На заметку. С практической точки зрения, значение данной величины оказывает влияние на мощность электрических агрегатов: электродвигателей, генераторов. Чем больше мощность силовых линий, образуемых обмотками или постоянными магнитами статора и ротора, тем выше крутящий момент и мощность двигателя, больше его КПД.

Основные формулы

Основные формулы для явления магнитной индукции указаны на рисунке ниже.

Основные формулы, описывающие явление электромагнитной индукции

Поняв, в чем заключается суть явления электромагнитной индукции, можно разобраться в том, как работают электродвигатели, генераторы. Эти знания, помимо большой теоретической ценности, имеет достаточно полезное практическое применение, позволяя самостоятельно находить, в ряде случаев и устранять, неисправности агрегатов, не прибегая к дорогостоящим услугам специалистов.

Видео

Более подробно и наглядно об описанном в данной статье явлении можно узнать в следующем видео.

Электромагнитная индукция — Википедия с видео // WIKI 2

Электромагни́тная инду́кция — явление возникновения электрического тока, электрического поля или электрической поляризации при изменении во времени магнитного поля или при движении материальной среды в магнитном поле^[1]. Электромагнитная индукция была открыта Майклом Фарадеем 29 августа 1831 года^[2]. Он обнаружил, что электродвижущая сила (ЭДС), возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Величина электродвижущей силы не зависит от того, что является причиной изменения потока — изменение самого магнитного поля или движение контура (или его части) в магнитном поле. Электрический ток, вызванный этой ЭДС, называется индукционным током.

Энциклопедичный YouTube

• 1/5

  Просмотров:

  148 467

  81 233

  16 172

  63 037

  54 272

• ✪ Галилео. Эксперимент. Электромагнитная индукция

• ✪ Урок 281. Электромагнитная индукция. Магнитный поток. Правило Ленца

• ✪ Электростатическая индукция

• ✪ Электромагнитная индукция

• ✪ Физика: подготовка к ЕГЭ. Явление электромагнитной индукции. Катушка индуктивности

Содержание

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея (в СИ):

E = − d Φ B d t , {\displaystyle {\mathcal {E}}=-{{d\Phi _{B}} \over dt},}

где

E {\displaystyle {\mathcal {E}}}  — электродвижущая сила, действующая вдоль произвольно выбранного контура,

Φ B {\displaystyle \Phi _{B}} = ∬ S B → ⋅ d S → {\displaystyle =\iint \limits _{S}{\vec {B}}\cdot d{\vec {S}}}  — магнитный поток через поверхность, ограниченную этим контуром.

Знак «минус» в формуле отражает правило , названное так по имени российского физика Э. Х. Ленца:

Индукционный ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре, имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток.

Для катушки, находящейся в переменном магнитном поле, закон Фарадея можно записать следующим образом:

E = − N d Φ B d t = − d Ψ d t , {\displaystyle {\mathcal {E}}=-N{{d\Phi _{B}} \over dt}=-{{d\Psi } \over dt},}

где

E {\displaystyle {\mathcal {E}}}  — электродвижущая сила,

N {\displaystyle N}  — число витков,

Φ B {\displaystyle \Phi _{B}}  — магнитный поток через один виток,

Ψ {\displaystyle \Psi }  — потокосцепление катушки.

Векторная форма

В дифференциальной форме закон Фарадея можно записать в следующем виде:

rot E → = − ∂ B → ∂ t {\displaystyle \operatorname {rot} \,{\vec {E}}=-{\partial {\vec {B}} \over \partial t}} (в системе СИ)

или

rot E → = − 1 c ∂ B → ∂ t {\displaystyle \operatorname {rot} \,{\vec {E}}=-{1 \over c}{\partial {\vec {B}} \over \partial t}} (в системе СГС).

В интегральной форме (эквивалентной):

∮ ∂ S ⁡ E → ⋅ d l → = − ∂ ∂ t ∫ S B → ⋅ d s → {\displaystyle \oint _{\partial S}{\vec {E}}\cdot {\vec {dl}}=-{\partial \over \partial t}\int _{S}{\vec {B}}\cdot {\vec {ds}}} (СИ)

или

∮ ∂ S ⁡ E → ⋅ d l → = − 1 c ∂ ∂ t ∫ S B → ⋅ d s → {\displaystyle \oint _{\partial S}{\vec {E}}\cdot {\vec {dl}}=-{1 \over c}{\partial \over \partial t}\int _{S}{\vec {B}}\cdot {\vec {ds}}} (СГС).

Здесь E → {\displaystyle {\vec {E}}}  — напряжённость электрического поля, B → {\displaystyle {\vec {B}}}  — магнитная индукция, S   {\displaystyle S\ }  — произвольная поверхность, ∂ S {\displaystyle \partial S}  — её граница. Контур интегрирования ∂ S {\displaystyle \partial S} подразумевается фиксированным (неподвижным).

Закон Фарадея в такой форме описывает лишь ту часть ЭДС, которая возникает при изменении магнитного потока через контур за счёт изменения со временем самого поля без изменения (движения) границ контура (об учете последнего см. ниже).

• В этом виде закон Фарадея входит в систему уравнений Максвелла для электромагнитного поля (в дифференциальной или интегральной форме соответственно)^[3].

Если же, магнитное поле постоянно, а магнитный поток изменяется вследствие движения границ контура (например, при увеличении его площади), то возникающая ЭДС порождается силами, удерживающими заряды на контуре (в проводнике) и силой Лоренца, порождаемой прямым действием магнитного поля на движущиеся (с контуром) заряды. При этом равенство E = − d Φ / d t {\displaystyle {\mathcal {E}}=-{{d\Phi }/dt}} продолжает соблюдаться, но ЭДС в левой части теперь не сводится к ∮ ⁡ E → ⋅ d l → {\displaystyle \oint {\vec {E}}\cdot {\vec {dl}}} (которое в данном частном примере вообще равно нулю). В общем случае (когда и магнитное поле меняется со временем, и контур движется или меняет форму) последняя формула остаётся справедливой, но ЭДС в левой части в таком случае есть сумма обоих слагаемых, упомянутых выше (то есть порождается частично вихревым электрическим полем, а частично силой Лоренца и силой реакции движущегося проводника).

• Некоторые авторы, например, М. Лившиц в журнале «Квант» за 1998 год^[4] отрицают корректность применения термина закон Фарадея или закон электромагнитной индукции и т. п. к формуле E = − d Φ / d t {\displaystyle {\mathcal {E}}=-{{d\Phi }/dt}} в случае подвижного контура (оставляя для обозначения этого случая или его объединения со случаем изменения магнитного поля, например, термин правило потока)^[5]. В таком понимании закон Фарадея — это закон, касающийся лишь циркуляции электрического поля (но не ЭДС, создаваемой с участием силы Лоренца), и в этом понимании понятие закон Фарадея в точности совпадает с содержанием соответствующего уравнения Максвелла.
• Однако возможность (пусть с некоторыми оговорками, уточняющими область применимости) совпадающей формулировки «правила потока» с законом электромагнитной индукции нельзя назвать чисто случайной. Дело в том, что, по крайней мере для определённых ситуаций, это совпадение оказывается очевидным проявлением принципа относительности. А именно, например, для случая относительного движения катушки с присоединённым к ней вольтметром, измеряющим ЭДС, и источника магнитного поля (постоянного магнита или другой катушки с током), в системе отсчёта, связанной с первой катушкой, ЭДС оказывается равной именно циркуляции электрического поля, тогда как в системе отсчёта, связанной с источником магнитного поля (магнитом), происхождение ЭДС связано с действием силы Лоренца на движущиеся с первой катушкой носители заряда. Однако та и другая ЭДС обязаны совпадать, поскольку вольтметр показывает одну и ту же величину, независимо от того, для какой системы отсчёта мы её рассчитали.

Потенциальная форма

При выражении магнитного поля через векторный потенциал закон Фарадея принимает вид:

E → = − ∂ A → ∂ t {\displaystyle {\vec {E}}=-{\partial {\vec {A}} \over \partial t}} (в случае отсутствия безвихревого поля, то есть тогда, когда электрическое поле порождается полностью только изменением магнитного, то есть электромагнитной индукцией).

