcyjnego w drugiej cewce (rys. 3, 4, 5). Dzieje się tak w momentach zamykania i otwierania obwodu. Kierunek prądu będzie zależał od tego, czy obwód elektryczny się zamyka, czy otwiera. Ponadto działania te to nic innego jak sposoby zmiany strumienia magnetycznego. Gdy obwód jest zamknięty, wzrośnie, a gdy zostanie otwarty, zmniejszy się, jednocześnie penetrując pierwszą cewkę.
3 
4 
5 
W wyniku przeprowadzonych eksperymentów stwierdzono, że występowanie prądu elektrycznego wewnątrz zamkniętego obwodu przewodzącego jest możliwe tylko wtedy, gdy są one umieszczone w zmiennym polu magnetycznym. Jednocześnie przepływ może zmieniać się w czasie w dowolny sposób.
Prąd elektryczny, który pojawia się pod wpływem indukcji elektromagnetycznej, nazywany jest indukcją, chociaż nie będzie to prąd w konwencjonalnym sensie. Kiedy obwód zamknięty znajduje się w polu magnetycznym, generowana jest siła elektromotoryczna o dokładnej wartości, a nie prąd zależny od różnych rezystancji.
Zjawisko to nazywane jest SEM indukcji, co odzwierciedla wzór: Eind = - ∆F / ∆t. Jego wartość pokrywa się z szybkością zmian strumienia magnetycznego przenikającego przez powierzchnię zamkniętej pętli, zaczerpniętą z ujemna wartość. Minus obecny w tym wyrażeniu jest odzwierciedleniem reguły Lenza.
Reguła Lenza dla strumienia magnetycznego
Znana reguła została wyprowadzona z serii badań w latach 30. XIX wieku. Formułuje się go w następujący sposób:
Kierunek prądu indukcyjnego, wzbudzony w obwodzie zamkniętym przez zmienny strumień magnetyczny, wpływa na wytwarzane przez niego pole magnetyczne w taki sposób, że z kolei tworzy przeszkodę dla strumienia magnetycznego, powodując pojawienie się prąd indukcyjny.
Kiedy strumień magnetyczny wzrasta, to znaczy staje się Ф > 0, a indukcja EMF maleje i staje się Eind< 0, в результате этого появляется электроток с такой направленностью, при которой под влиянием его магнитного поля происходит изменение потока в сторону уменьшения при его прохождении через плоскость замкнутого контура.
Jeśli przepływ maleje, proces odwrotny zachodzi, gdy F< 0 и Еинд >0, czyli działanie pola magnetycznego prądu indukcyjnego, następuje wzrost strumienia magnetycznego przechodzącego przez obwód.
Fizyczne znaczenie reguły Lenza polega na odzwierciedleniu prawa zachowania energii, kiedy jedna wielkość maleje, druga rośnie i odwrotnie, gdy jedna wielkość rośnie, druga maleje. Różne czynniki wpływają również na emf indukcji. Gdy do cewki włożymy naprzemiennie silny i słaby magnes, urządzenie odpowiednio wskaże wyższą wartość w pierwszym przypadku i niższą wartość w drugim. To samo dzieje się, gdy zmienia się prędkość magnesu.
Poniższy rysunek pokazuje, w jaki sposób określa się kierunek prądu indukcyjnego za pomocą reguły Lenza. Kolor niebieski odpowiada liniom sił pól magnetycznych prądu indukcyjnego i magnesu trwałego. Znajdują się one w kierunku biegunów północ-południe, które są obecne w każdym magnesie.
Zmieniający się strumień magnetyczny prowadzi do powstania indukcyjnego prądu elektrycznego, którego kierunek powoduje przeciwstawienie się jego pola magnetycznego, co zapobiega zmianom strumienia magnetycznego. Pod tym względem linie siły pola magnetycznego cewki są skierowane w kierunku przeciwnym do linii siły magnesu trwałego, ponieważ jego ruch odbywa się w kierunku tej cewki.
Aby określić kierunek prądu, używa się go z gwintem prawoskrętnym. Należy go wkręcić w taki sposób, aby kierunek jego ruchu do przodu pokrywał się z kierunkiem linii indukcyjnych cewki. W takim przypadku kierunki prądu indukcyjnego i obrót rękojeści świdra będą się pokrywać.
Jak już się dowiedzieliśmy, Elektryczność zdolne do generowania pól magnetycznych. Powstaje pytanie: czy pole magnetyczne może powodować pojawienie się prądu elektrycznego? Problem ten został rozwiązany przez angielskiego fizyka Michaela Faradaya, który odkrył zjawisko indukcji elektromagnetycznej w 1831 r. Zwinięty przewodnik zamyka się na galwanometrze (ryc. 3.19). Jeśli magnes trwały zostanie wepchnięty do cewki, galwanometr wskaże obecność prądu przez cały czas, gdy magnes porusza się względem cewki. Gdy magnes zostanie wyciągnięty z cewki, galwanometr pokazuje obecność prądu w przeciwnym kierunku. Zmiana kierunku prądu następuje, gdy zmienia się wysuwany lub wysuwany biegun magnesu.
