Индукционное поле это: Индукционное магнитное поле — Индукционное действие магнитного поля — Росиндуктор

Содержание

Индукционное магнитное поле — Индукционное действие магнитного поля — Росиндуктор

ИНДУКЦИОННОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ. Электрические и магнитные поля существуют как взаимосвязанные составляющие единого целого электромагнитного поля. Поэтому индукционное действие магнитного поля создает электрическую напряженность и, соответственно электрический ток, так и при изменении тока, проходящего через контур, возникает его собственное индукционное (самонаведенное) магнитное поле. Это явление можно сравнить с инерцией тел: роль массы играет индуктивность, скорости — сила тока, а энергия магнитного поля подобна кинетической энергии.

Индукционный ток в своем магнитном поле

Индукционный ток в своем магнитном поле — крайне нежелательное явление. Возникновение самоиндуцированной электродвижущей силы создает индукционные вихревые токи (токи Фуко), которые замыкаются в контуры и образуют свои собственные поля.

Индукционное действие магнитного поля

Воздействие вихревых полей ослабляет магнитный поток катушки и вызывает нагрев сердечника, что является бесполезной тратой энергии. Для уменьшения мощности вихревых токов увеличивают электрическое сопротивление магнитопровода методом набора сердечника из отдельных тонких (около 0,5 мм) пластин, которые изолируют друг от друга (например, лаком).

Индукционные методы измерения магнитных полей

Для исследования магнитных полей помимо простых расчетов применяют различные приборы, принцип работы которых основан на преобразовании магнитных величин (напряженность, магнитный поток, индукция) в электрические, доступные для человеческого восприятия. Очень распространен индукционный метод, который основан на эффекте возникновения ЭДС в витках электромагнитной катушки при изменении магнитного потока. Приборы для измерения магнитного потока, чувствительным элементом которых является индукционный преобразователь, называют веберметрами (флюксметрами).

 

Электромагнитная индукция — урок. Физика, 9 класс.

Индукционный ток

Великому английскому физику Майклу Фарадею потребовалось почти \(10\) лет, чтобы ответить в \(1831\) году на вопрос: как превратить магнетизм в электричество?

Эксперименты привели исследователя к однозначному ответу на данный вопрос.

Электрический ток в замкнутом контуре, возникающий при изменении магнитного поля, называется индукционным.

Индукционный ток, так же как и ток от гальванического элемента или аккумулятора, представляет собой упорядоченное движение электронов. 

Причины электромагнитной индукции

Явление возникновения индукционного тока в контуре называют электромагнитной индукцией.

Многочисленные опыты М. Фарадея привели к выводу, что индукционный ток в контуре, замкнутом на гальванометр, возникает при изменении:

  • магнитного поля;

  

Рис. \(1\). Возникновение индукционного тока при изменении магнитного поля

  • площади контура;

  

Рис. \(2\). Возникновение индукционного тока при изменении площади контура

  • ориентации контура в магнитном поле. 

  

Рис. \(3\). Возникновение индукционного тока при ориентации контура в магнитном поле

  

Во всех случаях изменяется число линий магнитной индукции, то есть меняется магнитный поток.

На рисунке \(4\) представлен пример отсутствия появления индукционного тока при вращении магнита вокруг вертикальной оси.

 

  

Рис. \(4\). Отсутствие появления индукционного тока при вращении магнита вокруг вертикальной оси

Развитие электротехники в России

В России электротехника развивалась интенсивно с поддержки Николая I. Развитие электротехники в Европе отозвалось открытиями и изобретениями в России.

 

В \(1833\) году русский учёный Эмилий Христианович Ленц доказал, что электрическая машина может работать как электродвигатель и как генератор электричества. Такое свойство назвали обратимостью электрических машин.

 

В \(1834\) году Борис Семёнович Якоби построил действующий «магнитный аппарат» вращательного движения — классический электродвигатель; послал описание в Парижскую академию наук.

 

В \(1888\) году Михаил Осипович Доливо-Добровольский изобрёл трёхфазный генератор переменного тока, в \(1889\) году — электродвигатель переменного тока, в \(1890\) году — трансформатор трёхфазного тока. На Всемирной электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне (\(1891\)) представил изобретённую систему передачи трёхфазного тока на расстояние \(170\) км (рис. \(5\)).

 

 

Рис. \(5\). Система передачи трёхфазного тока на расстояние

Применение электромагнитной индукции

Принцип работы индукционной плиты основан на явлении электромагнитной индукции. Индукционные токи при изменении магнитного поля возникают не только в проволочных контурах, но и в массивных образцах металла. Эти токи называют вихревыми токами, или токами Фуко. В массивных проводниках вследствие малости электрического сопротивления токи могут быть очень большими и вызывать значительное нагревание. Принцип работы индукционной плиты показан на рисунке. Под стеклокерамической поверхностью плиты находится катушка индуктивности, по которой протекает переменный электрический ток, создающий переменное магнитное поле. Частота тока составляет \(20\)–\(60\) кГц. В дне посуды наводятся токи индукции, которые нагревают его, а заодно и помещённые в посуду продукты. Нет никакой теплопередачи снизу вверх, от конфорки через стекло к посуде, а значит, нет и тепловых потерь. С точки зрения эффективности использования потребляемой электроэнергии индукционная плита выгодно отличается от всех других типов кухонных плит.

 

Рис. \(6\). Индукционная плита

 

1 — посуда из ферромагнитного материала;

2 — стеклокерамическая поверхность;

3 — слой изоляции;

4 — катушка индуктивности.

Источники:

Рис. 1. Возникновение индукционного тока при изменении магнитного поля.

Рис. 2. Возникновение индукционного тока при изменении площади контура.

Рис. 3. Возникновение индукционного тока при ориентации контура в магнитном поле.

Рис. 4. Отсутствие появления индукционного тока при вращении магнита вокруг вертикальной оси.

Рис. 5. Система передачи трёхфазного тока на расстояние.

Рис. 6. Индукционная плита. https://www.shutterstock.com/ru/image-vector/induction-vector-illustration-labeled-household-cooking-1252362460. 2021-09-12.

Вихревое электрическое поле

Вихревое электрическое поле — это электрическое поле, которое порождается переменным магнитным полем и линии напряженности которго замкнуты.

Переменное магнитное поле порождает инду­цированное электрическое поле. Если магнитное поле постоянно, то индуциро­ванного электрического поля не возникнет. Следовательно, индуцированное электрическое поле не связано с зарядами, как это имеет место в случае элект­ростатического поля; его силовые линии не начинаются и не заканчиваются на зарядах, а замкнуты сами на себя

, подобно силовым линиям магнитного поля.  Это означает, что индуцированное электрическое поле, подобно магнитному, является вихревым.

   Если неподвижный проводник поместить в переменное магнитное поле, то в нем индуцируется э. д. с. Электроны приводятся в направленное движение электрическим полем, индуцированным переменным магнитном полем; возни­кает индуцированный электрический ток. В этом случае проводник является лишь индикатором индуцированного электрического поля. Поле приводит в движение свободные электроны в проводнике и тем самым обнаруживает себя. Теперь можно утверждать, что и без проводника это поле существует, обладая запасом энергии.

   Сущность явления электромагнитной индукции заключается не столько в появлении индуцированного тока, сколько в возникновении вихревого электрического поля.

   Это фундаментальное положение электродинамики установлено Максвел­лом как обобщение закона электромагнитной индукции Фарадея.

   В отличие от электростатического поля индуцированное электрическое поле является непотенциальным, так как работа, совершаемая в индуцированном электрическом поле, при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна э.

д. с. индукции, а не нулю.

   Направление вектора напряженности вихревого электрического поля уста­навливается в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея и правилом Ленца. Направление силовых линий вихревого эл. поля совпадает с направлением индукционного тока.

   Так как вихревое электрическое поле существует и в отсутствие проводника, то его можно применять для ускорения заряженных частиц до скоростей, со­измеримых со скоростью света. Именно на использовании этого принципа основано действие ускорителей электронов — бетатронов.

   Индукционное электрическое поле имеет совершенно другие свойства в отличии от электростатического поля.

Отличие вихревого электрического поля от электростатического

1) Оно не связано с электрическими зарядами; 
2) Силовые линии этого поля всегда замкнуты; 
3) Работа сил вихревого поля по перемещению зарядов на замкнутой траектории не равна нулю.

электростатическое поле

индукционное электрическое поле
( вихревое электр. поле )

1. создается неподвижными электр. зарядами 1. вызывается изменениями магнитного поля
2. силовые линии поля разомкнуты — потенциальное поле 2. силовые линии замкнуты — вихревое поле
3. источниками поля являются электр. заряды 3. источники поля указать нельзя
4. работа сил поля по перемещению пробного заряда по замкнутому пути = 0. 4. работа сил поля по перемещению пробного заряда по замкнутому пути = ЭДС индукции

электромагнитная индукция — это… Что такое электромагнитная индукция?

возникновение электродвижущей силы (эдс индукции) в замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции через площадь, ограниченную этим контуром; электрический ток, вызванный этой эдс, называется индукционным током.