В общем случае, при учёте и безвихревого (например, электростатического) поля имеем:

E → = − ∇ φ − ∂ A → ∂ t {\displaystyle {\vec {E}}=-\nabla \varphi -{\partial {\vec {A}} \over \partial t}}

Подробнее

Поскольку вектор магнитной индукции по определению выражается через векторный потенциал так:

B → = r o t   A → ≡ ∇ × A → , {\displaystyle {\vec {B}}=rot\ {\vec {A}}\equiv \nabla \times {\vec {A}},}

то можно подставить это выражение в

r o t   E → ≡ ∇ × E → = − ∂ B → ∂ t , {\displaystyle rot\ {\vec {E}}\equiv \nabla \times {\vec {E}}=-{\frac {\partial {\vec {B}}}{\partial t}},}

получая

∇ × E → = − ∂ ( ∇ × A → ) ∂ t , {\displaystyle \nabla \times {\vec {E}}=-{\frac {\partial (\nabla \times {\vec {A}})}{\partial t}},}

и, поменяв местами дифференцирование по времени и пространственным координатам (ротор):

∇ × E → = − ∇ × ∂ A → ∂ t . {\displaystyle \nabla \times {\vec {E}}=-\nabla \times {\frac {\partial {\vec {A}}}{\partial t}}.}

Отсюда, поскольку ∇ × E → {\displaystyle \nabla \times {\vec {E}}} полностью определяется правой частью последнего уравнения, видно, что вихревая часть электрического поля (та часть, которая имеет ротор, в отличие от безвихревого поля ∇ φ {\displaystyle \nabla \varphi } ) полностью определяется выражением

− ∂ A → ∂ t . {\displaystyle -{\frac {\partial {\vec {A}}}{\partial t}}.}

То есть в случае отсутствия безвихревой части можно записать

E → = − ∂ A → ∂ t , {\displaystyle {\vec {E}}=-{\frac {\partial {\vec {A}}}{\partial t}},}

а в общем случае

E → = − ∇ φ − d A → d t . {\displaystyle {\vec {E}}=-\nabla \varphi -{\frac {d{\vec {A}}}{dt}}.}

История

В 1820 году Ганс Христиан Эрстед показал, что протекающий по цепи электрический ток вызывает отклонение магнитной стрелки. Если электрический ток порождает магнетизм, то с магнетизмом должно быть связано появление электрического тока. Эта мысль захватила английского ученого М. Фарадея. «Превратить магнетизм в электричество», — записал он в 1822 году в своём дневнике. Многие годы настойчиво ставил он различные опыты, но безуспешно, и только 29 августа 1831 года наступил триумф: он открыл явление электромагнитной индукции. Установка, на которой Фарадей сделал своё открытие, состояла из кольца из мягкого железа примерно 2 см шириной и 15 см диаметром. На каждой половине кольца было намотано много витков медной проволоки. Цепь одной обмотки замыкала проволока, в её витках находилась магнитная стрелка, удаленная настолько, чтобы не сказывалось действие магнетизма, созданного в кольце. Через вторую обмотку пропускался ток от батареи гальванических элементов. При включении тока магнитная стрелка совершала несколько колебаний и успокаивалась; когда ток прерывали, стрелка снова колебалась. Выяснилось, что стрелка отклонялась в одну сторону при включении тока и в другую, когда ток прерывался. М. Фарадей установил, что «превращать магнетизм в электричество» можно и с помощью обыкновенного магнита.

В это же время американский физик Джозеф Генри также успешно проводил опыты по индукции токов, но пока он собирался опубликовать результаты своих опытов, в печати появилось сообщение М. Фарадея об открытии им электромагнитной индукции.

М. Фарадей стремился использовать открытое им явление, чтобы получить новый источник электричества.

См. также

Примечания

1. ↑ Миллер М. А., Пермитин Г. В. Электромагнитная индукция // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая российская энциклопедия, 1999. — Т. 5: Стробоскопические приборы — Яркость. — С. 537—538. — 692 с. — 20 000 экз. — ISBN 5-85270-101-7.
2. ↑ Faraday, Michael; Day, P. The philosopher’s tree: a selection of Michael Faraday’s writings (англ.). — CRC Press, 1999. — P. 71. — ISBN 978-0-7503-0570-9.
3. ↑ Это уравнение Максвелла может быть переписано в эквивалентном виде

   ∮ ∂ S ⁡ E → ⋅ d l → = − ∫ S ∂ B → ∂ t ⋅ d s → {\displaystyle \oint _{\partial S}{\vec {E}}\cdot {\vec {dl}}=-\int _{S}{\frac {\partial {\vec {B}}}{\partial t}}\cdot {\vec {ds}}}

   (здесь просто производная по t внесена под знак интеграла). В таком виде уравнение также может быть включено в систему уравнений Максвелла, причем оговорка о неподвижности контура интегрирования теряет актуальность, так как производная теперь не действует на границу области (на пределы интегрирования), а само интегрирование в любом случае полагается «мгновенным». В принципе, в таком виде это уравнение также могут называть законом Фарадея (чтобы отличить его от других уравнений Максвелла), пусть в таком виде оно и не совпадает прямо с его обычной формулировкой (но эквивалентно ей в своей области применимости).
4. ↑ М. Лившиц. Закон электромагнитной индукции или «правило потока»? // Квант. — 1998. — № 3. — С. 37—38.
5. ↑ Такой отказ объясняется тем, что, в отличие от закона для циркуляции электрического поля, выполняющегося всегда, «правило» корректно работает лишь для случаев, когда контур, в котором вычисляется ЭДС, совпадает физически с проводником (то есть совпадает их движение; в противном же случае правило может не работать (самый известный пример — униполярная машина Фарадея; контур, который в этом случае трудно определить, но кажется довольно очевидным, что он не меняется; во всяком случае, довольно затруднительно указать разумное определение для контура, который бы в этом случае менялся), то есть проявляется парадокс, что для «закона природы» недопустимо.

Ссылки

Электромагнитная индукция, теория и примеры

Определение и общие понятия об электромагнитной индукции

Результаты своих эмпирических исследований М. Фарадей выразил наглядно. Если магнитное поле изображать при помощи линий магнитной индукции (), то модуль вектора индукции характеризует густота линий индукции. Допустим, что замкнутый проводник перемещается в неоднородном магнитном поле в сторону более сильного поля. При этом количество силовых линий поля, которые охватывает проводник, увеличивается. Если проводник перемещается в сторону ослабления магнитного поля, то число силовых линий поля уменьшается. Магнитное поле является вихревым, линии поля не имеют начала и конца. Поэтому линии индукции сцепляются с нашим контуром как звенья цепи. Любое изменение числа линий индукции, которые охватывает контур возможно только, если эти линии пересекают контур. В связи с этим М. Фарадей сделал вывод о том, что ток индукции появляется в проводнике только тогда, если проводник (или часть его) пересекает линии магнитной индукции.

Открытие явления электромагнитной индукции стало очень значимым событием. Оно показало, что можно получать не только магнитное поле при помощи токов, но и токи изменяя магнитное поле. Так была установлена взаимная связь между электрическими и магнитными явлениями.

Основной закон электромагнитной индукции

Закон электромагнитной индукции был установлен М. Фарадеем, однако его современную формулировку, которую мы будем использовать, дал Максвелл.

Появление тока индукции говорит о том, что в проводнике возникает определенная электродвижущая сила (ЭДС). Причиной появления ЭДС индукции является изменение магнитного потока. В системе международных единиц (СИ) закон электромагнитной индукции записывают так:

где – скорость изменения магнитного потока сквозь площадь, которую ограничивает контур.

Закон электромагнитной индукции применяют для того, чтобы определить единицу магнитного потока (вебера). Знак магнитного потока зависит от выбора положительной нормали к плоскости контура. При этом направление нормали определяют при помощи правила правого винта, связывая его с положительным направлением тока в контуре. Так, произвольно назначают положительное направление нормали , определяют положительное направление тока и ЭДС индукции в контуре. Знак минус в основном законе электромагнитной индукции соответствует правилу Ленца.

Формула (1) – отображает закон электромагнитной индукции в наиболее общей форме. Ее можно применять к неподвижным контурам и движущимся проводникам в магнитном поле. Производная, которая входит в выражение (1) в общем случае составлена из двух частей: одна зависит от изменения магнитного потока во времени, другая связывается с движением (деформаций) проводника в магнитном поле.

Если в переменном магнитном поле рассматривается контур состоящий из N витков, то закон электромагнитной индукции примет вид:

где величину называют потокосцеплением.

Примеры решения задач

Электромагнитная индукция — это… Что такое Электромагнитная индукция?

Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него.

Электромагнитная индукция была открыта Майклом Фарадеем 29 августа^{[источник не указан 100 дней]} 1831 года. Он обнаружил, что электродвижущая сила, возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Величина электродвижущей силы (ЭДС) не зависит от того, что является причиной изменения потока — изменение самого магнитного поля или движение контура (или его части) в магнитном поле. Электрический ток, вызванный этой ЭДС, называется индукционным током.