Podobne wyniki zaobserwowano przy wymianie magnesu trwałego na elektromagnes (cewkę z prądem). Jeżeli obie cewki są nieruchome, ale w jednej z nich zmienia się wartość prądu, to w tym momencie w drugiej cewce obserwuje się prąd indukcyjny.
ZJAWISKO INDUKCJI ELEKTROMAGNETYCZNEJ polega na wystąpieniu w obwodzie przewodzącym siły elektromotorycznej (SEM) indukcji, przez którą zmienia się strumień wektora indukcji magnetycznej. Jeśli obwód jest zamknięty, powstaje w nim prąd indukcyjny.
Odkrycie zjawiska indukcji elektromagnetycznej:
1) pokazał związek między elektrycznością a pole magnetyczne ;
2) sugerowane sposób wytwarzania prądu elektrycznego za pomocą pola magnetycznego.
Główne właściwości prądu indukcyjnego:
1. Prąd indukcyjny występuje zawsze, gdy następuje zmiana strumienia indukcji magnetycznej sprzężonej z obwodem.
2. Siła prądu indukcyjnego nie zależy od metody zmiany strumienia indukcji magnetycznej, ale zależy jedynie od szybkości jego zmiany.
Eksperymenty Faradaya wykazały, że wielkość siły elektromotorycznej indukcji jest proporcjonalna do szybkości zmiany strumienia magnetycznego przenikającego obwód przewodnika (prawo indukcji elektromagnetycznej Faradaya)
Lub , (3.46)
gdzie (dF) jest zmianą strumienia w czasie (dt). STRUMIEŃ MAGNETYCZNY lub PRZEPŁYW INDUKCJI MAGNETYCZNEJ nazywamy wartością, która jest wyznaczana na podstawie następującej zależności: ( strumień magnetyczny przechodzący przez pole powierzchni S): Ф=ВScosα, (3,45), kąt a jest kątem między normalną do rozpatrywanej powierzchni a kierunkiem wektora indukcji pola magnetycznego
jednostka strumienia magnetycznego w układzie SI nazywa się weber- [Wb \u003d Tl × m 2].
Znak „-” we wzorze oznacza, że emf. indukcja powoduje powstanie prądu indukcyjnego, którego pole magnetyczne przeciwdziała wszelkim zmianom strumienia magnetycznego, tj. przy >0 e.m.f. indukcja e AND<0 и наоборот.
emf indukcję mierzy się w woltach
Aby znaleźć kierunek prądu indukcyjnego, istnieje reguła Lenza (reguła została ustanowiona w 1833 r.): prąd indukcyjny ma taki kierunek, że wytwarzane przez niego pole magnetyczne ma tendencję do kompensacji zmiany strumienia magnetycznego, która spowodowała ten prąd indukcyjny .
Na przykład, jeśli wepchniesz biegun północny magnesu do cewki, to znaczy zwiększysz strumień magnetyczny przez jego zwoje, w cewce powstanie prąd indukcyjny w takim kierunku, że biegun północny pojawi się na końcu cewki najbliżej do magnesu (ryc. 3.20). Tak więc pole magnetyczne prądu indukcyjnego ma tendencję do neutralizowania zmiany strumienia magnetycznego, która go spowodowała.
Nie tylko zmienne pole magnetyczne generuje prąd indukcyjny w zamkniętym przewodniku, ale także gdy zamknięty przewodnik o długości l porusza się w stałym polu magnetycznym (B) z prędkością v, powstaje w nim siła elektromotoryczna:
a (BÙv) (3,47)
Jak już wiesz, siła elektromotoryczna w łańcuchu jest wynikiem działania sił zewnętrznych. Kiedy dyrygent się porusza w polu magnetycznym, rola sił zewnętrznych wykonuje Siła Lorentza(który działa od strony pola magnetycznego na poruszający się ładunek elektryczny). Pod działaniem tej siły następuje rozdzielenie ładunków i powstanie różnicy potencjałów na końcach przewodnika. emf indukcja w przewodniku to praca polegająca na przemieszczaniu ładunków jednostkowych wzdłuż przewodnika.
Kierunek prądu indukcyjnego można zdefiniować zgodnie z regułą prawej dłoni:Wektor B wchodzi w dłoń, odwiedziony kciuk pokrywa się z kierunkiem prędkości przewodnika, a 4 palce wskazują kierunek prądu indukcyjnego.
Zatem zmienne pole magnetyczne powoduje pojawienie się indukowanego pole elektryczne. To nie potencjalnie(w przeciwieństwie do elektrostatycznego), ponieważ Praca przez przesunięcie pojedynczego ładunku dodatniego równe emf. wprowadzenie, nie zero.
Takie pola to tzw wir. Linie siły wiru pole elektryczne - zamknięci w sobie w przeciwieństwie do linii napięcia pole elektrostatyczne.
emf indukcja występuje nie tylko w sąsiednich przewodnikach, ale także w samym przewodniku, gdy zmienia się pole magnetyczne prądu przepływającego przez przewodnik. Występowanie emf. w dowolnym przewodniku, gdy zmienia się w nim natężenie prądu (stąd strumień magnetyczny w przewodzie) nazywamy samoindukcją, a prąd indukowany w tym przewodniku wynosi prąd samoindukcji.