ЭЛЕКТРОМАГНИ́ТНАЯ ИНДУ́КЦИЯ, возникновение электродвижущей силы (ЭДС индукции) в проводящем контуре, находящемся в переменном магнитном поле или движущемся в постоянном магнитном поле. Электрический ток (см. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК), вызванный этой ЭДС, называется индукционным током.
Явление электромагнитной индукции было экспериментально обнаружено М. Фарадеем (см. ФАРАДЕЙ Майкл) в 1831 г. Он обнаружил, что в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля возникает электрический ток. Появление электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного поля, пронизывающего контур, свидетельствует о действии в контуре сторонних сил неэлектростатической природы, то есть о возникновении ЭДС индукции, величина которой зависит от величины магнитного потока (
см.
МАГНИТНЫЙ ПОТОК) Ф. Согласно закону Фарадея, ЭДС индукции ? i в контуре прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока (потока вектора магнитной индукции) Ф через поверхность S, ограниченную этим контуром:
?i = -k.dФ/dt, где:
Ф — изменение магнитного потока через контур за время dt; коэффициент пропорциональности k в системе СИ равен k = 1, а в системе СГС (Гаусса) k = 1/c, c — скорость света в вакууме.
Знак минус определяет направление индукционного тока: индукционный ток имеет такое направление, что создаваемый им поток магнитной индукции через площадь, ограниченную контуром, стремится препятствовать тому изменению потока Ф, которое вызывает появление индукционного тока: при увеличении потока поле индукционного тока направлено навстречу потоку, при уменьшении потока направление потока и поля индукционного тока совпадают. Знак минус в законе Фарадея — математическое выражение правила Ленца (см. ЛЕНЦА ПРАВИЛО) — общего правила для нахождения направления индукционных токов.
То есть ЭДС электромагнитной индукции в контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения электромагнитного потока сквозь поверхность, ограниченную этим контуром. Этот закон является универсальным, ЭДС электромагнитной индукции не зависит от способа изменения магнитного потока, и возникновение ЭДС индукции может быть обусловлено сторонними силами разной физической природы.
В неподвижном контуре возникновение ЭДС индукции согласно закону Фарадея, возможно, если контур находится в переменном магнитном поле. Однако сила Лоренца (см. ЛОРЕНЦА СИЛА) на неподвижные заряды не действует. Для объяснения индукции в неподвижных проводниках Максвелл предположил, что всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле, которое и является причиной возникновения индукционного тока в проводнике.
Изменение магнитного потока может быть вызвано, например, движением магнита, создающего поле. Этот принцип реализуется в промышленных генераторах, где вращающийся электромагнит возбуждает ток в обмотках неподвижного статора.
Изменением магнитного поля при изменении тока в электромагните может также вызвать изменение магнитного потока. Такой случай реализуется в трансформаторах, где изменение тока в первичной обмотке вызывает изменение магнитного потока и, следовательно, вихревого электрического поля.
При движении проводника в неизменном магнитном поле вихревое электрическое поле отсутствует, но сторонние силы возникают за счет силы Лоренца, с которой магнитное поле действует на движущиеся вместе с проводником электрические заряды.
При равномерном вращении рамки в однородном магнитном поле в ней возникает переменная ЭДС, изменяющаяся по гармоническому закону. На этом принципе основано действие электрических генераторов небольшой мощности, когда индукционный ток возникает в обмотке ротора, вращающегося в неподвижном магнитном поле. Такие генераторы применяют для преобразования механической энергии в энергию электрического тока.
ЭДС индукции совпадает с работой сторонней силы по перемещению единичного заряда по замкнутому контуру. Частным случаем электромагнитной индукции является самоиндукция (см. САМОИНДУКЦИЯ).

Электромагнитная индукция. Правило Ленца

Явление электромагнитной индукции заключается в том, что в результате изменения во времени магнитного потока, который пронизывает замкнутый проводящий контур, в контуре возникает электрический ток. Открыто это явление было физиком из Великобритании Максом Фарадеем в 1831 году.

Формула магнитного потока

Введем обозначения, необходимые нам для записи формулы. Для обозначения магнитного потока используем букву Ф, площади контура – S, модуля вектора магнитной индукции – B, α – это угол между вектором B→ и нормалью n→ к плоскости контура.

Магнитный поток, который проходит через площадь замкнутого проводящего контура, можно задать следующей формулой:

Φ=B·S·cos α,

Проиллюстрируем формулу.

Рисунок 1.20.1. Магнитный поток через замкнутый контур. Направление нормали n→ и выбранное положительное направление l→ обхода контура связаны правилом правого буравчика.

За единицу магнитного потока в СИ принят 1 вебер (Вб). Магнитный поток, равный 1 Вб, может быть создан в плоском контуре площадью 1 м2 под воздействием магнитного поля с индукцией 1 Тл, которое пронизывает контур по направлению нормали.

1 Вб=1 Тл·м2

Закон Фарадея

Изменение магнитного потока приводит к тому, что в проводящем контуре возникает ЭДС индукции δинд. Она равна скорости, с которой происходит изменение магнитного потока через ограниченную контуром поверхность, взятой со знаком минус. Впервые экспериментально установил это Макс Фарадей. Он же записал свое наблюдение в виде формулы ЭДС индукции, которая теперь носит название Закона Фарадея:

Определение 1

Закон Фарадея:

δинд=-∆Φ∆t

Правило Ленца

Определение 2

Согласно результатам опытов, индукционный ток, который возникает в замкнутом контуре в результате изменения магнитного потока, всегда направлен определенным образом. Создаваемое индукционным током магнитное поле препятствует изменению вызвавшего этот индукционный ток магнитного потока. Ленц сформулировал это правило в 1833 году.

Проиллюстрируем правило Ленца рисунком, на котором изображен неподвижный замкнутый проводящий контур, помещенный в однородное магнитное поле. Модуль индукции увеличивается во времени. 

Пример 1

Рисунок 1.20.2. Правило Ленца

Здесь ∆Φ∆t>0, а δинд<0 < 0. Индукционный ток Iинд протекает навстречу выбранному положительному направлению l→ обхода контура.

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

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

Нужна помощь преподавателя?

Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание

Причины возникновения индукционного тока в движущихся и неподвижных проводниках

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

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

Перейдем к рассмотрению этих случаев подробнее.

Перемещение контура или его частей в неизменном магнитном поле

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

Пример 2

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

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

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

FЛ=eυ→B.

Работа силы FЛ на пути l равна:

A=FЛ·l=eυBl.

По определению ЭДС: 

δинд=Ae=υBl.

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

Следовательно, 

δинд=∆Φ∆t.

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

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

∆Q=RIинд2∆t=υ2B2l2R∆t

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

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

Aмех=-Fυ∆t=-IBlυ∆t=-υ2B2l2R∆t

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

Изменение магнитного поля при неподвижном контуре

Определение 3

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

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

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

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

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

Рисунок 1.20.4. Модель электромагнитной индукции

Рисунок 1.20.5. Модель опытов Фарадея

Рисунок 1.20.6. Модель генератора переменного тока

Презентация «Явление электромагнитной индукции» — физика, презентации

библиотека
материалов

Содержание слайдов

Номер слайда 1

Явление электромагнитной индукции

Номер слайда 2

Ханс Кристиан Эрстед 14.08.1777 -09.03.1851

Номер слайда 3

Опыт Эрстедамагнитная стрелка и проводник.

Номер слайда 4

А. Ампер

Номер слайда 5

Опыт А. Ампера 1820 г.:

Номер слайда 6

Магнитное поле – это особая форма материи, посредством которого осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами

Номер слайда 7

Характеристики магнитного поля. B=𝑭𝑰∙𝒍 Ф=В∙𝑺∙𝐜𝐨𝐬𝜶 

Номер слайда 8

Можно ли изменить магнитный поток через площадь,ограниченную замкнутым контуром?style.colorfillcolorfill.typestyle.colorfillcolorfill.type

Номер слайда 9

Проводник показанный на рис. притягивается к магниту. Почему? на проводник действует сила Ампера

Номер слайда 10

Опыт Эрстеда, 1820 год. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙТОКпорождает. МАГНИТНОЕ ПОЛЕОпыты Фарадея, 1831годstyle.colorfillcolorfill.typestyle.colorfillcolorfill.typestyle.colorfillcolorfill.typestyle.colorfillcolorfill.type

Номер слайда 11

Открытие явления электромагнитной индукции29 августа 1831 года, Майкл Фарадей:«Превратить магнетизм в электричество»

Номер слайда 12

Опыты Фарадея

Номер слайда 13

Опыты Фарадея

Номер слайда 14

Опыты Фарадея: Ввод и вывод магнита. Движение катушки относительно другой катушки3. Изменение силы тока в цепи с помощью реостата4. Замыкание и размыкание электрической цепи другой катушки, неподвижной относительно первой.

Номер слайда 15

Электромагнитная индукция — это явление возникновения индукционного тока в катушке при любом изменении магнитного поля, пронизывающего площадь его витков.

Номер слайда 16

Причина возникновения Ii Изменение магнитного потока → возникновение вихревого электрического поля → возникновение ЭДСi → перемещение зарядов (индукционный ток)

Номер слайда 17

Характеристики Ii Направление индукционного тока зависит от ориентации полюсов магнитанаправление индукционного тока зависит от изменения магнитного потока. Величина тока зависит от скорости изменения числа линий магнитной индукции, пронизывающий контур. И не зависит от способа этого изменения.

Номер слайда 18

Ленц Эмилий Христианович. В 1883 г. сформулировал правило для определения направления индукционного тока

Номер слайда 19

Правило Ленца: индукционный ток имеет такое направление, что созданный им магнитный поток всегда стремится скомпенсировать то изменение магнитного потока, которое вызвало данный ток. Правило Ленца является следствием закона сохранения энергии.

Номер слайда 20

SNSNОтталкиваются

Номер слайда 21

SNПритягиваются SN

Номер слайда 22

NSNSОтталкиваются

Номер слайда 23

NSSNПритягиваются

Номер слайда 24

Номер слайда 25

Определить направление индукционного тока в замкнутом контуре.

Номер слайда 26

ПЛАН РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ на правило ЛЕНЦА 1. Определить направление вектора В внешнего магнитного поля 2. Определить, как изменяется магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром3. Определить направление вектора. Вi поля индукционного тока: а) если магнитный поток уменьшается, то векторы сонаправлены б) если магнитный поток увеличивается, то векторы противоположно направлены.4. Пользуясь правилом буравчика,определить направление индукционного токав контуре. VI

Номер слайда 27

РЕШИМ ЗАДАЧУVОпределим направление вектора В внешнего поля(входит в южный полюс)Магнит удаляется от кольца. Значит вектор магнитного поля индукционного тока сонаправлен с вектором ВПо правилу буравчика определим направление индукционного тока( т.е. магнитный поток уменьшается)BBi. I

Номер слайда 28

Видеомагнитофон. Жесткий диск компьютера. Детектор полицейского. Детектор металла в аэропортах. Поезд на магнитной подушке. Применение электромагнитной индукции

Номер слайда 29

ЗАКРЕПЛЕНИЕ Можно ли изменить магнитный поток через площадь, ограниченную замкнутым контуром?В чём заключается явление ЭМИ?Причина возникновения Ii. Описать серии опытов Фарадея по исследованию явления ЭМИ. Характеристики Ii.