Закон Фарадея

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея (в СИ):

где

 — электродвижущая сила, действующая вдоль произвольно выбранного контура,

 — магнитный поток через поверхность, натянутую на этот контур.

Знак «минус» в формуле отражает правило Ленца, названное так по имени русского физика Э. Х. Ленца:

Индукционный ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре, имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток.

Для катушки, находящейся в переменном магнитном поле, закон Фарадея можно записать следующим образом:

где

 — электродвижущая сила,

 — число витков,

 — магнитный поток через один виток,

 — потокосцепление катушки.

Векторная форма

В дифференциальной форме закон Фарадея можно записать в следующем виде:

(в системе СИ)

или

(в системе СГС).

В интегральной форме (эквивалентной):

(СИ)

или

(СГС)

Здесь  — напряжённость электрического поля,  — магнитная индукция,  — произвольная поверхность,  — её граница. Контур интегрирования подразумевается фиксированным (неподвижным).

Следует отметить, что закон Фарадея в такой форме, очевидно, описывает лишь ту часть ЭДС, что возникает при изменении магнитного потока через контур за счёт изменения со временем самого поля без изменения (движения) границ контура (об учете последнего см. ниже).

• В этом виде закон Фарадея входит в систему уравнений Максвелла для электромагнитного поля (в дифференциальной или интегральной форме соответственно)^[1].

Если же, скажем, магнитное поле постоянно, а магнитный поток изменяется вследствие движения границ контура (например, при увеличении его площади), то возникающая ЭДС порождается силами, удерживающими заряды на контуре (в проводнике) и силой Лоренца, порождаемой прямым действием магнитного поля на движущиеся (с контуром) заряды. При этом равенство продолжает соблюдаться, но ЭДС в левой части теперь не сводится к (которое в данном частном примере вообще равно нулю). В общем случае (когда и магнитное поле меняется со временем, и контур движется или меняет форму) последняя формула верна так же, но ЭДС в левой части в таком случае есть сумма обоих слагаемых, упомянутых выше (то есть порождается частично вихревым электрическим полем, а частично силой Лоренца и силой реакции движущегося проводника).

• Некоторые авторы, например, М. Лившиц в журнале «Квант» за 1998 год^[2] отрицают корректность применения термина закон Фарадея или закон электромагнитной индукции и т. п. к формуле в случае подвижного контура (оставляя для обозначения этого случая или его объединения со случаем изменения магнитного поля, например, термин правило потока)^[3]. В таком понимании закон Фарадея — это закон, касающийся лишь циркуляции электрического поля (но не ЭДС, создаваемой с участием силы Лоренца), и в этом понимании понятие закон Фарадея в точности совпадает с содержанием соответствующего уравнения Максвелла.
• Однако возможность (пусть с некоторыми оговорками, уточняющими область применимости) совпадающей формулировки «правила потока» с законом электромагнитной индукции нельзя назвать чисто случайной. Дело в том, что, по крайней мере для определенных ситуаций, это совпадение оказывается очевидным проявлением принципа относительности. А именно, например, для случая относительного движения катушки с присоединенным к ней вольтметром, измеряющим ЭДС, и источника магнитного поля (постоянного магнита или другой катушки с током), в системе отсчета, связанной с первой катушкой, ЭДС оказывается равной именно циркуляции электрического поля, тогда как в системе отсчета, связанной с источником магнитного поля (магнитом), происхождение ЭДС связано с действием силы Лоренца на движущиеся с первой катушкой носители заряда. Однако та и другая ЭДС обязаны совпадать, поскольку вольтметр показывает одну и ту же величину, независимо от того, для какой системы отсчета мы ее рассчитали.

Потенциальная форма

При выражении магнитного поля через векторный потенциал закон Фарадея принимает вид:

(в случае отсутствия безвихревого поля, то есть тогда, когда электрическое поле порождается полностью только изменением магнитного, то есть электромагнитной индукцией).

В общем случае, при учёте и безвихревого (например, электростатического) поля имеем:

История

В 1820 г. Ганс Христиан Эрстед показал, что протекающий по цепи электрический ток вызывает отклонение магнитной стрелки. Если электрический ток порождает магнетизм, то с магнетизмом должно быть связано появление электрического тока. Эта мысль захватила английского ученого М. Фарадея. «Превратить магнетизм в электричество», — записал он в 1822 г. в своём дневнике. Многие годы настойчиво ставил он различные опыты, но безуспешно, и только 29 августа 1831 г. наступил триумф: он открыл явление электромагнитной индукции. Установка, на которой Фарадей сделал своё открытие, заключалась в том, что Фарадей изготовил кольцо из мягкого железа примерно 2 см шириной и 15 см диаметром и намотал много витков медной проволоки на каждой половине кольца. Цепь одной обмотки замыкала проволока, в её витках находилась магнитная стрелка, удаленная настолько, чтобы не сказывалось действие магнетизма, созданного в кольце. Через вторую обмотку пропускался ток от батареи гальванических элементов. При включении тока магнитная стрелка совершала несколько колебаний и успокаивалась; когда ток прерывали, стрелка снова колебалась. Выяснилось, что стрелка отклонялась в одну сторону при включении тока и в другую, когда ток прерывался. М. Фарадей установил, что «превращать магнетизм в электричество» можно и с помощью обыкновенного магнита.

В это же время американский физик Джозеф Генри также успешно проводил опыты по индукции токов, но пока он собирался опубликовать результаты своих опытов, в печати появилось сообщение М. Фарадея об открытии им электромагнитной индукции.

М. Фарадей стремился использовать открытое им явление, чтобы получить новый источник электричества.

См. также

Примечания

1. ↑ Это уравнение Максвелла может быть переписано в эквивалентном виде
   (здесь просто производная по t внесена под знак интеграла). В таком виде уравнение также может быть включено в систему уравнений Максвелла, причем оговорка о неподвижности контура интегрирования теряет актуальность, так как производная теперь очевидно не действует на границу области (на пределы интегрирования), а само интегрирование в любом случае полагается «мгновенным». В принципе, в таком виде это уравнение также могут называть законом Фарадея (чтобы отличить его от других уравнений Максвелла), пусть в таком виде оно и не совпадает прямо с его обычной формулировкой (но эквивалентно ей в своей области применимости).
2. ↑ М. Лившиц Закон электромагнитной индукции или «правило потока»? // Квант. — 1998. — № 3. — С. 37—38.
3. ↑ Такой отказ объясняется тем, что, в отличие от закона для циркуляции электрического поля, выполняющегося всегда, «правило» корректно работает лишь для случаев, когда контур, в котором вычисляется ЭДС, совпадает физически с проводником (то есть совпадает их движение; в противном же случае правило может не работать (самый известный пример — униполярная машина Фарадея; контур, который в этом случае трудно определить, но кажется довольно очевидным, что он не меняется; во всяком случае, довольно затруднительно указать разумное определение для контура, который бы в этом случае менялся), то есть проявляется парадокс, что для «закона природы» недопустимо.

Ссылки

Электромагнитная индукция ч.2. Индукция и самоиндукция

Итак, это схема простйшего электрогенератора:

При вращении рамки в постоянном магнитном поле в ней возникает электрический ток, называемый индукционным, а сам процесс называется электромагнитной индукцией:

«Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него. Электромагнитная индукция была открыта Майклом Фарадеем 29 августа 1831 года. Он обнаружил, что электродвижущая сила, возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Величина электродвижущей силы (ЭДС) не зависит от того, что является причиной изменения потока — изменение самого магнитного поля или движение контура (или его части) в магнитном поле. Электрический ток, вызванный этой ЭДС, называется индукционным током».

У этого тока есть одно важное свойство, которое для одних стало возможностью скрыть правду, а для других – простым объяснением, почему для получения большего количества энергии от генератора нужно приложить большую силу для его вращения. В Вики это звучит так:

«Индукционный ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре, имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток».

В реальном генераторе это происходит так: при приближении части рамки к северному полюсу магнита в этой части рамки возникает ЭДС и северный магнитный полюс. Два одноимённых магнитных полюса начинают отталкиваться и возникает сопротивление вращению рамки. Во второй части рамки происходит тоже самое, только с южным полюсом. Чем быстрее вращается генератор, тем быстрее меняется магнитное поле в рамке, а значит возникает бОльший ток, соответственно бОльшее магнитное поле и бОльшее сопротивление вращению. Этого оказалось достаточно, чтобы заявить о соблюдении закона сохранения энергии: хотите больше энергии – приложите большее усилие. Очень многим этого хватило и теперь эти убеждения сложно переломить. Однако давайте рассмотрим процесс индукции чуть внимательнее. Я уже писал об этом в посте «Зарождение».

