Основной закон электромагнитной индукции
Лекция №6. Электромагнитная индукция
Цель: ознакомиться с явлением электромагнитной индукции, ее законами и проявлениями
Явление электромагнитной индукции
В 1831 английский физик Фарадей осуществил опыт получения электрического тока с помощью магнитного поля. В катушку, соединенную с чувствительным гальванометром, т. е. прибором, измеряющим малые токи, вставлялся магнит (см. рис.). Гальванометр показывал прохождение тока только при движении магнита внутри катушки. Если магнит неподвижен, ток не возникал.
Ток, возникающий в катушке при движении магнита, называется индукционным током. Когда магнит вставляют в катушку, этот ток идет в одном направлении, а когда магнит вынимают из катушки, направление тока меняется. Кроме того, направление тока зависит от того, каким полюсом вставляют магнит в катушку.
Индуктированный ток тем больше, чем сильнее магнит, чем больше число витков у катушки, чем быстрее движется магнит и чем меньше сопротивление цепи. Так как последнее может быть различным, то правильнее говорить, что движение магнита в катушке вызывает появление в ней индуктированной электродвижущей силы. А при наличии замкнутой цепи создается ток, который определяется по закону Ома значениями ЭДС и сопротивления цепи.
При движении магнита в катушке провод катушки пересекается магнитными силовыми линиями. Пока магнит находится вне катушки, магнитного поля в ней нет, а когда магнит вдвигается в катушку, магнитное поле в катушке усиливается. Выдвигание магнита, наоборот, вызывает ослабление магнитного поля в катушке. Изменение магнитного поля индуктирует в катушке ЭДС, причем возрастание и убывание магнитного поля создает ЭДС разных направлений.
|
|
|
Итак, явление электромагнитной индукции заключается в том, что изменение магнитного поля вокруг проводника или, что то же самое, пересечение проводника магнитными силовыми линиями вызывает появление электродвижущей силы в этом проводнике.
Для получения индуктированной ЭДС безразлично, будет ли магнит двигаться относительно проводника или, наоборот, проводник будет двигаться относительно неподвижного магнитного поля. Нужно только, чтобы магнитные силовые линии пересекали проводник.
Возникновение индуктированной ЭДС объясняется тем, что в проводнике, пересекающем магнитные силовые линии, имеются электроны, которые испытывают со стороны магнитного поля действие силы Лоренца. Под действием этой силы электроны смещаются в одну сторону и на концах проводника получается разность потенциалов, которая тем больше, чем сильнее магнитное поле и чем быстрее движется в нем проводник. Кроме того, ЭДС будет наибольшей, если проводник движется под прямым углом к магнитным силовым линиям. Если же проводник движется вдоль силовых линий, т. е. не пересекает их, то индуктированная ЭДС равна нулю.
|
|
|
В явлении электромагнитной индукции механическая энергия движения магнита превращается с помощью магнитного поля в электрическую энергию. Рассмотренный случай электромагнитной индукции с некоторыми видоизменениями используется для получения электрической энергии во вращающихся гeнepaтopax. Они имеют неподвижный магнит или электромагнит, создающий сильное магнитное поле, в котором находится подвижный электромагнит – якорь. При вращении якоря в eгo обмотке создается индуктированная ЭДС.
Другой случай электромагнитной индукции состоит в том, что возникновение индуктированногo тока происходит с помощью другого тока, т. е. электрическая энергия одного тока преобразуется в энергию другoгo тока. Это осуществляется в трансформаторе, состоящем из двух обмоток I и II (см. рис.).
Первичная обмотка питается током от источника и создает вокpyг себя магнитное поле. Для усиления этого поля в обмотку вводится ферромагнитный сердечник. На первичную обмотку или рядом с ней наматывается вторичная обмотка, соединенная с потребителем тока.
|
|
|
Индуктированная ЭДС во вторичной обмотке может быть получена при любом изменении тока в первичной катушке, например, при замыкании и размыкании первичной цепи. Замыкание цепи, создающее магнитное поле, равносильно вдвиганию магнита, а размыкание, уничтожающее магнитное поле, равносильно выдвиганию магнита из катушки. В этом случае возникает значительная ЭДС, так как замыкание и размыкание можно совершать значительно быстрее, чем движение магнита.
Правило Ленца
Направление индуктированной ЭДС определяется правилом, установленным в 1833 г. русским физиком Ленцем: индуктированная ЭДС всегда имеет такое направление, что создаваемый ею ток своим магнитным полем противодействует основному магнитному полю, вызвавшему явление индукции.
Поясним это правило на явлении электромагнитной индукции в трансформаторе. Замыкание первичной цепи создает магнитное поле. Индуктированная ЭДС вызовет в замкнутой вторичной цепи такой ток, у котopoгo магнитное поле направлено навстречу первичному полю. При размыкании цепи, когда магнитное поле первичного тока исчезает, индуктированный ток пойдет в обратную сторону. Он создаст магнитное поле, совпадающее по направлению с первичным магнитным полем и стремящееся задержать исчезновение этого поля. Таким образом, при возрастании магнитнoгo поля индуктированная ЭДС имеет одно направление, а при убывании поля ее направление меняется на обратное.
|
|
|
Правило Ленца имеет глубокий физический смысл. Индуктированный ток возникает за счет затраты энергии, например механической. Но расход энергии представляет собой работу, а работа не может совершаться без преодоления сопротивления. Такое сопротивление или противодействие именно и создает своим магнитным полем индуктированный ток.
Основной закон электромагнитной индукции
Для одного витка проволоки индуктированная ЭДС зависит только от скорости изменения магнитного потока внутри витка, т. е. от числа пересечений провода магнитными силовыми линиями в одну секунду. Увеличение числа этих пересечений вызывает соответствующее возрастание ЭДС. Если магнитный поток изменяется в обмотке, имеющей несколько витков, то в каждом витке возникает ЭДС.
Все витки соединены последовательно, и поэтому общая ЭДС равна сумме ЭДС отдельных витков, т. е. тем больше, чем больше число витков. Например, если обмотка имеет 50 витков, а скорость изменения магнитного потока такова, что в одном витке индуктируется ЭДС, равная 0,1 В, то полная ЭДС составит 5 В.
Итак, чем быстрее изменяется магнитный поток в обмотке и чем больше в ней витков, тем больше индуктированная ЭДС.
Индуктированная ЭДС, возникающая в одном витке провода, определяется по формуле
,
где E – ЭДС, В; DF – изменение магнитного потока, Вб; Dt – время, с.
Для катушки, имеющей число витков N, значение E соответственно увеличивается в N раз:
.
Иногда индуктированная ЭДС получается при движении прямолинейного проводника в однородном магнитном поле. Тогда наибольшее значение ЭДС Emax получается при расположении проводника перпендикулярно силовым линиям и eгo движении под прямым углом к силовым линиям. Эта ЭДС (в вольтах) равна
,
где В – магнитная индукция, Тл; v – скорость движения, м/с; l – длина той части провода , которая находится в магнитном поле, м.
Если провод расположен вдоль силовых линий или движется вдоль них, то ЭДС индукции не возникает. Когда провод расположен под острым yглом относительно силовых линий или движется не перпендикулярно к ним, ЭДС получается меньше, чем Emax.
Дата добавления: 2022-06-11; просмотров: 23; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!