Номер слайда 30

Экспресс — опрос«Электромагнитная индукция»

Номер слайда 31

1. Один раз полосовой магнит падает сквозь неподвижное металлическое кольцо южным полюсом вниз, а второй раз – северным полюсом вниз. Ток в кольцеа) возникает в обоих случаяхб) не возникает ни в одном из случаевв) возникает только в первом случаег) возникает только во втором случаеstyle.text. Decoration. Underline

Номер слайда 32

2. Какой процесс объясняется явлением электромагнитной индукции?а) отклонение магнитной стрелки вблизи проводника с токомб) взаимодействие двух проводников с токомв) появление тока в замкнутой катушке при опускании в нее постоянного магнитаг) возникновение силы, действующей на проводник с током в магнитном полеstyle.text. Decoration. Underline

Номер слайда 33

3. Виток провода, подключенный к гальванометру, находится в магнитном поле. Магнитная индукция поля меняется с течением времени согласно графику. В какой промежуток времени гальванометр покажет наличие тока в витке?а) от 0 до 1 сб) от 1с до 3 св) от 3с до 4 сг) от 0 до 4 сstyle.text. Decoration. Underline

Номер слайда 34

4. От чего зависит направление индукционного тока в катушке?а) от скорости движения магнитаб) от количества витков в катушкев) от полюса магнитаг) от силы магнитаstyle.text. Decoration. Underline

Номер слайда 35

5 Определить направление индукционного тока

Номер слайда 36

Итоги урока. Обнаружили наличие электрического тока в катушке при взаимодействии ее с магнитом. Установили, от каких параметров зависит величина этого тока. Установили, от чего зависит направление этого тока. Сформулировали закон электромагнитной индукции. Превратили магнетизм в электричество

Номер слайда 37

Ленц Эмилий Христианович. В 1883 г. сформулировал правило для определения направления индукционного тока

Номер слайда 38

Правило Ленца: индукционный ток имеет такое направление, что созданный им магнитный поток всегда стремится скомпенсировать то изменение магнитного потока, которое вызвало данный ток. Правило Ленца является следствием закона сохранения энергии.

Номер слайда 39

SNSNОтталкиваются

Номер слайда 40

SNПритягиваются SN

Номер слайда 41

NSNSОтталкиваются

Номер слайда 42

NSSNПритягиваются

Номер слайда 43

Номер слайда 44

Определить направление индукционного тока в замкнутом контуре.

Номер слайда 45

Закономерности явления ЭМИОпытные факты. IiN витков в катушке. Ii  N вносимых (выносимых) магнитов. Ii  скорости внесения (вынесения) магнитов. Анализ формулы. N витков в контуре меняет его S N вносимых (выносимых) магнитов меняет численное значение BСкорость внесения (вынесения) магнитов в контур влияет на быстроту изменения ФСила индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока

Номер слайда 46

Причина возникновения Ii Изменение магнитного потока → возникновение вихревого электрического поля → возникновение ЭДСi → перемещение зарядов (индукционный ток)

Номер слайда 47

ЭДС индукции ( Ɛi )-это… Работа сил вихревого электрического поля при перемещении единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура[Ɛi] = вольт (В), вольтметр

Номер слайда 48

Закон электромагнитной индукции. Максвелл, 1855 г. ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром: ε = — ∆ Ф/ ∆t

Номер слайда 49

Закон электромагнитной индукции – сила индукционного тока зависит от скорости:…изменения магнитного потока …изменения силы тока Ei = Bvℓsinβ …движения проводника

Номер слайда 50

{5940675 A-B579-460 E-94 D1-54222 C63 F5 DA}Вносить и выносить магнит в контур. Деформировать весь контур. Менять число витков в контуре. Деформировать один виток контура. Поворачивать магнит или контур относительно оси контура. Способы получения индукционного тока (магнитное поле создано постоянным магнитом)

Номер слайда 51

Пример №1 Круговой проволочный виток площадью 2·10-3 м2 находится в однородном магнитном поле, индукция которого изменяется на 0,1 Тл за 0,4 с. Плоскость витка перпендикулярна линиям индукции. Чему равна ЭДС, возникающая в витке?

Номер слайда 52

ПЛАН РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ на правило ЛЕНЦА 1. Определить направление вектора В внешнего магнитного поля 2. Определить, как изменяется магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром3. Определить направление вектора. Вi поля индукционного тока: а) если магнитный поток уменьшается, то векторы сонаправлены б) если магнитный поток увеличивается, то векторы противоположно направлены.4. Пользуясь правилом буравчика,определить направление индукционного токав контуре. VI

Номер слайда 53

РЕШИМ ЗАДАЧУVОпределим направление вектора В внешнего поля(входит в южный полюс)Магнит удаляется от кольца. Значит вектор магнитного поля индукционного тока сонаправлен с вектором ВПо правилу буравчика определим направление индукционного тока( т.е. магнитный поток уменьшается)BBi. I

Номер слайда 54

+_RBAПользуясь правилом Ленца, определите направление индукционного тока в кольце Вв следующих случаях:1. При замыкании ключа в цепи кольца Апротив часовой стрелки2. При размыкании ключа в цепи кольца А ( выполнить дома)3. При замкнутом ключе скользящий контакт реостата передвигают вправопо часовой стрелке4. При замкнутом ключе скользящий контакт реостата передвигают влево (выполнить дома)BBi. Ii. Дома: п.10, задачи по рисунку. KB

Номер слайда 55

Тест«Электромагнитная индукция»

Номер слайда 56

1. Один раз полосовой магнит падает сквозь неподвижное металлическое кольцо южным полюсом вниз, а второй раз – северным полюсом вниз. Ток в кольцеа) возникает в обоих случаяхб) не возникает ни в одном из случаевв) возникает только в первом случаег) возникает только во втором случаеstyle.text. Decoration. Underline

Номер слайда 57

2. Какой процесс объясняется явлением электромагнитной индукции?а) отклонение магнитной стрелки вблизи проводника с токомб) взаимодействие двух проводников с токомв) появление тока в замкнутой катушке при опускании в нее постоянного магнитаг) возникновение силы, действующей на проводник с током в магнитном полеstyle.text. Decoration. Underline

Номер слайда 58

3. Виток провода, подключенный к гальванометру, находится в магнитном поле. Магнитная индукция поля меняется с течением времени согласно графику. В какой промежуток времени гальванометр покажет наличие тока в витке?а) от 0 до 1 сб) от 1с до 3 св) от 3с до 4 сг) от 0 до 4 сstyle.text. Decoration. Underline

Номер слайда 59

4. Как математически записывает закон электромагнитной индукции?а) 𝜀=−Ф𝑡б) 𝜀=Ф𝑡в) 𝜀=∆Ф∆𝑡 г) 𝜀=−∆Ф∆𝑡 style.text. Decoration. Underline

Номер слайда 60

5. От чего зависит направление индукционного тока в катушке?а) от скорости движения магнитаб) от количества витков в катушкев) от полюса магнитаг) от силы магнитаstyle.text. Decoration. Underline

Номер слайда 61

6. Применим правило Ленца для следующих случаев:1234 Ответ 1 и 2 Ответ 3 и 4

Номер слайда 62

Ответ 1 и 2назад

Номер слайда 63

Ответ 3 и 4назад

Номер слайда 64

Видеомагнитофон. Жесткий диск компьютера. Детектор полицейского. Детектор металла в аэропортах. Поезд на магнитной подушке. Применение электромагнитной индукции

Номер слайда 65

Частные случаи ЭМИД/З §§9, 11, с/р №9 (с/у №1, д/у №1)

Номер слайда 66

1) ЭДС индукции в движущихся проводниках

Номер слайда 67

ЭДС индукции в движущихся проводниках. Механизм явления: пересечение движущимся проводником магнитных линий  возникновение силы Лоренцаперемещение зарядов возникновение ЭДС

Номер слайда 68

q=1,6*10 -19 Кл me=9,1*10 -31 кгm p=1,67*10 -27 кг Сила Лоренца

Номер слайда 69

ЭДС индукции в движущихся проводниках

Номер слайда 70

Направление индукционного тока в движущемся проводнике Если правую руку расположить так, чтобы линии магнитной индукции (В) входили в ладонь, а отогнутый большой палец показывал направление движения проводника, то четыре вытянутых пальца укажут направление индукционного тока в проводнике. ПРАВИЛО правой руки

Номер слайда 71

2) Явление самоиндукции. Самоиндукция — явление возникновения ЭДС индукции в электрической цепи в результате изменения силы тока.

Номер слайда 72

Самоиндукция Явление открыто в 1832 г. американским физиком Д. Генри(1797 – 1878)

Номер слайда 73

Установка для изучения явления самоиндукции

Номер слайда 74

Опыт

Номер слайда 75

Механизм самоиндукции

Номер слайда 76

Механизм самоиндукции. Изменяется сила тока в проводнике изменяется магнитный поток  происходит возникновение вихревого электрического поля → который порождает ЭДСi → в результате происходит перемещение зарядов (индукционный ток)

Номер слайда 77

магнитный поток самоиндукции контура. Ф~В~IФ=𝐿∙𝐼где L – индуктивность контура или коэффициент самоиндукции(L зависит от размеров и формы проводника, от магнитный свойств среды) 

Номер слайда 78

ЭДС самоиндукции. Ф=𝐿∙𝐼 

Номер слайда 79

И Н Д У К Т И В Н О С Т ЬИндуктивность – это физическая величина, характеризующая способность проводника в с током создавать магнитное поле. Единица измерения:

Номер слайда 80

Физический смысл Индуктивности: Индуктивность проводника равна 1 Гн, если в нем при равномерном изменении силы тока на 1 А за 1 с возникает ЭДС самоиндукции 1 В:

Номер слайда 81

Характеристики индуктивности Все проводники в переменном электромагнитном поле обладают индуктивностью. Чем больше L проводника, тем медленнее происходит изменение силы тока в проводнике Индуктивность проводника зависит от его формы и конструкции:у соленоида индуктивность зависит от числа витков, чем больше n, тем больше L.

Номер слайда 82

Энергия магнитного поля

Номер слайда 83

Применение явления самоиндукции. Работа ламп дневного света. Электрические колебания в колебательном контуре

Номер слайда 84

Решение задач. Найти ЭДС индукции в проводнике с длиной активной части 25 см, перемещающемся в однородном магнитном поле индукцией 8м. Тл со скоростью 5 м/с под углом 30° к вектору магнитной индукции.

Номер слайда 85

Решение задач2. С какой скоростью надо перемещать проводник, длина активной части которого 1 м, под углом 60° к линиям индукции магнитного поля, чтобы в проводнике возбуждалась ЭДС индукции 1 В? Индукция магнитного поля равна 0,2 Тл.

Номер слайда 86

Задача №3 Какова индуктивность проволочной рамки, если при силе тока 3 А в рамке возникает магнитный поток, равный 6 Вб?

Номер слайда 87

Задача №4 На два одинаковых сердечника намотаны катушки: в первой катушке 100 витков; во второй – 200. Сравните индуктивность L1 и L2.