Итак, при приближении рамки к магнитному полюсу, в ней возникает ток и такой же магнитный полюс, который начинает оказывать сопротивление движению. А что происходит с магнитным полем магнита?

Оно ослабевает, переходя в электрическую энергию? Нет. Иначе при увеличении скорости вращения генератора и увеличении тока всё больше магнитного поля переходило бы в электричество и сопротивление вращению наоборот уменьшалось бы.

Оно переходит на проводник, разделяется, но в сумме остаётся таким же? Нет. Тогда бы усилие для вращения генератора не менялось от скорости и нагрузки.

На самом деле оно остаётся без изменений, а суммарное магнитное поле ещё и увеличивается на поле, возникшее вокруг проводника. Магнит при этом не теряет своей энергии и это доказывается десятилетиями работы генераторов на постоянных магнитах. Тогда откуда появляется энергия в проводнике? Кинетическая энергия вращения превращается в электрическую? Правда? А если ничего не вращать? Вы знаете как работает электрический трансформатор? Например такой:

«Работа трансформатора основана на двух базовых принципах:
Изменяющийся во времени электрический ток создаёт изменяющееся во времени магнитное поле (электромагнетизм).
Изменение магнитного потока, проходящего через обмотку, создаёт ЭДС в этой обмотке (электромагнитная индукция).
На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой, подаётся напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке переменный ток намагничивания создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе. В результате электромагнитной индукции, переменный магнитный поток в магнитопроводе создаёт во всех обмотках, в том числе и в первичной, ЭДС индукции, пропорциональную первой производной магнитного потока, при синусоидальном токе сдвинутой на 90° в обратную сторону по отношению к магнитному потоку».

Хочу обратить ваше внимание на выделенный текст: ток индукции появляется во всех обмотках трансформатора, ЭДС во всех обмотках равны и зависят только от скорости изменения магнитного потока. Получается, что если намотать две или три вторичных обмотки, то можно получить в два-три раза больше энергии, чем было затрачено (за минусом разных потерь)? В принципе, даже ещё больше. Ведь на самом деле, закон сохранения энергии работает только с телами, обладающими массой покоя. Но тут вовремя появилась и проблема, называемая самоиндукцией, которая помогла скрыть дармовую энергию.

«Самоиндукция — это явление возникновения ЭДС индукции в проводящем контуре при изменении протекающего через контур тока.
При изменении тока в контуре пропорционально меняется и магнитный поток через поверхность, ограниченную этим контуром. Изменение этого магнитного потока, в силу закона электромагнитной индукции, приводит к возбуждению в этом контуре индуктивной ЭДС. Это явление и называется самоиндукцией. (Понятие родственно понятию взаимоиндукции, являясь как бы его частным случаем).
Направление ЭДС самоиндукции всегда оказывается таким, что при возрастании тока в цепи ЭДС самоиндукции препятствует этому возрастанию (направлена против тока), а при убывании тока — убыванию (сонаправлена с током). Этим свойством ЭДС самоиндукции сходна с силой инерции».

Оказалось, что ток, проходя по проводнику, создаёт вокруг него магнитное поле, изменение которого создаёт ток в этом же проводнике и он не всегда совпадает с направлением первичного тока (потому что если бы он всегда совпадал, то получился бы вечный источник энергии, а если бы всегда не совпадал, то никакого тока вообще не было бы). Другими словами, ЭДС самоиндукции оказывает сопротивление току в катушке почти так же, как обычный генератор сопротивляется вращению. Чем больше ток и его частота в катушке, тем больше это сопротивление, а значит и потери. При подключении катушки к источнику переменного напряжения получается вот такая картина:

А при добавлении дополнительных катушек в общее магнитное поле их взаимное влияние увеличивается, индуктивность и поля складываются и накладываются друг а друга, а сопротивление (а значит и потери) всей системы только возрастают. В результате получилась красивая зависимость, которая, якобы, подтверждает закон сохранения энергии и не даёт получить больше энергии, чем затрачено. Это сопротивление назвали реактивным, без ваттным, из-за него не выделяется тепло в катушке и списали на него все потери энергии.

Однако Никола Тесла в своё время нашёл выход из этого положения и главным вопросом его жизни стал вопрос беспроводной передачи энергии, а не её получение. Это сейчас катушки Тесла называют трансформаторами, а сам он называл их генераторами энергии и так оно и было. Получать энергию он мог в неограниченных количествах и не считал это чем-то сложным и тем более невозможным, т.к. он понял саму суть происходящего процесса. Я попробую объяснить его как можно доступнее, но опять придётся начинать из далека.

Исходя из теории Всемирного Эфира, которая существовала до Теории Относительности, Тесла полагал, что электромагнитная волна это волна эфира, окружающего нас везде. Эфир не имеет массы и инерции, а значит на то, чтобы его сдвинуть не тратится энергия. Получается, что для создания электромагнитной волны нужно раскачать эфир переменным магнитным полем, но так, чтобы почти не тратить на это энергию. И такой способ был найден. Был придуман последовательный колебательный контур:

«Колебательный контур – это замкнутая электрическая цепь, содержащая катушку индуктивности и конденсатор, в которой могут возбуждаться электрические колебания.
Колебания тока и напряжения в колебательном контуре связаны с переходом энергии электрического поля конденсатора в энергию магнитного поля катушки индуктивности и обратно».

Получается, что если зарядить конденсатор от источника тока, а потом соединить его с катушкой, то в цепи возникнут автоколебания. Ток из конденсатора будет переходить в магнитное поле катушки и обратно многократно, пока не рассеется от различных небольших потерь на нагрев и т.д. При этом на раскачивание самого эфира энергия не тратится. В добротных контурах колебания могут продолжаться несколько минут, при этом совершенно не потребляя энергии из вне. Всё это время вокруг катушки будет переменное магнитное поле, раскачивающее эфир вокруг неё. Казалось бы, осталось только поставить рядом ещё пару катушек и проблема энергии решена, но тут надо вспомнить, что индукционный ток в соседней катушке создаёт своё магнитное поле, направленное против поля, его создавшего и очень быстро его подавит (вспомним и про безваттное сопротивление). Получается, что первую катушку всегда надо подпитывать током и он будет как бы переходить на вторую катушку. При этом, если вторую катушку не замыкать, то тока в разомкнутом контуре не будет и первая катушка практически не будет потреблять энергии. Так работают современные трансформаторы. Только я бы сказал, что он не переливает энергию с одной катушки на другую, а продавливает с огромным усилием и потерями, нагреваясь и гудя при этом.

Решением проблемы могло бы стать создание катушки, которая бы не оказывала сопротивления магнитному потоку, т.е. не имеющей самоиндукции. Однако тут появляется противоречие: в катушке, обладающей индукцией всегда будет и ток самоиндукции, а в катушке, не имеющей индуктивности, не может появиться индукционный ток и она бесполезна. Любой замкнутый проводник имеет свою индуктивность, хоть самую малую.

Никола Тесла очень хорошо представлял себе магнитные поля и их взаимодействия и поэтому смог найти очень простое и, я бы сказал, элегантное решение проблемы. Он придумал катушку, у которой пропадает реактивное сопротивление на определённой частоте. Эта катушка была названа бифилярной:

Тесла запатентовал эту катушку, как что-то совершенно новое, чем она и была, но не описал в патенте своего способа её использования, а скорее всего это описание было позже изъято. В описании осталось только упоминание, что эта катушка может использоваться для создания больших магнитных полей. С другой стороны, один из видов этой катушки как раз обладает нулевой самоиндукцией. Совпадение?

Сейчас различные виды этой катушки используются в радиотехнике, но оригинального назначения, похоже, так до сих пор никто и не понял. Более подробно об этой катушке я напишу в следующий раз.

Электромагнитная индукция — Студопедия

Электромагнитная индукция (индукция значит наведение) это явление, при котором в замкнутом контуре возникает электрический ток при изменении магнитного потока, пронизывающего его.

Явление электромагнитной индукции было обнаружено в 1831 г.

М. Фарадеем. Ток, возникающий при электромагнитной индукции называют индукционным.

Закон электромагнитной индукцииЭДС индукции в контуре равна скорости изменения магнитного поля сквозь поверхность, ограниченную контуром.