Prąd w obwodzie zamkniętym wytwarza w otaczającej przestrzeni pole magnetyczne, którego siła jest proporcjonalna do natężenia prądu I. Dlatego strumień magnetyczny Ф przenikający przez obwód jest proporcjonalny do natężenia prądu w obwodzie
Ф=L×I, (3,48).
L jest współczynnikiem proporcjonalności, który nazywa się współczynnikiem samoindukcji lub po prostu indukcyjnością. Indukcyjność zależy od wielkości i kształtu obwodu, a także od przenikalności magnetycznej ośrodka otaczającego obwód.
W tym sensie indukcyjność obwodu - analog pojemność elektryczna pojedynczego przewodnika, która również zależy tylko od kształtu przewodnika, jego wymiarów i przenikalności elektrycznej ośrodka.
Jednostką indukcyjności jest henr (H): 1H - indukcyjność takiego obwodu, którego strumień magnetyczny samoindukcji przy prądzie 1A wynosi 1Wb (1Hn \u003d 1Wb / A \u003d 1V s / A).
Jeśli L=const, to emf. samoindukcję można przedstawić w następującej postaci:
, lub 
, (3.49)
gdzie DI (dI) jest zmianą prądu w obwodzie zawierającym cewkę indukcyjną (lub obwód) L w czasie Dt (dt). Znak „-” w tym wyrażeniu oznacza, że emf. samoindukcja zapobiega zmianie prądu (tj. jeśli prąd w obwodzie zamkniętym maleje, wówczas emf samoindukcji prowadzi do prądu w tym samym kierunku i odwrotnie).
Jednym z przejawów indukcji elektromagnetycznej jest występowanie zamkniętych prądów indukcyjnych w ciągłych ośrodkach przewodzących: ciałach metalowych, roztworach elektrolitów, organach biologicznych itp. Takie prądy nazywane są prądami wirowymi lub prądami Foucaulta. Prądy te powstają, gdy ciało przewodzące porusza się w polu magnetycznym i/lub gdy indukcja pola, w którym znajdują się ciała, zmienia się w czasie. Siła prądów Foucaulta zależy od oporu elektrycznego ciał, a także od szybkości zmian pola magnetycznego.
Prądy Foucaulta są również zgodne z regułą Lenza : ich pole magnetyczne jest skierowane tak, aby przeciwdziałać zmianie strumienia magnetycznego, który indukuje prądy wirowe.
Dlatego masywne przewodniki są hamowane w polu magnetycznym. W maszynach elektrycznych, aby zminimalizować wpływ prądów Foucaulta, rdzenie transformatorów i obwody magnetyczne maszyn elektrycznych są składane z cienkich płytek izolowanych od siebie specjalnym lakierem lub zgorzeliną.
Prądy wirowe powodują silne nagrzewanie się przewodników. Ciepło Joule'a wytwarzane przez prądy Foucaulta, używany w indukcyjnych piecach hutniczych do topienia metali, zgodnie z prawem Joule'a-Lenza.
Tematy kodyfikatora USE Słowa kluczowe: zjawisko indukcji elektromagnetycznej, strumień magnetyczny, prawo indukcji elektromagnetycznej Faradaya, reguła Lenza.
Eksperyment Oersteda wykazał, że prąd elektryczny wytwarza pole magnetyczne w otaczającej przestrzeni. Michael Faraday wpadł na pomysł, że może wystąpić efekt odwrotny: pole magnetyczne z kolei generuje prąd elektryczny.
Innymi słowy, niech będzie zamknięty przewodnik w polu magnetycznym; Czy pod wpływem pola magnetycznego w tym przewodniku nie będzie płynął prąd elektryczny?
Po dziesięciu latach poszukiwań i eksperymentów Faradayowi udało się w końcu odkryć ten efekt. W 1831 roku założył następujące eksperymenty.
1. Dwie cewki zostały nawinięte na tej samej drewnianej podstawie; zwoje drugiej cewki ułożono między zwojami pierwszej i zaizolowano. Wyjścia pierwszej cewki podłączono do źródła prądu, wyjścia drugiej cewki podłączono do galwanometru (galwanometr jest czułym urządzeniem do pomiaru małych prądów). W ten sposób otrzymano dwa obwody: „źródło prądu – cewka pierwsza” oraz „cewka druga – galwanometr”.
Nie było kontaktu elektrycznego między obwodami, tylko pole magnetyczne pierwszej cewki przenikało przez drugą cewkę.
Gdy obwód pierwszej cewki był zamknięty, galwanometr zarejestrował krótki i słaby impuls prądu w drugiej cewce.
Kiedy prąd stały przepływał przez pierwszą cewkę, w drugiej cewce nie generował się żaden prąd.
Gdy obwód pierwszej cewki został otwarty, w drugiej cewce ponownie pojawił się krótki i słaby impuls prądu, ale tym razem w kierunku przeciwnym do prądu, gdy obwód był zamknięty.