Номер слайда 88

Применение электромагнитной индукции

Номер слайда 89

Электрогенераторы

Номер слайда 90

Трансформаторы

Номер слайда 91

Металлоискатели

Номер слайда 92

Другие применения

Номер слайда 93

Видеомагнитофон. Жесткий диск компьютера. Детектор полицейского. Детектор металла в аэропортах. Поезд на магнитной подушке. Маглев Электромагнитная индукция в современном мире

Номер слайда 94

Номер слайда 95

Номер слайда 96

Номер слайда 97

Видеомагнитофон. Жесткий диск компьютера. Детектор полицейского. Детектор металла в аэропортах. Поезд на магнитной подушке. Маглев Электромагнитная индукция в современном мире

Номер слайда 98

Номер слайда 99

Номер слайда 100

Номер слайда 101

Вариант 11. Прямолинейный проводник движется со скоростью 25 м/c в поле с индукцией 0, 0038 Тл перпендикулярно силовым линиям. Чему равна длина проводника, если на его концах имеется напряжение 0, 028 В?2. Виток площадью 100 см2 находится в магнитном поле с индукцией 1 Тл. Плоскость витка перпендикулярна линиям поля. Определите среднее значение ЭДС индукции при выключении поля за 0, 01с. Вариант 21. Прямолинейный проводник длиной 120 см движется в однородном магнитном поле под углом 90° к силовым линиям со скоростью 15 м/с. Определите индукцию поля, если в проводнике создается ЭДС индукции 0, 12 В.2. Найдите индуктивность проводника, в котором равномерное изменение силы тока на 2 А в течение 0,25 с возбуждает ЭДС самоиндукции 20 м. В. Вариант 31. Самолет летит горизонтально со скоростью 900 км/ч. Найдите разность потенциалов, возникающую между концами крыльев самолета, если вертикальная составляющая земного магнитного поля равна 50 мк. Тл и размах крыльев 12 м.2. Сколько витков должна иметь катушка, чтобы при изменении магнитного потока внутри нее от 0, 024 Вб до 0, 056 Вб за промежуток времени 0,32с в катушке возникала средняя ЭДС индукции 10 В?

Номер слайда 102

I вариант. II вариант. III вариант10,029 м6,67 м. Тл0,15 В21 В2,5 м. Гн100

Номер слайда 103

Спасибо за работу и внимание!

Номер слайда 104

Модуль вектора магнитной индукции

Номер слайда 105

Номер слайда 106

q=1,6*10 -19 Кл me=9,1*10 -31 кгm p=1,67*10 -27 кг Сила Лоренца

Изучение явления электромагнитной индукции

Автор Alexey На чтение 4 мин. Просмотров 601 Опубликовано Обновлено

Изучение возникновения электрического тока всегда волновало ученых. После того, как в начале XIX века датский ученый Эрстед выяснил, что вокруг электрического тока возникает магнитное поле, ученые задались вопросом: может ли магнитное поле порождать электрический ток и наоборот.Первым ученым, кому это удалось, был ученый Майкл Фарадей.

Опыты Фарадея

После многочисленных проведенных опытов Фарадей смог достичь кое-каких результатов.

1.Возникновение электрического тока

Для проведения опыта он взял катушку с большим количеством витков и присоединил ее к миллиамперметру (прибору, измеряющему силу тока). По направлению вверх и вниз ученый передвигал магнит по катушке.

Во время проведения эксперимента, в катушке действительно появлялся электрический ток по причине изменения магнитного поля вокруг нее.

По наблюдениям Фарадея стрелка миллиамперметра отклонялась и указывала на то, что движение магнита порождает собой электрический ток. При остановке магнита стрелка показывала нулевую разметку, т.е. ток не циркулировал по цепи.

рис. 1 Изменение силы тока в катушке за счет передвижения реjcтата

Данное явление, при котором  ток возникает под действием переменного магнитного поля в проводнике, назвали явлением электромагнитной индукции.

2.Изменение направления индукционного тока

В своих последующих исследованиях Майкл Фарадей пытался выяснить, что влияет на направление возникающего индукционного электрического тока. Проводя опыты, он заметил, что изменяя числа мотков на катушке или полярность магнитов, направление электрического тока, которое возникает в замкнутой сети меняется.

3.Явление электромагнитной индукции

Для проведения опыта ученый взял две катушки, которые расположил близко друг к другу. Первая катушка, имеющая большое количество витков проволоки, была подсоединена к источнику тока и ключу, замыкающему и размыкающему цепь. Вторую такую же катушку он присоединил к миллиамперметру уже без подключения к источнику тока.

Проводя эксперимент, Фарадей заметил, что при замыкании электрической цепи возникает индуцированный ток, что видно по движению стрелки миллиамперметра. При размыкании цепи миллиамперметр также показывал, что в цепи есть электрический ток, но показания были прямо противоположными. Когда же цепь была замкнута и равномерно циркулировала ток, тока в электрической цепи согласно данным миллиамперметра не было.

https://youtu.be/iVYEeX5mTJ8

Вывод из экспериментов

В результате открытия Фарадея была доказана следующая гипотеза: электрический ток появляется только при изменении магнитного поля. Также было доказано, что изменение числа витков в катушке изменяет значение силы тока (увеличение мотков увеличивает силу тока). Причем индуцированный электрический ток может появиться в замкнутой цепи только при наличии переменного магнитного поля.

От чего зависит индукционный электрический ток?

Основываясь на всем вышесказанном, можно отметить, что даже если есть магнитное поле, это не приведет к возникновению электрического тока, если данное поле не будет при этом переменным.

Так от чего же зависит величина индукционного поля?

  1. Число витков на катушке;
  2. Скорость изменения магнитного поля;
  3. Скорость движения магнита.

Магнитный поток является величиной, которая характеризует магнитное поле. Изменяясь, магнитный поток приводит к изменению индуцированного электрического тока.

рис.2 Изменение силы тока при перемещении а) катушки , в котором находится соленоид; б) постоянного магнита , внесением его в катушку

Закон Фарадея

Основываясь на проведенных опытах, Майкл Фарадей сформулировал закон электромагнитной индукции. Закон заключается в том, что, магнитное поле при своем изменении приводит к возникновению электрического тока, Ток же указывает на наличие электродвижущей силы электромагнитной индукции (ЭДС).

Скорость магнитного тока изменяясь влечет за собой изменение скорости тока и ЭДС.

Закон Фарадея: ЭДС электромагнитной индукции равна численно и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока, который проходит через поверхность, ограниченную контуром

Индуктивность контура. Самоиндукция.

Магнитное поле создается в том случае, когда ток протекает в замкнутом контуре. Сила тока при этом влияет на магнитный поток и индуцирует ЭДС.

Самоиндукция – явление, при котором ЭДС индукции возникает при изменении силы тока в контуре.

Самоиндукция изменяется в зависимости от особенностей формы контура, его размеров и среды, его содержащей.

При увеличении электрического тока, ток самоиндукции контура может замедлить его. При его уменьшении, ток самоиндукции, напротив, не дает ему так быстро убывать. Таким образом, контур начинает обладать своей электрической инертностью, замедляющей любое изменение тока.

Применение индуцированного ЭДС

Явление электромагнитной индукции имеет применение на практике в генераторах, трансформаторах и двигателях, работающих на электричестве.

При этом ток для этих целей получают следующими способами:

  1. Изменение тока в катушке;
  2. Движение магнитного поля через постоянные магниты и электромагниты;
  3. Вращение витков или катушек в постоянном магнитном поле.

Открытие электромагнитной индукции Майкла Фарадея внесло большой вклад в науку и в нашу обыденную жизнь. Это открытие послужило толчком для дальнейших открытий в области изучения электромагнитных полей и имеет широкое применение в современной жизни людей.

Магнитное индукционное поле — обзор

4.14 Парамагнитные и ферромагнитные материалы

В парамагнитном материале атомы содержат постоянные магнитные дипольные моменты, возникающие из спина и орбитального углового момента электронов. К кристаллу прикладывается внешнее магнитное поле с индукцией B, где магнитная восприимчивость χm — это константа пропорциональности между вектором намагниченности M (объемной плотностью магнитных диполей) и напряженностью магнитного поля H, так что

(4.182) M = χmH

Эта линейная зависимость от χm применима только к линейным магнитным материалам. В вакууме χm = 0, а в немагнитных материалах он обычно очень мал, в диапазоне от 10-4 до 10-5; например, χm = −0,94 × 10−5 для меди.

Магнитное поле индукции B представляет собой сумму вектора намагниченности M материала и напряженности внешнего магнитного поля H, где сумма умножается на константу проницаемости вакуума μ0, где

(4,183) B = μ0 ( H + M)

Индукционное магнитное поле B возникает из-за микроскопических (атомных) и макроскопических (проволочные) токов; тогда как напряженность магнитного поля H возникает только из-за макроскопических токов.Индукционное магнитное поле B будет стремиться выровнять дипольные моменты, потому что энергия меньше для параллельного выравнивания диполей. Индуцированное магнитное поле выровненных магнитных диполей M добавляет к приложенному извне магнитному полю H. Таким образом, магнитное поле составляет

(4,184) B = μ0 (1 + χm) H

Относительная проницаемость материала μr определяется как

(4,185) μr = 1 + χm

Материалы с относительной проницаемостью μr <1 являются диамагнитными. Материалы с μr> 1, но с μrÀ1 парамагнитны.Материалы с μrÀ1 являются ферромагнитными, а ферромагнитные материалы нелинейны, поэтому χm и μr меняются в зависимости от напряженности приложенного магнитного поля H.

Магнитная проницаемость μ определяется как

(4,186) μ = μ0μr

В линейных магнитных материалах, константа пропорциональности между индукционным магнитным полем B и напряженностью приложенного магнитного поля H — это магнитная проницаемость μ, где

(4,187) B = μH

В нелинейных магнитных материалах, таких как кобальт, никель и мягкое железо, проницаемость μ изменяется в зависимости от напряженности приложенного магнитного поля H, где μ может быть большим и иметь репрезентативные значения в диапазоне от 250 для кобальта, 600 для никеля и 5000 для мягкого железа.