Электромагнитная индукция
1831 г. — М. Фарадей обнаружил, что в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля возникает так называемый индукционный ток. (Индукция, в данном случае, — появление, возникновение).
Индукционный ток в катушке возникает при перемещении постоянного магнита относительно катушки; при перемещении электромагнита относительно катушки; при перемещении сердечника относительно электромагнита, вставленного в катушку; при регулировании тока в цепи электромагнита; при замыкании и размыкании цепи
Появление тока в замкнутом контуре при изменении магнит­ного поля, пронизывающего контур, свидетельствует о действии в контуре сторонних сил (или о возникно­вении ЭДС индукции). Явление возникновения ЭДС в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля (потока), пронизывающего контур, назы­вается электромагнитной индукцией. Или:явление возникновения электрического поля при изменении магнитного поля (потока), называется электромагнитной индукцией.
Закон электромагнитной индукции При всяком изменении магнитного потока через проводящий замкнутый контур в этом контуре возникает электрический ток. I зависит от свойств контура (сопротивление): . e не зависит от свойств контура: . ЭДС индукции в замкнутом контуре прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока через площадь, ограниченную этим контуром.
Основные применения электромагнитной индукции: генерирование тока (индукционные генераторы на всех электростанциях, динамомашины), трансформаторы.

Правило Ленца Возникновение индукционного тока — следствие закона сохранения энергии! В случае 1: При приближении магнита, увеличении тока, замыкании цепи: ; Магнитный поток Ф­ → ΔФ>0.Чтобы компенсировать это изменение (увеличение) внешнего поля, необходимо магнитное поле, направленное в сторону, противоположную внешнему полю: , где — т.н. индукционное магнитное поле. В случае 2: при удалении магнита, уменьшении тока, размыкании цепи: . Магнитный поток Ф → ΔФ<0. Чтобы компенсировать это изменение (уменьшение), необходимо магнитное поле, сонаправленное с внешним полем: .
Источником магнитного поля является ток. Поэтому: Возникающий в замкнутом контуре индукционный ток имеет такое направление, что созданный им поток магнитной индукции через площадь, ограниченную контуром, стремится компенсиро­вать то изменение потока магнитной индукции, которое вызывает данный ток (правило Ленца).
Ток в контуре имеет отрицательное направление ( ),если противоположно (т.е. ΔΦ>0). Ток в контуре имеет положительное направление ( ), если совпа­дает с , (т.е. ΔΦ<0). Поэтому с учетом правила Ленца (знака) выражение для закона электромагнитной индукции записывается: . Данная формула справедлива для СИ (коэффициент пропорциональности равен 1). В других системах единиц коэффициент другой.
Если контур (например, катушка) состоит из нескольких витков, то , гдеn – количество витков. Все предыдущие формулы справедливы в случае линейного (равномерного) изменения магнитного потока. В произвольном случае закон записывается через производную: , где e – мгновенное значение ЭДС индукции.

Электромагнитная индукция — Electromagnetic induction

Электромагнитная или магнитная индукция является производство из электродвижущей силы (то есть, напряжение) поперек электрического проводника в изменяющемся магнитном поле .

Майкл Фарадей , как правило , приписывают открытие индукции в 1831 году, и Джеймс Клерк Максвелл математически описал его как закон индукции Фарадея . Ленца описывает направление индуцированного поля. Через закон Фарадея был обобщен , чтобы стать уравнением Максвелла-Фарадей, один из четырех уравнений Максвелла в его теории электромагнетизма .

Электромагнитная индукция нашла много применений, в том числе электрических компонентов , таких как катушки индуктивности и трансформаторов , а также устройств , таких как электродвигателей и генераторов .

история

Электромагнитная индукция была обнаружена Майклом Фарадеем , опубликованной в 1831 г. Он был обнаружен независимо друг от друга Джозефа Генри в 1832 году.

В первой экспериментальной демонстрации Фарадея (29 августа, 1831), он завернул два провода вокруг противоположных сторон железного кольца или « тора » (расположение похоже на современный тороидальный трансформатор ). Основываясь на его понимании электромагнитов, он ожидал , что, когда ток начинал течь в одном проводе, своего рода волна будет проходить через кольцо и вызвать электрический эффект на противоположной стороне. Он подключен один провод в гальванометр , и смотрел как он подключен другой провод к батарее. Он увидел переходный ток, который он назвал «волну электричества», когда он подключен провод к батарее , а другой , когда он отсоединен его. Это индукции было обусловлено изменением магнитного потока , который произошел , когда аккумулятор был подключен и отключен. В течение двух месяцев, Фарадей обнаружил несколько других проявлений электромагнитной индукции. Так , например, он видел переходные тока , когда он быстро скользил стержневой магнит в и из катушки проводов, и он генерируется постоянным ( DC ) током путем вращения медного диска вблизи стержневого магнита с выдвижным электрическим выводом ( «диск Фарадея «).

Фарадей объяснил электромагнитную индукцию с использованием концепции он назвал силовые линии . Тем не менее, ученые в то время широко отвергнуты его теоретические идеи, в основном потому , что они не были сформулированы математически. Исключение было Джеймс Клерк Максвелл , который использовал идеи Фарадея в качестве основы его количественной электромагнитной теории. В модели Максвелла, время изменения аспект электромагнитной индукции выражается в виде дифференциального уравнения, которое Оливер Хевисайд называют законом Фарадея , даже если оно немного отличается от первоначальной формулировки Фарадея и не описывает двигательный EMF . Версия Хевисайда (см уравнение Максвелла-Фарадея ниже ) является формой признается сегодня в группе уравнений , известных как уравнения Максвелла .

В 1834 году Ленц сформулировал закон названный его именем , чтобы описать «поток через цепь». Закон Ленца задает направление индуцированного ЭДС и тока в результате электромагнитной индукции.

теория

закон индукции Фарадея и Ленца

Закон Фарадея индукции использует магнитный поток Ф _B через область пространства , ограниченную с помощью проволочной петли. Магнитный поток определяется поверхностным интегралом :

Φ В знак равно ∫ Σ В ⋅ d A   , {\ Displaystyle \ Phi _ {\ mathrm {B}} = \ Int \ пределы _ {\ Sigma} \ mathbf {B}, \ CDOT д \ mathbf {A}, \,}

где д является элементом поверхности Е , охваченной проволочной петлей, B является магнитным полем. Скалярное произведение В · д соответствует бесконечно малого количества магнитного потока. В более визуальном плане, магнитный поток через петлю провода пропорционально количеству линий магнитного потока , которые проходят через петлю.

Когда поток через поверхностные изменения, закон индукции Фарадея утверждает , что проволочная петля приобретает электродвижущую силу (ЭДС). Наиболее распространенная версия этого закона гласит , что индуцированная электродвижущая сила в любой замкнутой цепи равна скорости изменения этого магнитного потока , охваченной цепью:

Е знак равно — d Φ В d T   {\ Displaystyle {\ mathcal {E}} = — {{d \ Phi _ {\ mathrm {B}}} \ над DT} \} ,

где находится ЭДС и Φ _B является магнитным потоком . Направление электродвижущей силы определяется законом Ленца , которое гласит , что индуцированный ток будет течь в направлении , которое будет выступать против изменения , которое производится его. Это связано с отрицательным знаком в предыдущем уравнении. Для того, чтобы увеличить сгенерированное EMF, общий подход заключается в использовании потокосцепления , создавая плотно намотанную катушку проволоки , состоящую из N одинаковых витков, каждый с тем же магнитным потоком , проходящим через них. В результате ЭДС затем N раз больше , чем из одного провода. Е {\ Displaystyle {\ mathcal {E}}}

Е знак равно — N d Φ В d T {\ Displaystyle {\ mathcal {E}} = — Н {{d \ Phi _ {\ mathrm {B}}} \ над DT}}

Генерация EMF через изменения магнитного потока через поверхность проволочной петли может быть достигнуто несколькими способами:

1. магнитное поле B изменяется (например , переменное магнитное поле, или перемещение в стороне проволочной петли стержневого магнита , где поле В сильнее),
2. проволочная петля деформируется и изменения поверхности Е,
3. ориентация поверхности д А изменения (например , спиннинг проволочной петли в фиксированном магнитное поле),
4. любая комбинация из вышеперечисленных

Уравнение Максвелла-Фарадея

В общем, соотношение между ЭДСОМ в проволочной петле , охватывающее поверхность Е, а электрическое поле Е в проводе задаются Е {\ Displaystyle {\ mathcal {E}}}

Е знак равно ∮ ∂ Σ ⁡ Е ⋅ d ℓ {\ Displaystyle {\ mathcal {E}} = \ oint _ {\ парциальное \ Sigma} \ mathbf {E} \ CDOT д {\ boldsymbol {\ ell_p}}}

где d ℓ представляет собой элемент контура поверхности Е, сочетая это с определением потока

Φ В знак равно ∫ Σ В ⋅ d A   , {\ Displaystyle \ Phi _ {\ mathrm {B}} = \ Int \ пределы _ {\ Sigma} \ mathbf {B}, \ CDOT д \ mathbf {A}, \,}

мы можем написать интегральную форму уравнения Максвелла-Фарадей

∮ ∂ Σ ⁡ Е ⋅ d ℓ знак равно — d d T ∫ Σ В ⋅ d A {\ Displaystyle \ oint _ {\ парциальное \ Sigma} \ mathbf {E} \ CDOT д {\ boldsymbol {\ ell_p}} = — {\ гидроразрыва {d} {дт}} {\ Int _ {\ Sigma} \ mathbf {B}, \ CDOT д \ mathbf {A}}}

Это один из четырех уравнений Максвелла , и поэтому играет фундаментальную роль в теории классического электромагнетизма .