Wniosek.
Zmienne w czasie pole magnetyczne pierwszej cewki generuje (lub, jak mówią, wywołuje) prąd elektryczny w drugiej cewce. Prąd ten nazywa się prądem indukcyjnym.
Jeśli pole magnetyczne pierwszej cewki wzrasta (w momencie wzrostu prądu, gdy obwód jest zamknięty), to prąd indukcyjny w drugiej cewce płynie w jednym kierunku.
Jeśli pole magnetyczne pierwszej cewki maleje (w momencie, gdy prąd maleje, gdy obwód jest otwarty), to prąd indukcyjny w drugiej cewce płynie w przeciwnym kierunku.
Jeśli pole magnetyczne pierwszej cewki nie zmienia się (płynie przez nią stały prąd), to w drugiej cewce nie ma prądu indukcyjnego.
Faraday nazwał odkryte zjawisko Indukcja elektromagnetyczna(tj. "indukowanie elektryczności przez magnetyzm").
2. Potwierdzenie przypuszczenia, że generowany jest prąd indukcyjny zmienne pole magnetyczne, Faraday przesunął cewki względem siebie. Obwód pierwszej cewki był cały czas zamknięty, płynął przez nią prąd stały, ale na skutek ruchu (zbliżania się lub odsuwania) druga cewka znalazła się w zmiennym polu magnetycznym pierwszej cewki.
Galwanometr ponownie zarejestrował prąd w drugiej cewce. Prąd indukcyjny miał jeden kierunek, gdy cewki się zbliżały, a drugi - gdy były usuwane. W tym przypadku siła prądu indukcyjnego była tym większa, im szybciej poruszały się cewki.
3. Pierwsza cewka została zastąpiona magnesem trwałym. Kiedy magnes został wprowadzony do drugiej cewki, powstał prąd indukcyjny. Kiedy magnes został wyciągnięty, prąd pojawił się ponownie, ale w innym kierunku. I znowu siła prądu indukcyjnego była tym większa, im szybciej poruszał się magnes.
Te i kolejne eksperymenty wykazały, że prąd indukcyjny w obwodzie przewodzącym występuje we wszystkich przypadkach, gdy zmienia się „liczba linii” pola magnetycznego przenikającego obwód. Siła prądu indukcyjnego jest tym większa, im szybciej zmienia się ta liczba linii. Kierunek prądu będzie jeden ze wzrostem liczby linii w obwodzie, a drugi - ze spadkiem.
Godne uwagi jest to, że dla wielkości natężenia prądu w danym obwodzie istotna jest tylko szybkość zmian liczby linii. To, co dokładnie dzieje się w tym przypadku, nie gra roli – czy zmienia się samo pole, penetrując ustalony kontur, czy też kontur przesuwa się z obszaru o jednym zagęszczeniu linii do obszaru o innym zagęszczeniu.
Na tym polega istota prawa indukcji elektromagnetycznej. Ale aby napisać formułę i wykonać obliczenia, musisz jasno sformalizować niejasne pojęcie „liczby linii pola przechodzących przez kontur”.
strumień magnetyczny
Pojęcie strumienia magnetycznego to tylko charakterystyka liczby linii pola magnetycznego przenikających przez obwód.
Dla uproszczenia ograniczymy się do przypadku jednorodnego pola magnetycznego. Rozważmy kontur obszaru znajdującego się w polu magnetycznym z indukcją.
Najpierw niech pole magnetyczne będzie prostopadłe do płaszczyzny konturu (ryc. 1).
Ryż. jeden.
W tym przypadku strumień magnetyczny określa się bardzo prosto - jako iloczyn indukcji pola magnetycznego i pola obwodu:
(1)
Rozważmy teraz ogólny przypadek, gdy wektor tworzy kąt z normalną do płaszczyzny konturu (ryc. 2).
Ryż. 2.
Widzimy, że teraz tylko prostopadła składowa wektora indukcji magnetycznej „przepływa” przez obwód (a składowa równoległa do obwodu nie „przepływa” przez niego). Zatem zgodnie ze wzorem (1) mamy . Ale dlatego
(2)
Jest to ogólna definicja strumienia magnetycznego w przypadku jednorodnego pola magnetycznego. Zauważ, że jeśli wektor jest równoległy do płaszczyzny konturu (tj. ), wówczas strumień magnetyczny staje się zerowy.
A jak określić strumień magnetyczny, jeśli pole nie jest jednorodne? Dajmy tylko pomysł. Powierzchnia konturu jest podzielona na bardzo dużą liczbę bardzo małych obszarów, w obrębie których pole można uznać za jednorodne. Dla każdego miejsca obliczamy własny mały strumień magnetyczny za pomocą wzoru (2), a następnie podsumowujemy wszystkie te strumienie magnetyczne.