Тепловое движение атомов, которое имеет тенденцию хаотизировать ориентацию диполей, должно преодолеваться приложенным магнитным полем или более низкими температурами. Восприимчивость при низких температурах и магнитных полях подчиняется закону Кюри, где для постоянной C характеристика материала равна

(4,188) χ = CT

Ферромагнетизм — это намагниченность, которая возникает в небольших областях материала без применения внешнего магнитного поля. поле. В ферромагнетиках естественная намагниченность, возникающая из-за неспаренных электронных спинов, достигает максимума при T = 0K и спадает до нуля при температуре Кюри TC.При температурах выше TC ферромагнитный материал становится парамагнитным, и его магнитная восприимчивость подчиняется модифицированному соотношению Кюри, в котором

(4.189) χ = CT − TC

Для температур ниже TC закон ферромагнетика Кюри больше не применим, потому что тогда материал становится ферромагнитным с постоянной намагниченностью. Ферромагнитный материал не намагничен в одном и том же направлении по всему объему, а скорее имеет множество меньших областей или доменов. Каждый домен полностью намагничен в одном направлении, но ориентация доменов случайна, так что направление намагничивания меняется от одного домена к другому.Случайная ориентация доменов происходит потому, что случайные домены создают более низкое энергетическое состояние, чем полностью выровненные домены. Приложенное магнитное поле в некоторой степени выравнивает эти домены, так что их магнитные поля более выровнены, тем самым увеличивая магнитное поле материала в целом. Увеличение приложенного магнитного поля сверх магнитного поля насыщения не приводит к дальнейшему увеличению намагниченности материала, поскольку домены достигают максимально возможного взаимного выравнивания. Когда внешнее магнитное поле удаляется, домены и их границы не возвращаются полностью к своей исходной ориентации, и, таким образом, домены проявляют гистерезис.Единственными ферромагнитными элементами являются железо, кобальт, никель, гадолиний и диспрозий.

Напомним, что идентичные атомные электроны должны быть неразличимы (следовательно, полная волновая функция должна быть симметричной), но составляющие пространственные и спиновые волновые функции могут быть симметричными или асимметричными, если произведение волновых функций спиновой и пространственной составляющих равно асимметричный. В трехмерных кристаллических полосах, где имеет место ферромагнитное действие, и в других неферромагнитных парамагнитных элементах кулоновское отталкивание между парой электронов имеет тенденцию перемещать электроны дальше друг от друга в антисимметричное пространственное состояние с минимальной энергией.Эта асимметрия полной волновой функции требует симметричного состояния спина, в котором спины неспаренных электронов ориентированы в одном направлении. Таким образом, кулоновская сила, которая раздвигает электроны для минимизации энергии, затем приводит к их параллельному выравниванию спинов в парамагнитных и ферромагнитных материалах.

Обменная сила или взаимодействие между пространственной и спиновой составляющими волновой функции для двух или более электронов отвечает за эту связь электронных спинов с параллельным выравниванием в парамагнитных и ферромагнитных материалах.В случае ферромагнетиков 3-D полоса заполнена не полностью, близкое расположение атомов железа делает неразличимыми электроны соседних атомов, а обменное взаимодействие теперь распространяется на электроны соседних атомов. Для поддержания полной асимметричной волновой функции для набора электронов, принадлежащих близко расположенным соседним атомам, которые имеют перекрывающиеся d-оболочки неспаренных электронов, есть две возможности. В ферромагнитном случае (например, для атомов железа) пространственная волновая функция может быть асимметричной, а функция спина — симметричной.В этом случае кулоновская энергия сводится к минимуму за счет разделения электронов, но разделение позволяет неспаренным электронам иметь параллельные спины. Другая возможность состоит в том, что пространственная волновая функция будет симметричной, а электроны локализованы вместе, и, следовательно, их спиновая волновая функция должна быть антисимметричной, что требует, чтобы спины электронов были антипараллельны. Возможность антиферромагнетизма не минимизирует кулоновскую энергию в железе и не возникает.Однако такие материалы, как MnO 2 , являются антиферромагнитными.

Электромагнитная индукция | HowStuffWorks

В магнетизме есть что-то почти волшебное. В детстве мы были очарованы способностью магнита воздействовать на такие металлы, как железо, никель и кобальт, не касаясь их. Мы узнаем о притяжении и отталкивании между магнитными полюсами и становимся свидетелями формы магнитного поля, сформированного в железных опилках, окружающих стержневой магнит. Физики говорят нам, что электромагнетизм, сила, управляющая электричеством и магнетизмом, во много раз сильнее гравитации.Подвешивание поезда на магнитной подвеске над его путями — яркий пример этой силы.

Как следует из названия «электромагнетизм», электричество и магнетизм очень тесно связаны. Эта взаимосвязь позволяет им влиять друг на друга бесконтактно, как в примере с поездом на магнитной подвеске, или посредством электромагнитной индукции. Электромагнитная индукция возникает, когда цепь с протекающим через нее переменным током генерирует ток в другой цепи, просто будучи размещенной поблизости.Переменный ток — это электричество, протекающее по линиям электропередач и домашней электропроводке, в отличие от постоянного тока, который мы получаем от батарей.

Как одна цепь вызывает ток в другой, не касаясь ее, и какое отношение все это имеет к магнетизму? Прежде чем мы перейдем к этому, нам нужно рассмотреть несколько принципов, связывающих магнетизм и электричество:

  1. Каждый электрический ток имеет окружающее магнитное поле.
  2. У переменного тока есть переменные магнитные поля.
  3. Колеблющиеся магнитные поля заставляют токи течь в проводниках, помещенных в них, что также известно как закон Фарадея.

Сложение этих трех свойств вместе означает, что изменяющийся электрический ток окружен соответствующим изменяющимся магнитным полем, которое, в свою очередь, генерирует изменяющийся электрический ток в проводнике, помещенном внутри него, который имеет собственное магнитное поле… и так далее. Это электромагнитный эквивалент матрешки-матрешки. Таким образом, в случае электромагнитной индукции размещение проводника в магнитном поле, окружающем первый ток, генерирует второй ток.

Индукция — это принцип, который делает возможными электродвигатели, генераторы и трансформаторы, а также предметы, расположенные ближе к дому, такие как перезаряжаемые электрические зубные щетки и устройства беспроводной связи. Если у вас есть рисоварка, скорее всего, вы уже готовите на индукции. Теперь давайте посмотрим, как наведенный ток используется для нагрева индукционных варочных панелей.

Магнетизм — Закон индукции Фарадея

Магнетизм — Закон индукции Фарадея — Физика 299

« Перестань говорить Богу, что делать с его кубиками. «

Нильс Бор
  • До сих пор мы рассматривали электричество и магнетизм как почти отдельные предметы. Теперь мы приступим к обсуждению явлений, которые показать, что электричество и магнетизм неразрывно связаны, отсюда и термин электромагнетизм . Первое из этих свойств известен как закон Фарадея Индукция .
Формально, время независимое электрические и магнитные свойства можно описать, рассматривая электричество и магнетизм как в значительной степени отдельные явления. Однако, когда зависимость от времени становится частью «уравнения» мы обнаруживаем, что электрические и магнитные свойства становятся неразрывно связаны — электромагнетизм.
  • Этот закон удобно записать в терминах магнитного потока, который определяется так же, как электрический поток.

где S — поверхность, по которой идет поток. оценен.

Для постоянного B, перпендикулярно поверхности, Φ B = BA, где A — площадь поверхности S.

Магнитный поток Φ B составляет важно, что у него есть собственная единица Вебера — 1 Вебер = 1 т.м 2 . В первые дни электромагнетизм было принято измерять магнитное ( B ) поле в Вебере / м 2 .

  • В терминах закона индукции Фарадея магнитного потока предоставлено,

Индуцированная электродвижущая сила ( ЭДС ) в цепи равна скорости изменения магнитного поток через цепь.

ЭДС не сила, скорее его можно рассматривать как напряжение , индуцированное в замкнутом контуре.

Фарадей экспериментально определил свой закон в изложенной выше форме.



  • Один из самых простых способов изменить магнитный поток через цепь — перемещать постоянный (стержневой) магнит к цепи или от нее, как показано на диаграммы ниже.

(а) Магнитный поток проходит по цепи, но не меняется со временем, поэтому нет наведенной ЭДС и, следовательно, нет индуцированной Текущий.

(б) Поток через контур увеличивается с увеличением время, вызывающее наведенную ЭДС и ток.

(c) По мере того, как магнит движется быстрее, скорость изменение потока со временем увеличивается, вызывая большее ЭДС и ток.

(d) Когда магнит удаляется от цепи поток уменьшается со временем, поэтому наведенная ЭДС и ток поменяны местами.


  • Происхождение изменяющегося магнитного потока (поля) не ограничивается постоянными магнитами. В магнитное поле из-за второй цепи может производить аналогичный эффект, как описано в примерах ниже.
На диаграмме справа ток в левой цепи постоянный, но поток через другую цепь увеличивается как две цепи становятся ближе.

В положении слева оба контура стационарные. Течение в левая цепь изначально равна нулю, но быстро увеличивается до постоянного значения, когда переключатель находится в закрыто.Когда ток достигает своего финала (постоянное) значение потока через правую цепь увеличивается со временем, таким образом, по формуле Фарадея Закон, вызывающий кратковременный импульс индуцированного ток во второй цепи. Когда выключатель разомкнут поток в правой цепи быстро уменьшается, вызывая короткий индуцированный ток импульс в обратном направлении.


Мне сказали, что у меня кровь группы А, но это был Тип О.


Доктор К. Л. Дэвис
Физический факультет
Университет Луисвилля
электронная почта : [email protected]

Молекулярные выражения: электричество и магнетизм

Индуктивность

Индуктивность — это свойство электрической цепи, с помощью которого изменяющееся магнитное поле создает электродвижущую силу или напряжение в этой цепи или в соседней цепи.Индуктивность также определяется как свойство электрической цепи, противодействующей любому изменению тока. В 1831 году английский ученый Майкл Фарадей обнаружил, что изменяющееся магнитное поле в цепи индуцирует ток в соседней цепи. Примерно в то же время это открытие независимо сделал американский ученый Джозеф Генри. Генерация электродвижущей силы и тока изменяющимся магнитным полем называется электромагнитной индукцией. Электрогенераторы работают по принципу индуктивности.

Линии магнитного поля

Чтобы лучше понять индуктивность, полезно иметь представление о силовых линиях магнитного поля. Все магниты окружены магнитным полем, также называемым магнитным потоком. Магнитное поле можно представить как состоящее из силовых линий или силовых линий. Силы магнитного притяжения и отталкивания движутся по силовым линиям. Образец линий магнитного поля можно наблюдать в нашем интерактивном учебном пособии по Java Magnetic Field Lines.

Интерактивное учебное пособие по Java
Открытия Фарадея

Фарадей сделал свое открытие электромагнитной индукции в эксперименте с использованием двух катушек проволоки, намотанных вокруг противоположных сторон кольца из мягкого железа, аналогично экспериментальной установке на Рисунке 1 ниже.

Первая катушка справа прикреплена к батарее.Вторая катушка содержит компас, который действует как гальванометр для определения протекания тока. Когда переключатель замкнут, через первую катушку проходит ток, и железное кольцо намагничивается. Когда переключатель в первый раз замыкается, компас во второй катушке на мгновение отклоняется и немедленно возвращается в исходное положение. Отклонение компаса указывает на то, что возникла электродвижущая сила, заставившая на мгновение протекать ток во второй катушке. Фарадей также заметил, что при размыкании переключателя компас снова на мгновение отклоняется, но в противоположном направлении.