закон и теория относительности Фарадея

Закон Фарадея описывает два различных явлений: двигательная ЭДС генерируется с помощью магнитной силы на движущейся проволоки (см сила Лоренца ), а трансформатор ЭДС это порождается электрической силы вследствие изменяющегося магнитного поля (за счет дифференциальной форме Максвелл-Фарадей уравнение ). Джеймс Клерк Максвелл обратил внимание на отдельных физических явлений в 1861. Это , как полагают, является уникальным примером в области физики , где такой фундаментальный закон вызывается для объяснения двух таких разных явлений.

Эйнштейн заметил , что эти две ситуации оба соответствовали относительному движению между проводником и магнитом, и результат был не влияет , по которым движется. Это был один из основных путей , которые привели его к разработке специальной теории относительности .

Приложения

Принципы электромагнитной индукции применяется во многих устройствах и системах, в том числе:

Электрический генератор

ЭДС генерируется в соответствии с законом Фарадея индукции за счет относительного перемещения цепи и магнитного поля является феномен , лежащий в основе электрических генераторов . Когда постоянный магнит перемещается относительно проводника, или наоборот, электродвижущая сила создается. Если провод соединен через электрическую нагрузку , ток будет течь, и , таким образом , электрическая энергия генерируется, превращая механическую энергию движения в электрическую энергию. Например, генератор барабана основан на чертеже в нижнем правом углу . Иная реализация этой идеи является диск Фарадея , показанный в упрощенном виде справа.

В примере диска Фарадея, диск вращается в однородном магнитном поле , перпендикулярном к диску, в результате чего ток течь в радиальном плече из — за силы Лоренца. Механическая работа необходима , чтобы управлять этим током. Когда сгенерированные ток течет через проводящий обод, магнитное поле генерируются этим током через циркуляционный закону Ампера (обозначенный «индуцированные В» на рисунке). Таким образом , обод становится электромагнитом , который сопротивляется вращению диска (пример закона Ленца ). На противоположной стороне фигуры, обратный ток течет от поворотного рычага через дальнюю сторону обода к нижней кисти. В-поле , индуцированное этот обратный ток противостоит приложенное B-поле, тенденция к снижению потока через ту сторону цепи, противодействие увеличения магнитного поток из — за вращение. На ближней стороне рисунка, обратный ток течет от поворотного рычага через ближнюю сторону обода до нижней кисти. Индуцированные В-поле увеличивает поток на этой стороне цепи, противодействие уменьшения магнитного потока из — за вращение. Таким образом, обе стороны цепи генерирует ЭДС , противодействующее вращение. Энергия , необходимая для поддержания перемещения диска, несмотря на это реактивной силы, в точности равна электрической энергии , вырабатываемой энергии (плюс теряется из — за трения , джоулева тепла и других неэффективности). Такое поведение является общим для всех генераторов , преобразующих механическую энергию в электрическую энергию.

Электрический трансформатор

Когда электрический ток в петле изменений проволоки, изменение ток создает переменное магнитное поле. Второй провод в пределах досягаемости этого магнитного поля будет испытывать это изменение в магнитном поле как изменение в его сочетании магнитного потока, д Ф _B / DT . Следовательно, электродвижущая сила устанавливается во втором контуре называется индуцированной ЭДС или трансформатора ЭДС. Если два конца этой петли соединены через электрическую нагрузку, ток будет течь.

Токовые клещи

Ток Зажим представляет собой тип трансформатора с разделенным сердечником, которые могут быть разведены и крепятся на проволоку или катушку либо измерить ток в ней или, в обратном направлении, чтобы вызвать напряжение. В отличии от обычных инструментов зажим не имеет электрический контакт с проводником или требовать его отключить во время крепления зажима.

Магнитный расходомер

Закон Фарадея используется для измерения расхода электропроводящих жидкостей и суспензий. Такие приборы называются электромагнитными расходомерами. Индуцированное ℇ напряжение , генерируемое в магнитном поле В , из — за проводящей жидкости , движущейся со скоростью V , таким образом , определяется по формуле:

Е знак равно — В ℓ v , {\ Displaystyle {\ mathcal {E}} = — B \ ell_p v}

где ℓ расстояние между электродами в магнитном расходомере.

вихревые токи

Проводники (конечных размеров) перемещение через однородное магнитное поле, или стационарным в переменном магнитном поле, будут иметь токи, индуцированные в них. Эти индуцированные вихревые токи, может быть нежелательным, так как они рассеивать энергию в сопротивлении проводника. Есть целый ряд методов, используемых для контроля этих нежелательных индуктивных эффектов.

• Электромагниты в электрических двигателях, генераторах и трансформаторах не используют твердый металл, но вместо того, чтобы использовать тонкие листы металлической пластины, называемые ламинации . Эти тонкие пластины уменьшают паразитные вихревые токи, как описано ниже.
• Индукционные катушки в электронике обычно используют магнитные сердечники , чтобы минимизировать паразитный ток. Они представляют собой смесь металлического порошка смолы плюс связующих , который может содержать любую форму. Связующий предотвращает паразитную ток через порошкообразный металл.

Электромагнит слоистые

Вихревые тока возникают, когда сплошная металлическая масса вращается в магнитном поле, так как внешняя часть металлических сокращений больше силовых линий, чем внутренняя часть, следовательно, индуцированная электродвижущая силы не является равномерным, как правило, установить тока между точками наибольшее и наименьшее потенциал. Вихревые токи потребляют значительное количество энергии и часто вызывают вредное повышение температуры.

Только пять слоистые или пластины показаны в этом примере, таким образом, чтобы показать подразделение вихревых токов. При практическом использовании, количество пластин или штамповок колеблется от 40 до 66 на дюйм, и приносит потери на вихревые токи вплоть до около одного процента. В то время как пластины могут быть разделены с помощью изоляции, напряжение настолько низка, что естественные ржавчин / оксидное покрытие из пластин достаточно, чтобы предотвратить протекание тока через шихтованные.

Это ротор приблизительно 20 мм в диаметре от двигателя постоянного тока , используемого в проигрыватель компакт — дисков. Обратите внимание на прослои электромагнита полюсных, используемой для ограничения паразитных индуктивных потерь.

Паразитические индукции в проводниках

На этой иллюстрации твердого проводник меди бара на вращающуюся арматуре просто проходит под кончиком полюсного наконечника N поля магнита. Обратите внимание на неравномерное распределение силовых линий через медный стержень. Магнитное поле более концентрированными и, следовательно, сильнее на левом краю медного стержня (а, б) в то время как поле слабее на правом краю (C, D). Поскольку два края бар двигается с той же скоростью, это различие в напряженности поля через бар создает мутовку или текущие завихрения внутри медного стержня.

Сильноточные устройства питания частоты, такие как электродвигатели, генераторы и трансформаторы, использовать несколько небольших проводники параллельно , чтобы разбить вихревые потоки , которые могут образовывать в пределах больших твердых проводников. Же принцип применяется к трансформаторам , используемым при частоте выше , чем мощностей, например, те , которые используются в импульсных источниках питания и промежуточных частота соединительных трансформаторов радиоприемников.

Смотрите также

Рекомендации

Заметки

Рекомендации

дальнейшее чтение

внешняя ссылка

Электромагнитная индукция — теория, применение, преимущества, недостатки

Электромагнитная индукция — единственный эффективный способ выработки электроэнергии, если не считать солнечные батареи. Он находит применение везде, от производства электроэнергии до ее распределения конечным потребителям. В этом посте будут обсуждаться электромагнитная индукция, теория, основанная на законах Фарадея и Ленца, различные приложения, преимущества и недостатки.

Что такое электромагнитная индукция

Электромагнитная индукция — это процесс, в котором электродвижущая сила (напряжение) создается через электрический проводник с переменными магнитными полями или магнитным потоком.Теория электромагнитной индукции была открыта Майклом Фарадеем в 1830 году.