Jednostką strumienia magnetycznego jest weber(Wb). jak widzimy,
Wb \u003d Tl m \u003d V s. (3)
Dlaczego strumień magnetyczny charakteryzuje „liczbę linii” pola magnetycznego przenikającego obwód? Bardzo prosta. O „liczbie linii” decyduje ich gęstość (a więc i wartość – w końcu im większa indukcja, tym linie są grubsze) oraz „efektywny” obszar, przez który przechodzi pole (a to nic innego jak ). Ale mnożniki po prostu tworzą strumień magnetyczny!
Teraz możemy podać jaśniejszą definicję zjawiska indukcji elektromagnetycznej odkrytej przez Faradaya.
Indukcja elektromagnetyczna- jest to zjawisko występowania prądu elektrycznego w zamkniętym obwodzie przewodzącym, gdy zmienia się strumień magnetyczny przenikający przez obwód.
Indukcja pola elektromagnetycznego
Jaki jest mechanizm powstawania prądu indukcyjnego? Omówimy to później. Jak dotąd jedno jest jasne: kiedy zmienia się strumień magnetyczny przechodzący przez obwód, na swobodne ładunki w obwodzie działają pewne siły - siły zewnętrzne które powodują przemieszczanie się ładunków.
Jak wiemy, praca sił zewnętrznych polegająca na przesunięciu jednostkowego ładunku dodatniego po obwodzie nazywana jest siłą elektromotoryczną (EMF): W naszym przypadku, gdy zmienia się strumień magnetyczny w obwodzie, wywoływana jest odpowiednia siła elektromotoryczna Indukcja pola elektromagnetycznego i jest oznaczony.
Więc, SEM indukcji to praca sił zewnętrznych, które powstają, gdy zmienia się strumień magnetyczny przepływający przez obwód, aby przesunąć jednostkę ładunku dodatniego wokół obwodu.
Wkrótce dowiemy się, jaka jest natura sił zewnętrznych, które pojawiają się w tym przypadku w obwodzie.
Prawo indukcji elektromagnetycznej Faradaya
Siła prądu indukcyjnego w eksperymentach Faradaya okazała się tym większa, im szybciej zmieniał się strumień magnetyczny w obwodzie.
Jeśli w krótkim czasie zmiana strumienia magnetycznego wynosi , to prędkość zmiana strumienia magnetycznego jest ułamkiem (lub równoważnie pochodną strumienia magnetycznego po czasie).
Eksperymenty wykazały, że siła prądu indukcyjnego jest wprost proporcjonalna do modułu szybkości zmiany strumienia magnetycznego:
Moduł został zainstalowany, aby chwilowo nie stykał się z wartościami ujemnymi (w końcu jak strumień magnetyczny się zmniejszy, to będzie). Później usuniemy ten moduł.
Z prawa Ohma dla kompletnego łańcucha mamy jednocześnie: . Dlatego indukcja SEM jest wprost proporcjonalna do szybkości zmiany strumienia magnetycznego:
(4)
EMF mierzy się w woltach. Ale szybkość zmiany strumienia magnetycznego jest również mierzona w woltach! Rzeczywiście, z (3) widzimy, że Wb / s = V. Dlatego jednostki miary obu części proporcjonalności (4) są takie same, dlatego współczynnik proporcjonalności jest wielkością bezwymiarową. W układzie SI przyjmuje się, że jest równy jeden i otrzymujemy:
(5)
To jest to prawo indukcji elektromagnetycznej lub Prawo Faradaya. Nadajmy temu ustne sformułowanie.
Prawo indukcji elektromagnetycznej Faradaya. Gdy zmienia się strumień magnetyczny przenikający obwód, w tym obwodzie powstaje indukcyjny emf równy modułowi szybkości zmiany strumienia magnetycznego.
Reguła Lenza
Strumień magnetyczny, którego zmiana prowadzi do pojawienia się prądu indukcyjnego w obwodzie, nazwiemy zewnętrzny strumień magnetyczny. A samo pole magnetyczne, które tworzy ten strumień magnetyczny, nazwiemy zewnętrzne pole magnetyczne.
Dlaczego potrzebujemy tych warunków? Faktem jest, że prąd indukcyjny występujący w obwodzie tworzy własny własny pole magnetyczne, które zgodnie z zasadą superpozycji dodaje się do zewnętrznego pola magnetycznego.
Odpowiednio, wraz z zewnętrznym strumieniem magnetycznym, własny strumień magnetyczny wytwarzany przez pole magnetyczne prądu indukcyjnego.
Okazuje się, że te dwa strumienie magnetyczne - własny i zewnętrzny - są ze sobą powiązane w ściśle określony sposób.
Reguła Lenza. Prąd indukcyjny ma zawsze taki kierunek, że jego własny strumień magnetyczny zapobiega zmianie zewnętrznego strumienia magnetycznego.
Reguła Lenza pozwala znaleźć kierunek prądu indukcyjnego w każdej sytuacji.
Rozważ kilka przykładów zastosowania reguły Lenza.
Załóżmy, że obwód jest penetrowany przez narastające w czasie pole magnetyczne (rys. (3)). Na przykład zbliżamy magnes do konturu od dołu, którego biegun północny jest w tym przypadku skierowany do góry, do konturu.