Фарадей знал, что катушка с проводом, по которой протекает электрический ток, создает магнитное поле. Поэтому он предположил, что изменяющееся магнитное поле индуцирует ток во второй катушке. Замыкание и размыкание переключателя вызывают изменение магнитного поля: расширение и сжатие соответственно. Вы можете провести эксперимент Фарадея в нашем интерактивном учебном пособии по Java Faraday’s Experiment.

Интерактивное учебное пособие по Java

Фарадей продемонстрировал, что его гипотеза верна, перемещая простой стержневой магнит назад и вперед внутри катушки.Он заметил, что ток индуцировался в катушке только во время движения магнита. Он также заметил, что в катушке индуцировался ток, когда катушка перемещалась рядом с неподвижным постоянным магнитом. Он обнаружил, что именно относительное движение между проводником и магнитным полем производит ток. Чтобы генерировать ток, либо проводник может перемещаться через поле, либо поле может проходить мимо проводника. Для возникновения электромагнитной индукции необходимо изменение магнитного потока.Проведите этот эксперимент в нашем 2-м экспериментальном интерактивном учебном пособии по Java Faraday.

Интерактивное учебное пособие по Java
Закон электромагнитной индукции Фарадея

Связь между изменением магнитного потока и индуцированной электродвижущей силой известна как закон электромагнитной индукции Фарадея:

Величина электромагнитной силы, индуцированной в цепи, пропорциональна скорости изменения магнитного потока, проходящего через цепь.

Математически закон Фарадея записывается как:

E = — (DF / Dt)

, где E — индуцированная электродвижущая сила в вольтах, DF — изменение магнитной силы в веберах, а Dt — количество времени в секундах, в течение которого происходит изменение магнитной силы.

Из приведенной выше формулы мы видим, что величина индуцированного напряжения определяется двумя факторами:

  1. Величина магнитного потока
    Чем больше количество силовых линий магнитного поля, пересекающих проводник, тем больше индуцированное напряжение.
  2. Скорость, с которой силовые линии магнитного поля пересекают проводник
    Чем быстрее силовые линии пересекают проводник или проводник пересекает силовые линии, тем больше индуцированное напряжение. Вы можете наблюдать это, изменяя скорость, с которой вы перемещаете магнит, в нашем 2-м экспериментальном интерактивном учебном пособии по Java Фарадея.
Закон Ленца

Знак минус в законе Фарадея указывает направление или полярность индуцированного напряжения.В 1833 году русский физик Генрих Ленц открыл взаимосвязи между силами, напряжениями и токами электромагнитной индукции. Закон Ленца гласит:

Индуцированная электродвижущая сила генерирует ток, который индуцирует противодействующее магнитное поле, которое противодействует магнитному полю, генерирующему ток.

Например, когда внешнее магнитное поле приближается к кольцевому проводнику, ток, который создается в кольце, будет индуцировать собственное магнитное поле, противоположное приближающемуся внешнему магнитному полю.С другой стороны, когда внешнее магнитное поле удаляется от кольца, индуцированное магнитное поле в кольце меняет направление на противоположное и противодействует изменению направления внешнего магнитного поля. Вы можете увидеть в действии закон Ленца в нашем интерактивном учебном пособии по Java «Закон Ленца».

Интерактивное учебное пособие по Java
Самоиндуктивность

Мы знаем, что ток, протекающий по проводнику, создает магнитное поле вокруг проводника.Когда ток увеличивается, уменьшается или меняет направление, магнитное поле изменяется. Магнитное поле расширяется, сжимается или меняет направление в ответ на изменения тока. Изменяющееся магнитное поле индуцирует дополнительную электродвижущую силу или напряжение в проводнике. Возникновение этого дополнительного напряжения называется самоиндукцией, потому что оно индуцируется внутри самого проводника. Направление самоиндуцированной электродвижущей силы или напряжения противоположно направлению тока, который его генерировал.Это соответствует закону Ленца, который можно выразить следующим образом:

Индуцированная электродвижущая сила (напряжение) в любой цепи всегда направлена ​​против тока, создавшего ее.

Эффект самоиндукции в цепи заключается в противодействии любому изменению тока, протекающего в цепи. Например, когда напряжение подается на цепь, ток начинает течь во всех частях цепи. Этот ток индуцирует вокруг себя магнитное поле.По мере расширения поля в цепи создается противодействующее напряжение, иногда называемое обратным напряжением. Это обратное напряжение вызывает протекание тока в направлении, противоположном направлению основного тока. Индуктивность на этом этапе препятствует нарастанию тока. Когда индуцированное магнитное поле становится устойчивым, оно перестает индуцировать обратное напряжение.

Когда ток в цепи отключается, индуцированное магнитное поле начинает разрушаться. Когда поле схлопывается, оно генерирует напряжение в том направлении, которое на мгновение продлевает основной ток.Когда индуцированное магнитное поле полностью схлопывается, индуцированное напряжение и ток прекращаются. Опять же, самоиндукция препятствует изменению тока. Он препятствует нарастанию тока и задерживает его пробой. Вы можете увидеть влияние самоиндукции на ток в нашем интерактивном руководстве по Java Self-Inductance.

Интерактивное учебное пособие по Java
Взаимная индуктивность

В эксперименте Фарадея с двумя катушками на кольце из проводящего железа он обнаружил, что изменяющееся магнитное поле в одной катушке индуцирует электродвижущую силу или напряжение во второй катушке.Это явление называется взаимной индуктивностью. Взаимная индуктивность возникает, когда изменяющееся магнитное поле в одной цепи индуцирует напряжение в соседней цепи.

В соответствии с законом Ленца направление индуцированной электродвижущей силы или напряжения противоположно направлению тока, который его генерировал. Снова глядя на эксперимент Фарадея ниже, мы обнаруживаем, что когда напряжение подается на катушку справа, в железном кольце индуцируется магнитное поле. По мере расширения поля во второй катушке слева генерируется напряжение.Это вторичное напряжение вызывает ток во второй катушке. Этот вторичный ток проходит в направлении, противоположном току в первой катушке. Когда индуцированное магнитное поле в кольце становится устойчивым, ток перестает течь во второй катушке.

Когда ток в первой катушке отключается, индуцированное магнитное поле в кольце начинает разрушаться. Когда поле схлопывается, во второй катушке снова возникает напряжение.Результирующий ток во второй катушке имеет направление, противоположное ранее наведенному току. Когда магнитное поле в кольце полностью схлопывается, индуцированное напряжение и ток во вторичной катушке прекращаются. Вы можете провести этот эксперимент в нашем интерактивном руководстве по Java Faraday’s Experiment.

Интерактивное учебное пособие по Java
Катушки индуктивности

Дроссели — это электрические устройства, предназначенные для обеспечения индуктивности в цепи.Индуктор — это просто катушка с проволокой. Самоиндукция возникает в цепи, даже когда проводники абсолютно прямые. Однако самоиндукция в прямом проводе очень мала. Индуктивность намного более значительна, когда проводники скручены в спираль, потому что магнитное поле каждого витка катушки пересекает соседние витки катушки. Для увеличения индуктивности индуктор может иметь железный сердечник. Помещение железа внутрь катушки значительно увеличивает силу ее магнитных полей.

Факторы, влияющие на индуктивность катушки

На индуктивность катушки влияют три фактора:

  1. Количество витков в катушке
    Чем больше количество витков в катушке, тем больше индуктивность.Это верно, потому что чем больше витков в катушке, тем больше количество взаимодействий магнитного поля.
  2. Площадь сечения катушки
    Чем больше площадь поперечного сечения катушки, тем больше индуктивность. Этот фактор тесно связан с количеством витков в катушке. Он включает в себя учет расстояния между витками. Поскольку магнитное поле становится слабее по мере его движения, витки, которые расположены близко друг к другу, обеспечивают взаимодействие там, где поля наиболее сильны.
  3. Проницаемость керна
    Проницаемость относится к способности материала проводить магнитные силовые линии. Железо имеет гораздо большую проницаемость, чем воздух. Следовательно, катушка с железным сердечником имеет большую индуктивность, чем катушка с сердечником, содержащим только воздух.
Расчет наведенного напряжения в катушке

Закон Фарадея можно использовать для определения полной наведенной электродвижущей силы или напряжения в катушке.Предполагая, что витки катушки плотно намотаны, общее наведенное напряжение катушки можно рассчитать по следующей формуле:

E = — N (DF / Dt)

, где E — индуцированная электродвижущая сила в вольтах, N — количество витков в катушке, DF — изменение магнитной силы в веберах, а Dt — количество времени в секундах, в течение которого происходит изменение магнитной силы.

Измерение индуктивности

Символ индуктивности — заглавная буква L в честь Генриха Ленца. Единицей измерения индуктивности является генри, названный в честь Джозефа Генри, сокращенно ч . Один ген индуктивности существует, когда один вольт электродвижущей силы индуцируется при изменении тока со скоростью один ампер в секунду. Математически это записывается как:

L = E / (DI / Dt)

, где L — индуктивность в генри, E — наведенная электродвижущая сила в вольтах, DI — изменение тока в амперах, а Dt — количество времени в секундах, в течение которого происходит изменение тока. .

Катушки индуктивности в последовательной цепи

Последовательная цепь — это цепь, в которой ток имеет только один путь. В последовательной цепи весь ток проходит через каждый из компонентов в цепи. Схема на рисунке 2 имеет три последовательно включенных индуктора.

Если катушки индуктивности экранированы или расположены достаточно далеко друг от друга, чтобы предотвратить взаимную индуктивность, общая индуктивность цепи является накопительной. Полная индуктивность такой цепи — это сумма всех индукторов в цепи.Поэтому для расчета общей индуктивности последовательной цепи используйте следующую формулу:

L T = L 1 + L 2 + L 3 . . .

, где L T — общая индуктивность в цепи, а от L 1 до L 3 . . . — это номинальные значения индуктивности отдельных катушек индуктивности в цепи.

Используя эту формулу, общую индуктивность последовательной цепи на Рисунке 2 можно рассчитать следующим образом:

L T = 50 + 40 + 20

L T = 110 м h

Катушки индуктивности в параллельных цепях

Параллельная цепь — это цепь, в которой компоненты расположены так, что путь для тока разделен.Схема на Рисунке 3 имеет три параллельно включенных индуктора.