Рис.1 — Введение в электромагнитную индукцию

В первые десятилетия девятнадцатого века эксперименты многих ученых, основанные на электрическом токе и магнетизме, доказали, что электрический ток и магнетизм взаимосвязаны. Майкл Фарадей и Джозеф Генри открыли тот факт, что магнитные поля создаются движущимися электрическими зарядами.

Принцип электромагнитной индукции привел к развитию современных генераторов и трансформаторов. Генерация электромагнитной индукции может быть достигнута двумя способами, а именно:

• Электрический проводник помещен в движущееся магнитное поле
• Электрический проводник устойчиво движется в статическом магнитном поле

Теория электромагнитной индукции

Теория электромагнитной индукции основана на экспериментах, проведенных Майклом Фарадеем, Джозефом Генри и Генрихом Фридрихом Ленцем, и их выведенные правила стали известны как:

1. Законы электромагнитной индукции Фарадея
2. Закон электромагнитной индукции Ленца

1.Законы электромагнитной индукции Фарадея

Закон гласит, что «Скорость изменения магнитного потока во времени в цепи равна величине наведенной ЭДС в цепи».

Фарадей провел несколько экспериментов и успешно доказал, что ЭДС (электродвижущая сила) индуцируется в катушке, когда магнитный поток через катушку изменяется во времени. Магнитный поток вокруг проводника помогает определить индуцированный ток, называемый «вихревым» током.

Математически наведенная ЭДС определяется по уравнению:

Знак минус указывает направление ε и, следовательно, направление тока в цепи. Индуцированная ЭДС может быть увеличена путем увеличения количества витков «N» катушки. Поток можно изменить, изменив форму катушки, сжав ее или растянув в магнитном поле. Вращение катушки в магнитном поле также индуцирует ЭДС в соответствующих катушках.

Фиг.2 — Иллюстрация законов электромагнитной индукции Фарадея

На приведенном выше рисунке показана иллюстрация законов Фарадея. На рис. 2 (а) показана катушка C ₁ , подключенная к гальванометру G, и северный полюс стержневого магнита перемещается к катушке. Гальванометр отклоняется, указывая на наличие электрического тока в катушке, а гальванометр не показывает отклонения, когда магнит неподвижен.

Точно так же, когда магнит вынут из катушки, гальванометр показывает отклонение в противоположном направлении, что указывает на то, что ток течет в обратном направлении.

Фарадей также заметил, что, когда магнит перемещается к катушке или отводится от нее быстрее, отклонение гальванометра становится больше. Этот эксперимент доказал, что относительное движение между магнитом и катушкой генерирует ток в катушке.

На рис. 2 (b) показана катушка C ₁ , подключенная к гальванометру, и вторая катушка C ₂ , подключенная к батарее, а ток в катушке C ₂ создает постоянное магнитное поле. Когда катушка C ₂ движется к C ₁ , гальванометр показывает отклонение, указывающее на ток в катушке C ₁ .

Аналогичным образом, когда C ₂ перемещается от C ₁ , отклонение указывает в противоположном направлении, указывая на обратный поток тока. Этот эксперимент также доказал, что относительное движение между катушками может индуцировать электрический ток.

В последнем эксперименте, показанном на рис. 2 (c), он подключил катушки C ₁ и C ₂ к гальванометру и батарее соответственно и удерживал катушки в стационарном положении, и гальванометр показал кратковременное отклонение при нажатии клавиши (K). нажата.При непрерывном нажатии клавиши отклонения не обнаружено. При отпускании ключа гальванометр показал обратное отклонение. Таким образом, Фарадей доказал, что относительное движение не является абсолютным требованием.

2. Закон электромагнитной индукции Ленца

Закон гласит, что «Полярность наведенной ЭДС такова, что она имеет тенденцию производить ток, который противодействует изменению магнитного потока, которое его произвело».

Математически наведенная ЭДС и ток задаются уравнением:

Рассмотрим рис. 3, где северный полюс стержневого магнита подталкивается к закрытой катушке, и магнитный поток через катушку увеличивается.В катушке индуцируется ток в направлении, противоположном увеличению магнитного потока. Точно так же, если северный полюс магнита перемещается от катушки, магнитный поток через катушку уменьшается. Стержневой магнит испытывает силу отталкивания из-за индуцированного тока.

Рис. 3 — Иллюстрация закона Ленца

Применение электромагнитной индукции

Области применения электромагнитной индукции:

• Генераторы
• Трансформаторы
• Считыватели кредитных / дебетовых карт (поясняется ниже)
• Индукционные плиты (поясняется ниже)
• Электродвигатели и индукторы
• Беспроводная зарядка

Система считывания электронных карт на основе электромагнитной индукции

Устройство для считывания электронных карт или устройство для считывания карт основано на принципе электромагнитной индукции.Любая кредитная / дебетовая карта имеет магнитную полосу на обратной стороне карты, которая называется Magstripe . Магнитная полоса состоит из очень маленьких магнитных частиц (20 миллионных долей дюйма), которые ориентированы в направлении север-юг. Следовательно, вся магнитная полоса действует как стержневой магнит, где один конец — северный полюс, а другой конец — южный полюс.

Рис. 4 — Система считывания электронных карт на основе теории электромагнитной индукции

Магнитная полоса (Magstripe), имеющая различную ориентацию магнитного поля по длине карты, проходит через устройство чтения карт, изменение магнитного потока происходит в одном направлении.Это создает разность потенциалов, поскольку карта, которая имеет переменные магнитные поля, проходит через устройство для чтения карт, которое представляет собой катушку считывания, действующую как замкнутый контур.

Когда карта проходит мимо магнитной головки устройства для считывания карт, возникает ток, который запускает доступ к информации, хранящейся в соответствующих регистрах. Согласно Майклу Фарадею, изменяющееся магнитное поле индуцирует электрическое поле.

Индукционная варочная панель на основе теории электромагнитной индукции

В индукционной варочной панели магнитное поле создается при включении прибора и прохождении тока через медную катушку.Медная катушка действует как проводник. Электрический ток, проходящий через катушку, создает магнитное поле во всех направлениях вокруг катушки.

Рис. 5 — Индукционная варочная панель на основе теории электромагнитной индукции

Когда кухонная утварь помещается на варочную панель, магнитное поле, создаваемое катушкой, проходит через посуду. Это изменяющееся магнитное поле вызывает прохождение электрического тока. Этот индуцированный ток рассеивает часть своей энергии в виде тепла, которое увеличивает температуру посуды, помещенной на варочную поверхность, и пища готовится за счет передаваемого тепла.

Преимущества Электромагнитная индукция

Преимущества электромагнитной индукции:

• Электроэнергия переменного или постоянного тока может вырабатываться с использованием источника электромагнитной энергии
• Устраняет необходимость во внешнем источнике электроэнергии для выработки электроэнергии

Недостаток Электромагнитная индукция

Электромагнитные поля, генерируемые для производства электроэнергии, могут быть опасными при определенных обстоятельствах

  Также читают:
Принцип эффекта Холла - история, объяснение теории, математические выражения и приложения
Что такое токоизмерительные клещи (Tong Tester) - типы, принцип работы и принцип действия; Как работать
Датчики на эффекте Холла - работа, типы, применение, преимущества и недостатки  

Лакшми — B.E (Электроника и связь) и имеет опыт работы в RelQ Software в качестве инженера-испытателя и HP в качестве руководителя службы технической поддержки. Она автор, редактор и партнер Electricalfundablog.

Электромагнитная индукция

Магнитное поле через петлю можно изменить либо путем изменения величины поля, либо путем изменения площади петли. Чтобы иметь возможность количественно описать эти изменения, магнитный поток определяется как Φ = BA cosθ, где θ — угол между B и направлением, перпендикулярным плоскости контура (вдоль оси контура). ,

Закон Фарадея

При изменении магнитного потока через проволочную петлю индуцируется ток. Закон Фарадея гласит, что ЭДС, индуцированная в проводе, пропорциональна скорости потока, проходящего через петлю. Математически

, где N — количество витков, ΔΦ — изменение потока во времени, Δ t . Знак минус указывает полярность наведенной ЭДС.

Предыдущее уравнение легко использовать, когда магнитный поток задается электромагнитом. Если электромагнит включен или выключен, наведенная ЭДС равна числу витков в контуре, умноженному на скорость изменения магнитного потока.Поток также может быть изменен с помощью петли, изменяя размер петли. Представьте скользящую проволоку, как показано на рисунке 1, где l — длина проволоки, которая движется в контакте с U-образной проволокой. В данном случае ε = Blv , где v — скорость длины скольжения.

Обратите внимание, что эта наведенная ЭДС неотличима от ЭДС батареи, и что ток по-прежнему является просто скоростью движения зарядов; следовательно, закон Ома и другие соотношения для токов в проводах остаются в силе.