Strumień magnetyczny przepływający przez obwód wzrasta. Prąd indukcyjny będzie miał taki kierunek, że wytwarzany przez niego strumień magnetyczny zapobiega wzrostowi zewnętrznego strumienia magnetycznego. W tym celu należy skierować pole magnetyczne wytwarzane przez prąd indukcyjny przeciwko zewnętrzne pole magnetyczne.
Prąd indukcyjny płynie w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, patrząc od strony wytwarzanego przez niego pola magnetycznego. W tym przypadku prąd będzie skierowany zgodnie z ruchem wskazówek zegara patrząc od góry, od strony zewnętrznego pola magnetycznego, jak pokazano na (rys. (3)).
Ryż. 3. Zwiększa się strumień magnetyczny
Załóżmy teraz, że pole magnetyczne przenikające obwód zmniejsza się z czasem (rys. 4). Na przykład przesuwamy magnes w dół od pętli, a biegun północny magnesu jest skierowany w stronę pętli.
Ryż. 4. Strumień magnetyczny maleje
Strumień magnetyczny przepływający przez obwód maleje. Prąd indukcyjny będzie miał taki kierunek, że jego własny strumień magnetyczny wspiera zewnętrzny strumień magnetyczny, zapobiegając jego zmniejszaniu się. W tym celu należy skierować pole magnetyczne prądu indukcyjnego w tym samym kierunku, czyli zewnętrzne pole magnetyczne.
W tym przypadku prąd indukcyjny będzie płynął w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, patrząc z góry, od strony obu pól magnetycznych.
Oddziaływanie magnesu z obwodem
Tak więc zbliżenie lub usunięcie magnesu prowadzi do pojawienia się w obwodzie prądu indukcyjnego, którego kierunek określa reguła Lenza. Ale pole magnetyczne działa na prąd! Pojawi się siła Ampera działająca na obwód od strony pola magnetycznego. Gdzie ta siła zostanie skierowana?
Jeśli chcesz dobrze zrozumieć regułę Lenza i określić kierunek działania siły Ampère'a, spróbuj sam odpowiedzieć na to pytanie. To nie jest bardzo proste ćwiczenie i doskonałe zadanie dla C1 na egzaminie. Rozważ cztery możliwe przypadki.
1. Zbliżamy magnes do konturu, biegun północny jest skierowany do konturu.
2. Usuwamy magnes z konturu, biegun północny jest skierowany na kontur.
3. Zbliżamy magnes do konturu, biegun południowy jest skierowany do konturu.
4. Usuwamy magnes z obwodu, biegun południowy jest skierowany do obwodu.
Nie zapominaj, że pole magnesu nie jest jednorodne: linie pola odbiegają od bieguna północnego i zbiegają się w kierunku południowym. Jest to bardzo istotne dla określenia wypadkowej siły Ampere'a. Wynik jest następujący.
Jeśli zbliżysz magnes, kontur zostanie odepchnięty od magnesu. Jeśli usuniesz magnes, obwód zostanie przyciągnięty do magnesu. Tak więc, jeśli obwód jest zawieszony na nitce, zawsze będzie odchylał się w kierunku ruchu magnesu, jakby podążał za nim. Położenie biegunów magnesu nie ma znaczenia..
W każdym razie należy o tym pamiętać - nagle w części A1 pojawia się takie pytanie
Wynik ten można też wytłumaczyć całkiem ogólnymi rozważaniami - za pomocą zasady zachowania energii.
Powiedzmy, że zbliżamy magnes do konturu. W obwodzie pojawia się prąd indukcyjny. Ale aby stworzyć prąd, trzeba wykonać pracę! Kto to robi? Ostatecznie - my, przesuwając magnes. Wykonujemy dodatnią pracę mechaniczną, która zamieniana jest na dodatnią pracę sił zewnętrznych, które powstają w obwodzie i wytwarzają prąd indukcyjny.
Więc nasza praca polegająca na przesuwaniu magnesu powinna wyglądać pozytywny. Oznacza to, że zbliżając się do magnesu, musimy pokonać siła oddziaływania magnesu z obwodem, która zatem jest siłą odpychanie.
Teraz wyjmij magnes. Proszę powtórzyć te rozważania i upewnić się, że między magnesem a obwodem powinna powstać siła przyciągania.
Prawo Faradaya + Reguła Lenza = Usuwanie modułów
Powyżej obiecaliśmy usunąć moduł z prawa Faradaya (5). Pozwala na to reguła Lenza. Ale najpierw musimy uzgodnić znak indukcji EMF - w końcu bez modułu po prawej stronie (5) wartość EMF może być zarówno dodatnia, jak i ujemna.
Przede wszystkim ustalony jest jeden z dwóch możliwych kierunków obejścia konturu. Ten kierunek jest ogłoszony pozytywny. Przeciwny kierunek pokonywania konturu nazywa się odpowiednio negatywny. Który kierunek obierzemy jako pozytywne obejście nie ma znaczenia – ważne jest tylko dokonanie tego wyboru.