Параллельное подключение катушек индуктивности всегда снижает общую индуктивность цепи. Если индукторы экранированы или расположены достаточно далеко друг от друга, чтобы предотвратить взаимную индуктивность, общую индуктивность цепи можно рассчитать по следующей формуле:

L T = 1 ÷ (1 / L 1 + 1 / L 2 + 1 / L 3 …)

, где L T — полная индуктивность в цепи, а от L 1 до L 3 .. . — это номинальные значения индуктивности отдельных катушек индуктивности в цепи.

Используя эту формулу, общую индуктивность указанной выше параллельной цепи можно рассчитать следующим образом:

L T = 1 ÷ (1/5 + 1/15 + 1/30)

L T = 1 ÷ (0,2 + 0,066 + 0,033)

L T = 1 ÷ 0,299

L T = 3.344 мч

Индуктивное реактивное сопротивление

Эффект самоиндукции в катушке заключается в противодействии любому изменению тока, протекающего в катушке. Например, когда на катушку подается напряжение, в катушке начинает течь ток. Этот ток индуцирует вокруг себя магнитное поле. По мере расширения поля в катушке генерируется противодействующее напряжение, иногда называемое обратным напряжением. Это обратное напряжение противодействует основному току. Это противодействие протеканию тока называется индуктивным реактивным сопротивлением и измеряется в омах.

Величина индуктивного сопротивления в цепи зависит от частоты и величины переменного тока, а также величины индуктивности. Индуктивное сопротивление цепи можно рассчитать по следующей формуле:

X L = 2pfL

, где X L — индуктивное реактивное сопротивление в омах, 2p — вычисляемая постоянная, которая обычно округляется до 6,28, f — частота приложенного переменного тока в герцах, а L — это постоянная. индуктивность цепи в генри.

Трансформаторы

Трансформаторы работают по принципу взаимной индуктивности. Трансформаторы используются для увеличения или уменьшения напряжений и токов переменного тока в цепях. Трансформатор обычно состоит из двух катушек провода, электрически изолированных друг от друга, намотанных на одном сердечнике. Одна катушка называется первичной катушкой; другой называется вторичной обмоткой. Первичная катушка — это входная катушка трансформатора, а вторичная катушка — это выходная катушка.Когда переменное напряжение подается на первичную катушку, оно вызывает изменяющееся магнитное поле в сердечнике. Взаимная индукция вызывает индуцирование напряжения во вторичной катушке.

Количество обмоток первичной и вторичной обмоток трансформатора определяет, как изменяется напряжение в цепи. Когда количество витков первичной катушки больше, чем количество вторичной катушки, индуцированное напряжение во вторичной катушке меньше, чем приложенное напряжение первичной катушки.Когда количество обмоток первичной обмотки меньше, чем количество обмоток вторичной обмотки, индуцированное напряжение во вторичной обмотке больше, чем приложенное напряжение первой обмотки. Если выходное напряжение трансформатора больше входного напряжения, он называется повышающим трансформатором. Если выходное напряжение трансформатора меньше входного напряжения, он называется понижающим трансформатором. Откройте для себя эффекты изменения входного напряжения и количества обмоток трансформатора в нашем интерактивном руководстве по Java для трансформаторов .

Интерактивное учебное пособие по Java

Повышающий трансформатор увеличивает напряжение. Однако увеличение напряжения сопровождается уменьшением тока. Обратное верно для понижающего трансформатора. Понижающий трансформатор снижает напряжение, но увеличивает ток. Это свойство трансформаторов делает их очень полезными и выгодными для передачи электроэнергии на большие расстояния.Повышающие трансформаторы используются на электростанциях для выработки очень высоких напряжений. Уменьшается выходной ток, что значительно снижает потери мощности из-за сопротивления в линиях передачи. Когда мощность достигает потребителей, используются понижающие трансформаторы для снижения напряжения и увеличения тока до уровня, необходимого для потребительских приложений.

Применение индуктивности

Свойства индукторов делают их очень полезными в различных приложениях.Например, индукторы противодействуют любым изменениям тока. Следовательно, индукторы можно использовать для защиты цепей от скачков тока. Катушки индуктивности также используются для стабилизации постоянного тока и для контроля или устранения переменного тока. Катушки индуктивности, используемые для устранения переменного тока выше определенной частоты, называются дросселями.

Генераторы

Одно из наиболее распространенных применений электромагнитной индуктивности — генерация электрического тока. Чтобы узнать, как работает генератор, посетите наш учебник по генераторам и двигателям .

Радиоприемники Катушки индуктивности

могут использоваться в цепях с конденсаторами для генерации и изоляции высокочастотных токов. Например, катушки индуктивности используются с конденсаторами в схемах настройки радиоприемников. На рисунке 4 переменный конденсатор подключен к схеме антенна-трансформатор. Передаваемые радиоволны вызывают прохождение индуцированного тока в антенне через первичную катушку индуктивности на землю.

Во вторичной катушке индуктивности индуцируется вторичный ток в противоположном направлении.Этот ток течет к конденсатору. Скачок тока в конденсаторе вызывает противодействующую электродвижущую силу. Эту противодействующую электродвижущую силу называют емкостным реактивным сопротивлением. Индуцированный поток тока через катушку также вызывает противодействующую электродвижущую силу. Это называется индуктивным реактивным сопротивлением. Таким образом, мы имеем в цепи как емкостное, так и индуктивное реактивное сопротивление.

На более высоких частотах индуктивное реактивное сопротивление больше, а емкостное реактивное сопротивление меньше. На более низких частотах все наоборот.Переменный конденсатор используется для выравнивания индуктивного и емкостного сопротивлений. Состояние, при котором реактивные сопротивления уравновешены, называется резонансом. Конкретная частота, которая изолирована выровненными реактивными сопротивлениями, называется резонансной частотой.

Радиосхема настраивается путем регулирования емкости переменного конденсатора для выравнивания индуктивного и емкостного реактивного сопротивления цепи для желаемой резонансной частоты или, другими словами, для настройки на желаемую радиостанцию.Наш интерактивный учебник по Java для радиоприемника демонстрирует, как катушки индуктивности и переменный конденсатор используются для настройки на радиочастоты.

Интерактивное учебное пособие по Java
Металлоискатели

Работа металлоискателя основана на принципе электромагнитной индукции. Металлоискатели содержат одну или несколько катушек индуктивности.Когда металл проходит через магнитное поле, создаваемое катушкой или катушками, это поле индуцирует электрические токи в металле. Эти токи называются вихревыми токами. Эти вихревые токи, в свою очередь, создают собственное магнитное поле, которое генерирует ток в детекторе, который питает сигнал, указывающий на присутствие металла. Наблюдайте за магнитными полями и вихревыми токами, генерируемыми металлоискателем, в нашем учебном пособии по металлоискателю для Java.

Интерактивное учебное пособие по Java

НАЗАД НА ДОМ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА И МАГНИТИЗМА

Вопросы или комментарии? Отправить нам письмо.
© 1995-2021, автор — Майкл В. Дэвидсон и Государственный университет Флориды. Все права защищены. Никакие изображения, графика, программное обеспечение, сценарии или апплеты не могут быть воспроизведены или использованы каким-либо образом без разрешения правообладателей. Использование этого веб-сайта означает, что вы соглашаетесь со всеми юридическими положениями и условиями, изложенными владельцами.
Этот веб-сайт обслуживается нашим

Команда разработчиков графики и веб-программирования
в сотрудничестве с оптической микроскопией в Национальной лаборатории сильного магнитного поля
.
Последнее изменение: пятница, 13 ноября 2015 г., 14:18
Счетчик доступа с 29 марта 1999 г .: 261999

Магнитное поле токоведущего провода

Темы и файлы

E&M Тема

  • Электромагнетизм, магнитное поле в катушке

Файл Capstone

Список оборудования

Введение

Цель этого упражнения — измерить магнитное поле, создаваемое токоведущим проводом в форме катушки.Используйте усилитель мощности для создания и измерения тока в катушке и используйте датчик магнитного поля для измерения напряженности магнитного поля в катушке. Используйте Capstone для записи и отображения данных. Рассчитайте проницаемость свободного пространства ( мкм 0 ) на основе размера и количества витков в катушке, измеренного тока и измеренного магнитного поля.

Фон

Токоведущий провод испытывает магнитную силу при помещении в магнитное поле, создаваемое внешним источником, например постоянным магнитом.Токоведущий провод также создает собственное магнитное поле. Ганс Христиан Эрстед (1777–1851) впервые обнаружил этот эффект в 1820 году, когда он заметил, что провод с током влияет на ориентацию расположенной рядом стрелки компаса. Стрелка компаса выравнивается с чистым магнитным полем, создаваемым током и землей. Открытие Эрстеда, связавшее движение электрических зарядов с созданием магнитного поля, положило начало важной дисциплине под названием электромагнетизм.Экспериментально установлено, что величина B магнитного поля, создаваемого длинным прямым проводом, прямо пропорциональна току I и обратно пропорциональна радиальному расстоянию r от провода, как показано ниже. Константа пропорциональности преобразует выражение в уравнение, которое дает величину магнитного поля вокруг длинного прямого провода. Константа « μ 0 » известна как проницаемость свободного пространства, и ее значение показано ниже.

(3)

мкм 0 = 4 π × 10 −7 Т · м / А

Если токопроводящий провод согнут в круговую петлю, силовые линии магнитного поля вокруг петли будут иметь рисунок, подобный тому, что и вокруг стержневого магнита. В центре петли с радиусом R магнитное поле перпендикулярно плоскости петли и имеет значение, показанное в уравнении ниже, где I обозначает ток в петле. Часто петля состоит из N витков провода, которые намотаны так близко друг к другу, что образуют плоскую катушку с одной петлей.В этом случае магнитные поля отдельных витков складываются, чтобы получить результирующее поле, которое в Н в раз больше, чем у одиночной петли. Для такой катушки магнитное поле в центре зависит от количества петель, тока и радиуса петли, как показано в уравнении ниже.