Закон Ленца

Направление индуцированного тока может быть найдено из закона Ленца, который гласит, что магнитное поле, создаваемое индуцированной ЭДС, создает ток, магнитное поле которого противодействует первоначальному изменению потока через проволочную петлю. Снова рассмотрите рисунок и предположите, что слайд движется вправо. Фигуры x указывают на то, что B находится на странице; таким образом, когда слайд перемещается вправо, поле, проходящее через слайд, увеличивается на странице.(Изменение магнитного потока является решающей величиной.) Магнитное поле индуцированного тока будет направлено за пределы страницы, потому что оно будет противодействовать изменению магнитного потока. Воспользуйтесь правилом из вторых рук и поместите изгибы пальцев из страницы в центр петли. Направление большого пальца указывает на то, что ток будет течь против часовой стрелки. (Неправильно утверждать, что ток направлен вправо, потому что он находится слева в верхней части петли.) И наоборот, если ползун перемещается влево, B будет уменьшаться по петле.Изменение потока будет вне страницы, а индуцированный ток будет по часовой стрелке. Тот же анализ используется, если электромагнит включен или выключен.

Закон Ленца также является законом сохранения.Если бы магнитное поле, создаваемое индуцированным током, могло быть в том же направлении, что и исходное изменение магнитного потока, изменение стало бы больше, а индуцированный ток больше. Это невозможное условие было бы лучшим обменом энергии, чем вечный двигатель.

Генераторы и двигатели

Генераторы и двигатели являются приложениями электромагнитной индукции. На рисунке показан простой электрический генератор.

Кривошип представляет собой механический метод поворота проволочной петли в магнитном поле. Изменение магнитного потока через контур генерирует индуцированный ток; таким образом, генератор преобразует механическую энергию в электрическую. Работа двигателя аналогична работе генератора, но в обратном порядке. Двигатель имеет аналогичные физические компоненты, за исключением того, что электрический ток, подаваемый в контур, создает крутящий момент, который поворачивает контур.Таким образом, двигатель преобразует электрическую энергию в механическую.

Взаимная индуктивность и самоиндукция

Взаимная индуктивность возникает, когда две цепи расположены так, что изменение тока в одной вызывает наведение ЭДС в другой.

Представьте себе простую схему выключателя, катушки и батареи. Когда переключатель замкнут, ток через катушку создает магнитное поле. По мере увеличения тока магнитный поток через катушку также изменяется.Этот изменяющийся магнитный поток генерирует ЭДС, противоположную ЭДС батареи. Этот эффект возникает только тогда, когда ток либо увеличивается до своего установившегося значения сразу после замыкания переключателя, либо уменьшается до нуля при размыкании переключателя. Этот эффект называется самоиндукцией . Пропорциональная константа между самоиндуцированной ЭДС и скоростью изменения тока во времени называется индуктивностью (L) и выражается выражением

Единицей измерения индуктивности в системе СИ является генри, а 1 генри = 1 (Вс / А).

Используя закон Фарадея, индуктивность можно выразить через изменение магнитного потока и тока:

, где N — количество витков катушки.

Уравнения Максвелла и электромагнитные волны

Уравнения Максвелла суммируют электромагнитные эффекты в четырех уравнениях. Уравнения слишком сложны для этого текста, но концепции, заложенные в них, важно учитывать. Максвелл объяснил, что электрические и магнитные волны могут генерироваться колебаниями электрических зарядов.Эти электромагнитные волны могут быть изображены как скрещенные электрические и магнитные поля, распространяющиеся в пространстве перпендикулярно направлению движения и друг к другу, как показано на рисунке 3.

PPT — Презентация PowerPoint по электромагнитной индукции, скачать бесплатно

Индуцированное напряжение • Индуцированное напряжение зависит от: • Скорости провода, пересекающего силовые линии магнитного поля.Более быстрое движение вызывает большее напряжение (V ~ v) • Количество витков провода, движущихся в магнитном поле. Напряжение пропорционально количеству петель (V ~ N)

Электромагнитные волны • Немецкий физик Генрих Рудольф Герц был первым, кто удовлетворительно продемонстрировал существование электромагнитных волн, создав устройство для генерации и обнаружения радиоволн в диапазонах УКВ или УВЧ

Электромагнетизм | физика | Britannica

Электромагнетизм , наука о заряде, а также о силах и полях, связанных с зарядом. Электричество и магнетизм — два аспекта электромагнетизма.

Британская викторина

Викторина «Все о физике»

Какая реакция с участием атомных ядер является источником энергии Солнца?

Электричество и магнетизм долгое время считались отдельными силами.Только в 19 веке они стали рассматриваться как взаимосвязанные явления. В 1905 году специальная теория относительности Альберта Эйнштейна без всяких сомнений установила, что оба аспекта являются аспектами одного общего явления. Однако на практике электрические и магнитные силы ведут себя по-разному и описываются разными уравнениями. Электрические силы создаются электрическими зарядами в состоянии покоя или в движении. С другой стороны, магнитные силы создаются только движущимися зарядами и действуют исключительно на движущиеся заряды.

Электрические явления происходят даже в нейтральной материи, потому что силы действуют на отдельные заряженные составляющие. В частности, электрическая сила отвечает за большинство физических и химических свойств атомов и молекул. Это чрезвычайно сильно по сравнению с гравитацией. Например, отсутствие только одного электрона на каждый миллиард молекул в двух 70-килограммовых (154-фунтовых) людях, стоящих на расстоянии двух метров (двух ярдов) друг от друга, оттолкнет их с силой в 30 000 тонн. В более привычном масштабе электрические явления ответственны за молнии и гром, сопровождающие определенные бури.

Электрические и магнитные силы могут быть обнаружены в областях, называемых электрическими и магнитными полями. Эти поля имеют фундаментальную природу и могут существовать в космосе вдали от заряда или тока, которые их породили. Примечательно, что электрические поля могут создавать магнитные поля и наоборот, независимо от любого внешнего заряда. Как обнаружил в своей работе английский физик Майкл Фарадей, изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле, лежащее в основе производства электроэнергии. И наоборот, изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле, как пришел к выводу шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл.Математические уравнения, сформулированные Максвеллом, включают световые и волновые явления в электромагнетизм. Он показал, что электрические и магнитные поля путешествуют вместе в пространстве как волны электромагнитного излучения, при этом изменяющиеся поля взаимно поддерживают друг друга. Примерами электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве независимо от материи, являются радио- и телевизионные волны, микроволны, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовый свет, рентгеновские лучи и гамма-лучи. Все эти волны движутся с одинаковой скоростью, а именно скоростью света (примерно 300 000 километров, или 186 000 миль в секунду).Они отличаются друг от друга только частотой, с которой колеблются их электрическое и магнитное поля.

Уравнения Максвелла по-прежнему обеспечивают полное и элегантное описание электромагнетизма вплоть до субатомного масштаба, но не включая его. Однако в XX веке интерпретация его творчества была расширена. Специальная теория относительности Эйнштейна объединила электрические и магнитные поля в одно общее поле и ограничила скорость всей материи скоростью электромагнитного излучения.В конце 1960-х физики обнаружили, что у других сил в природе есть поля с математической структурой, подобной структуре электромагнитного поля. Эти другие силы — сильная сила, ответственная за энергию, выделяемую при ядерном синтезе, и слабая сила, наблюдаемая при радиоактивном распаде нестабильных атомных ядер. В частности, слабые и электромагнитные силы были объединены в общую силу, называемую электрослабой силой. Цель многих физиков объединить все фундаментальные силы, включая гравитацию, в одну великую единую теорию, на сегодняшний день не достигнута.

Важным аспектом электромагнетизма является наука об электричестве, которая занимается поведением агрегатов заряда, включая распределение заряда в материи и движение заряда с места на место. Различные типы материалов классифицируются как проводники или изоляторы в зависимости от того, могут ли заряды свободно перемещаться через составляющие их вещества. Электрический ток — это мера потока зарядов; законы, управляющие токами в материи, важны в технологии, особенно в производстве, распределении и управлении энергией.

Понятие напряжения, как и понятия заряда и тока, является фундаментальным в науке об электричестве. Напряжение — это мера склонности заряда перетекать из одного места в другое; положительные заряды обычно имеют тенденцию перемещаться из области высокого напряжения в область более низкого напряжения. Распространенная проблема в электричестве — это определение отношения между напряжением и током или зарядом в данной физической ситуации.

Эта статья стремится дать качественное понимание электромагнетизма, а также количественную оценку величин, связанных с электромагнитными явлениями.