Strumień magnetyczny przepływający przez obwód jest uważany za dodatni class="tex" alt="(!LANG:(\Phi > 0)"> !}, jeśli pole magnetyczne przenikające obwód jest tam skierowane, patrząc od miejsca, w którym obwód jest omijany, w kierunku dodatnim przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Jeśli od końca wektora indukcji magnetycznej dodatni kierunek obejścia jest widziany zgodnie z ruchem wskazówek zegara, wówczas strumień magnetyczny jest uważany za ujemny.
EMF indukcji jest uważany za dodatni class="tex" alt="(!LANG:(\mathcal E_i > 0)"> !} jeśli prąd indukcyjny płynie w kierunku dodatnim. W tym przypadku kierunek sił zewnętrznych powstających w obwodzie, gdy zmienia się przez niego strumień magnetyczny, pokrywa się z dodatnim kierunkiem obejścia obwodu.
I odwrotnie, indukcyjny emf jest uważany za ujemnyjeśli prąd indukcyjny płynie w kierunku ujemnym. Siły zewnętrzne w tym przypadku będą działać również wzdłuż ujemnego kierunku omijania konturu.
Niech więc obwód znajdzie się w polu magnetycznym. Ustalamy kierunek dodatniego obejścia konturu. Załóżmy, że pole magnetyczne jest tam skierowane, patrząc od miejsca, w którym dodatnie obejście jest wykonane w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Wówczas strumień magnetyczny jest dodatni: class="tex" alt="(!LANG:\Phi > 0"> .!}
Ryż. 5. Zwiększa się strumień magnetyczny
Więc w tym przypadku mamy . Okazało się, że znak indukcji EMF jest przeciwny do znaku szybkości zmiany strumienia magnetycznego. Sprawdźmy to w innej sytuacji.
Mianowicie, załóżmy teraz, że strumień magnetyczny maleje. Zgodnie z prawem Lenza indukowany prąd będzie płynął w kierunku dodatnim. To znaczy, class="tex" alt="(!LANG:\mathcal E_i > 0"> !}(Rys. 6).
Ryż. 6. Zwiększa się strumień magnetyczny class="tex" alt="(!LANG:\Rightarrow \mathcal E_i > 0"> !}
Taka jest rzeczywistość ogólny fakt: przy naszej zgodzie co do znaków reguła Lenza zawsze prowadzi do tego, że znak indukcji SEM jest przeciwny do znaku szybkości zmiany strumienia magnetycznego:
(6)
W ten sposób znak modułu w prawie indukcji elektromagnetycznej Faradaya został wyeliminowany.
Pole elektryczne wirowe
Rozważmy nieruchomy obwód znajdujący się w zmiennym polu magnetycznym. Jaki jest mechanizm powstawania prądu indukcyjnego w obwodzie? Mianowicie, jakie siły powodują ruch swobodnych ładunków, jaka jest natura tych obcych sił?
Próbując odpowiedzieć na te pytania, wielki Fizyk angielski Maxwell odkrył fundamentalną właściwość natury: zmienne w czasie pole magnetyczne wytwarza pole elektryczne. To właśnie to pole elektryczne działa na ładunki swobodne, powodując prąd indukcyjny.
Linie powstającego pola elektrycznego okazują się być zamknięte, w związku z czym zostało to nazwane wirowe pole elektryczne. Linie wirowego pola elektrycznego krążą wokół linii pola magnetycznego i są skierowane w następujący sposób.
Niech pole magnetyczne wzrośnie. Jeśli jest w nim obwód przewodzący, to prąd indukcyjny będzie płynął zgodnie z regułą Lenza - zgodnie z ruchem wskazówek zegara, patrząc od końca wektora. Oznacza to, że skierowana jest tam również siła działająca od strony wirowego pola elektrycznego na dodatnie ładunki swobodne obwodu; oznacza to, że wektor natężenia pola elektrycznego wiru jest skierowany dokładnie tam.
Tak więc linie wirowego pola elektrycznego są w tym przypadku skierowane zgodnie z ruchem wskazówek zegara (patrzymy od końca wektora (ryc. 7).
Ryż. 7. Wirowe pole elektryczne ze wzrostem pola magnetycznego
Przeciwnie, jeśli pole magnetyczne maleje, to linie natężenia pola elektrycznego wiru są skierowane przeciwnie do ruchu wskazówek zegara (ryc. 8).
Ryż. 8. Pole elektryczne wirowe ze spadkiem pola magnetycznego
Teraz możemy lepiej zrozumieć zjawisko indukcji elektromagnetycznej. Jego istota polega właśnie na tym, że zmienne pole magnetyczne generuje wirowe pole elektryczne. Ten efekt nie zależy od tego, czy w polu magnetycznym występuje zamknięty obwód przewodzący, czy nie; za pomocą obwodu wykrywamy to zjawisko jedynie obserwując prąd indukcyjny.
Wirowe pole elektryczne różni się pewnymi właściwościami od znanych nam już pól elektrycznych: pola elektrostatycznego i stacjonarnego pola ładunków tworzących prąd stały.
1. Linie pola wirowego są zamknięte, natomiast linie pola elektrostatycznego i stacjonarnego zaczynają się na ładunkach dodatnich, a kończą na ładunkach ujemnych.