Copyright © 2016 Advanced Instructional Systems, Inc. и Физический факультет Университета Центральной Флориды | Кредиты

индукция | Infoplease

индукция, в электричестве и магнетизме, общее название для трех различных явлений.Электромагнитная индукция — это производство электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике в результате изменения магнитного поля вокруг проводника и является наиболее важным из трех явлений. Он был открыт в 1831 году Майклом Фарадеем и независимо Джозефом Генри. Изменение поля вокруг проводника может быть вызвано относительным движением между проводником и источником магнитного поля, как в электрическом генераторе, или изменением силы всего поля, так что поле вокруг проводника также изменяется. .Поскольку магнитное поле создается вокруг проводника с током, такое поле можно изменить, изменив ток. Таким образом, если проводник, в котором должна индуцироваться ЭДС, является частью электрической цепи, индукция может быть вызвана изменением тока в этой цепи; это называется самоиндукцией. Индуцированная ЭДС всегда такова, что противодействует вызывающему ее изменению, согласно закону Ленца. Изменение тока в данной цепи может также вызвать ЭДС в другой, соседней цепи, не связанной с исходной схемой; Этот тип электромагнитной индукции, называемый взаимной индукцией, лежит в основе трансформатора.Электростатическая индукция — это образование несбалансированного электрического заряда на незаряженном металлическом теле в результате того, что заряженное тело подносят к нему, не касаясь его. Если заряженное тело заряжено положительно, электроны незаряженного тела будут притягиваться к нему; если затем заземлить противоположный конец тела, электроны будут течь на него, чтобы заменить те, которые притягиваются к другому концу, тело, таким образом, приобретает отрицательный заряд после разрыва заземления. Аналогичную процедуру можно использовать для получения положительного заряда на незаряженном теле, когда к нему подносят отрицательно заряженное тело.Смотрите электричество. Магнитная индукция — это создание магнитного поля в куске немагнитного железа или другого ферромагнитного вещества при приближении к нему магнита. Магнит заставляет отдельные частицы железа, которые действуют как крошечные магниты, выстраиваться в линию, так что образец в целом становится намагниченным. Большая часть этого наведенного магнетизма теряется при удалении вызывающего его магнита. См. Магнетизм.

Колумбийская электронная энциклопедия, 6-е изд. Авторское право © 2012, Columbia University Press.Все права защищены.

См. Дополнительные статьи в энциклопедии: Электротехника

Индукция: что это значит для электростатического разряда

Доцент Нилс Йонассен создал статическую колонку, которая выходит раз в два месяца в журнале Compliance Engineering Magazine . В сериале исследуются зарядка, ионизация, взрывы и другие темы, связанные с электростатическим разрядом. Ассоциация ESD, работающая с журналом IN Compliance Magazine, переиздает эту серию, поскольку статьи предлагают непреходящий взгляд на область электростатики.

Профессор Йонассен был членом Ассоциации ОУР с 1983 по 2006 год. Он получил премию Ассоциации ESD за выдающийся вклад в 1989 году и был автором технических статей, книг и технических отчетов. Его помнят за его вклад в понимание электростатического контроля, и в его памяти мы повторяем «Mr. Статический ».

~ Ассоциация ESD

Перепечатано с разрешения: Compliance Engineering Magazine, Mr. Static Column Copyright © UBM Cannon


Может ли незаряженный изолированный провод иметь напряжение, скажем, 1000 В? Может ли заряженный изолированный провод иметь нулевое напряжение? Общий ответ на оба эти, казалось бы, парадоксальных вопроса: да, если мы имеем дело с концепцией индукции.В этой статье мы обсудим индукцию в двух ее формах и рассмотрим ряд практических примеров, которые указывают на тот факт, что индукция является предметом, имеющим отношение к изучению ОУР, и заслуживающим его.


Типы индукции

В мире электричества существует два вида индукции: электромагнитная индукция и электростатическая индукция.


Электромагнитная индукция

Электромагнитная индукция — это явление, при котором изменяющееся во времени магнитное поле создает или, скорее, индуцирует электродвижущую силу, выраженную в законе индукции Фарадея как

, где Φ — магнитный поток, проходящий через поверхность, а E i — электродвижущая сила, индуцированная вдоль кривой, граничащей с поверхностью.Электромагнитная индукция — основа всего (или почти всего) производства электроэнергии.


Электростатическая индукция

Электростатическая индукция описывает статическое воздействие электрического поля на проводник.

Примеры

Изолированный незаряженный проводник B находится в поле от положительно заряженного изолятора A (см. Рисунок 1). Поле от A заставит электроны в B переместиться в сторону от B, которая обращена к A.Эти электроны составляют связанный индуцированный заряд. Этот заряд не может быть удален, пока B находится в поле от A. Соответствующий избыточный положительный заряд — свободный индуцированный заряд — расположен на противоположной стороне B. Но полный заряд на B по-прежнему равен нулю, как и поле внутри B. Свободный индуцированный заряд (положительный) создает электрическое поле за пределами B, при этом силовые линии в конечном итоге заканчиваются на каком-то заземленном объекте. Если это поле интегрировать от B до точки заземления, мы получим положительное число, которое, по определению, является напряжением B.Таким образом, мы имеем незаряженный провод с положительным напряжением.

Рисунок 1: Изолированный провод в поле от заряженного изолятора.

На рисунке 2 мы имеем ту же ситуацию, что и на рисунке 1, за исключением того, что теперь проводник заземлен. Следовательно, напряжение B равно нулю. Но поскольку B все еще имеет отрицательный связанный индуцированный заряд, мы имеем отрицательно заряженный проводник с нулевым напряжением. Если заземление разорвано, и B перемещен от окрестности A (изолированным способом), B все равно будет иметь свой отрицательный заряд, давая B отрицательное напряжение.Мы описываем этот процесс как заряженный индукцией B. Проиллюстрируем первую часть этого сценария на практическом примере.

Рисунок 2: Заземленный провод в поле от заряженного изолятора

На рис. 3 показан оператор, держащий кусок положительно заряженного изоляционного материала. Оператор стоит на изолирующем напольном покрытии с более или менее проводящим заземленным слоем. Заряд материала за счет индукции связывает отрицательный заряд на операторе.Поскольку у оператора нет избыточного заряда, положительный заряд той же числовой величины, что и отрицательный, вызовет у оператора положительное напряжение. Силовые линии от положительного заряда оператора будут проходить через напольное покрытие к заземленному нижнему слою. То есть хоть кто-то из них туда поедет. Остальные линии поля могут идти к стенам комнаты.

Распределение поля, предложенное на Рисунке 3, несколько вводит в заблуждение. Большая часть электрического потока (т.е.е., количество силовых линий) от оператора будет проходить от нижних сторон ног оператора через напольное покрытие к проводящему заземленному слою. (Помните, что силовые линии не имеют проблем с проникновением в изоляционные материалы, что важно для обеспечения отслеживания индуцированных зарядов и их эффектов.) Следовательно, ситуация, показанная на Рисунке 3, — это ситуация, когда незаряженный человек заряжается до положительного напряжения только в силу того, что он рядом с заряженным куском материала.

Рис. 3: Оператор, работающий в изолированном состоянии, работает с заряженным куском изоляционного материала.

Теперь возникает вопрос, почему это может представлять больший риск (или неприятность), чем просто наличие заряженного куска материала при отсутствии изолированных проводников? Причина в следующем: любой прямой разряд в поле от поверхности материала будет разрядом с низкой плотностью энергии (коронным разрядом или щеточным), который обычно будет иметь лишь незначительные вредные эффекты. Но если заряженный материал связывает за счет индукции заряд всего 1 мКл на операторе, оператор будет переносить около 5000 В и сможет рассеивать в окружающей среде энергию примерно 2 мДж, что в 10 раз превышает минимальную энергию воспламенения для большинства смесей. органических паров с атмосферным воздухом.Конечно, если оператор роняет материал и просто уходит, оператор не заряжается, не имеет напряжения и считается безопасным. Но если оператор случайно заземлится во время работы, он теряет бесплатный заряд и может уйти с избыточным (отрицательным) зарядом, неся риск сильного искрового разряда.

Практический пример опасной индукционной зарядки (рис. 4) — оператор заливает порошок (смолу) из полиэтиленового пакета в резервуар, содержащий взрывоопасные пары (ацетон).Оператор, который не заземлен, не заряжается в течение всей операции. Смола заряжает пластиковую подкладку мешка, а поле мешка наводит на оператора заряд и дает ему напряжение. Когда оператор случайно касается бака, возникает искровой разряд, что приводит к взрыву, который сильно травмирует оператора.

Рис. 4. Незаземленный оператор работает с изоляционными материалами в небезопасной среде.

Потенциальное вредное воздействие для электронной промышленности

Есть также много примеров вредного воздействия электростатической индукции в области электроники.Простым примером является нахождение незаземленного оператора рядом с куском заряженного материала любого вида. Оператор за счет индукции будет заряжен до напряжения (хотя общий заряд оператора может быть равен нулю), и если этот человек затем коснется заземленного компонента, результирующий импульс тока может разрушить компонент.

Но давайте посмотрим на несколько более сложный пример (см. Рисунок 5). Здесь мы имеем положительно заряженный объект — в данном случае изолятор (силовые линии не перпендикулярны поверхности).Рядом с этим объектом находится электронный компонент или устройство. Поле заряженного объекта вызывает индукцию отрицательного заряда на изолированной проводящей части (а) компонента. Общий заряд на (а) равен нулю; таким образом, положительный заряд, численно равный отрицательному, находится на другой стороне (a) и создает поле через изолирующий, или, скорее, диэлектрический слой, к заземленной части компонента (c). Критическим звеном в этой ситуации является поле через диэлектрик. Если это поле достаточно высокое, произойдет сбой.Это известно как повреждение, вызванное полем.

Рис. 5. Повреждение, вызванное полем, где (a) — изолированная проводящая часть компонента, (b) — изолирующий (диэлектрический) слой и (c) — заземляющая (проводящая) часть.

Среди моделей повреждений, вызванных электростатическим разрядом, модель, индуцированная полем, все еще рассматривается некоторыми людьми в электронной промышленности со скептицизмом. Они не верят, что поля могут вызвать достаточно высокое напряжение в компонентах и ​​цепях, чтобы вызвать поломку.Но по мере того, как диэлектрические слои становятся все тоньше и тоньше, и, следовательно, с увеличением напряженности поля на краях проводящих слоев, пробой действительно становится все более и более вероятным.

Заключение

Концепция электростатической индукции может показаться несколько неуловимой. На более научном уровне это демонстрирует, что концепция электрических полей является гораздо более фундаментальной и часто более полезной, чем концепция напряжения, более привязанная к земле. Поле заряженного тела может вызвать напряжение у другого тела, хотя оно не имеет заряда, а поле заряженного тела может вызвать заряд у другого тела, хотя оно не имеет напряжения.

Надеюсь, я продемонстрировал, что, хотя концепция индукции может показаться хорошей целью для академического упражнения, иногда она также имеет практические и разрушительные последствия, которые делают ее очевидной темой для рассмотрения при любом исследовании электростатического разряда (или, по крайней мере, электростатического разряда). .

Нильс Йонассен, MSc, DSc

проработал 40 лет в Техническом университете Дании, где проводил занятия по электромагнетизму, статическому и атмосферному электричеству, радиоактивности в воздухе и климату в помещениях.Выйдя на пенсию, он разделил свое время между лабораторией, своим домом и Таиландом, писал на темы статического электричества и посещал кулинарные курсы.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.