2. Pole wirowe jest bezpotencjałowe: jego praca polegająca na przemieszczeniu ładunku wzdłuż obwodu zamkniętego nie jest równa zeru. W przeciwnym razie pole wirowe nie mogłoby wytworzyć prądu elektrycznego! Jednocześnie, jak wiemy, pola elektrostatyczne i stacjonarne są potencjalne.
Więc, Siła elektromotoryczna indukcji w obwodzie stałym jest pracą wirowego pola elektrycznego w celu przesunięcia pojedynczego ładunku dodatniego w obwodzie.
Niech na przykład kontur będzie pierścieniem o promieniu i będzie penetrowany przez jednorodne zmienne pole magnetyczne. Wtedy siła wirowego pola elektrycznego jest taka sama we wszystkich punktach pierścienia. Praca siły, z jaką pole wirowe działa na ładunek, jest równa:
Dlatego dla indukcyjnego pola elektromagnetycznego otrzymujemy:
SEM indukcji w poruszającym się przewodniku
Jeśli przewodnik porusza się w stałym polu magnetycznym, pojawia się w nim również pole elektromagnetyczne indukcji. Jednak teraz przyczyną nie jest wirowe pole elektryczne (nie powstaje - w końcu pole magnetyczne jest stałe), ale działanie siły Lorentza na swobodne ładunki przewodnika.
Rozważ sytuację, która często pojawia się w problemach. Równoległe szyny znajdują się w płaszczyźnie poziomej, odległość między nimi jest równa . Szyny znajdują się w pionowym jednorodnym polu magnetycznym. Cienki pręt przewodzący porusza się po szynach z pewną prędkością zawsze pozostaje prostopadła do szyn ( rys. 9).
Ryż. 9. Ruch przewodnika w polu magnetycznym
Weźmy dodatni ładunek swobodny wewnątrz pręta. Ze względu na ruch tego ładunku wraz z prętem z prędkością, siła Lorentza będzie działać na ładunek:
Siła ta jest skierowana wzdłuż osi pręta, jak pokazano na rysunku (sprawdź sam - nie zapomnij o zasadzie wskazówki godzinowej lub lewej!).
Siła Lorentza pełni w tym przypadku rolę siły zewnętrznej: wprawia w ruch ładunki swobodne pręta. Podczas przemieszczania ładunku z punktu do punktu nasze siły zewnętrzne wykonają całą pracę:
(Uważamy również, że długość pręta jest równa.) Dlatego indukcja SEM w pręcie będzie równa:
(7)
Tak więc pręt jest podobny do źródła prądu z dodatnim i ujemnym zaciskiem. Wewnątrz pręta, w wyniku działania zewnętrznej siły Lorentza, ładunki rozdzielają się: ładunki dodatnie poruszają się w kierunku punktu , ładunki ujemne w kierunku punktu .
Załóżmy najpierw, że szyny nie przewodzą prądu, wtedy ruch ładunków w pręcie będzie się stopniowo zatrzymywał. W końcu, gdy ładunki dodatnie gromadzą się na końcu, a ładunki ujemne na końcu, siła Coulomba wzrośnie, z którą dodatni ładunek swobodny jest odpychany i przyciągany - iw pewnym momencie ta siła Coulomba zrównoważy siłę Lorentza. Powstaje różnica potencjałów między końcami pręta, równe SEM indukcja (7) .
Załóżmy teraz, że szyny i zworka przewodzą prąd. Wtedy w obwodzie pojawi się prąd indukcyjny; pójdzie w kierunku (od „źródła plus” do „minus” N). Załóżmy, że rezystancja pręta jest równa (jest to odpowiednik rezystancji wewnętrznej źródła prądu), a rezystancja przekroju jest równa (rezystancja obwodu zewnętrznego). Następnie siłę prądu indukcyjnego można znaleźć zgodnie z prawem Ohma dla kompletnego obwodu:
Godne uwagi jest to, że wyrażenie (7) dla indukcji SEM można również otrzymać za pomocą prawa Faradaya. Zróbmy to.
W tym czasie nasza wędka przemierza ścieżkę i zajmuje pozycję (ryc. 9). Obszar konturu zwiększa się o obszar prostokąta:
Strumień magnetyczny przepływający przez obwód wzrasta. Przyrost strumienia magnetycznego wynosi:
Szybkość zmiany strumienia magnetycznego jest dodatnia i równa SEM indukcji:
Otrzymaliśmy taki sam wynik jak w (7). Zauważmy, że kierunek prądu indukcyjnego jest zgodny z regułą Lenza. Rzeczywiście, ponieważ prąd płynie w kierunku , to jego pole magnetyczne jest skierowane przeciwnie do pola zewnętrznego, a zatem zapobiega wzrostowi strumienia magnetycznego przez obwód.
Na tym przykładzie widzimy, że w sytuacjach, gdy przewodnik porusza się w polu magnetycznym, można działać na dwa sposoby: albo z udziałem siły Lorentza jako siły zewnętrznej, albo z pomocą prawa Faradaya. Wyniki będą takie same.