ЭДС

Разность потенциалов и электродвижущая сила

Тело можно наэлектризовать (т. е. прибавить к нему некоторое количество электронов или отнять их), тогда оно станет обладать  электрическим потенциалом или просто потенциалом тела. В результате, тело, заряженное положительно, станет обладать положительным потенциалом, а тело, заряженное отрицательно, — отрицательным потенциалом.

Разность уровней электрических зарядов двух тел принято называть разностью электрических потенциалов или просто разностью потенциалов. Следует иметь в виду, что если два одинаковых тела заряжены одноименными зарядами, но одно больше, чем другое, то между ними также будет существовать разность потенциалов. Кроме того, разность потенциалов существует между двумя такими телами, одно из которых заряжено, а другое не имеет заряда. Итак, если два тела заряжены таким образом, что потенциалы их неодинаковы, между ними неизбежно существует разность потенциалов.

Говоря о разности потенциалов, мы имеем в виду два заряженных тела, однако разность потенциалов можно получить и между различными частями (точками) одного и того же тела.

 Так, например, приложим внешнюю силу к  куску медной проволоки,  под действием которой свободные электроны, находящиеся в проволоке, переместятся к одному ее концу. Очевидно, на другом конце проволоки получится недостаток электронов, и тогда между концами проволоки возникнет разность потенциалов. Стоит нам прекратить действие внешней силы, как электроны тотчас же, в силу притяжения разноименных зарядов, устремятся к концу проволоки, заряженному положительно, т. е. к месту, где их недостает, и в проволоке вновь наступит электрическое равновесие.

Для поддержания электрического тока в проводнике необходим внешний источник энергии, который все время поддерживал бы разность потенциалов на концах этого проводника. Протекание электрического тока сопровождается непрерывным расходованием энергии на преодоление сопротивления. Эту энергию доставляет источник электрической энергии, в котором происходит процесс преобразования механической, химической, тепловой или других видов энергии в электрическую. Способность источника электрической энергии создавать и поддерживать на своих зажимах определенную разность потенциалов называется электродвижущей силой, сокращенно э. д. с.

Численно электродвижущая сила измеряется работой, совершаемой источником электрической энергии при переносе единичного положительного заряда по всей замкнутой цепи. Если источник энергии, совершая работу A, обеспечивает перенос по всей замкнутой цепи заряда q, то его электродвижущая сила (Е) будет равна

E=A/q

За единицу измерения электродвижущей силы в системе СИ принимается вольт (в). Источник электрической энергии обладает эдс в 1 вольт, если при перемещении по всей замкнутой цепи заряда в 1 кулон совершается работа, равная 1 джоулю. Физическая природа электродвижущих сил в разных источниках весьма различна

.

Самоиндукция — возникновение ЭДС индукции  в замкнутом проводящем контуре при изменении тока, протекающего по контуру.  

При изменении тока I в контуре пропорционально меняется и магнитный поток B через поверхность, ограниченную этим контуром. Изменение этого магнитного потока, в силу закона электромагнитной индукции, приводит к возбуждению в этом контуре индуктивной ЭДС E. Это явление и называется самоиндукцией. 

Понятие родственно понятию взаимоиндукции, являясь его частным случаем.

 

Источники:  

http://electricalschool.info/main/osnovy/390-pro-raznost-potencialov.html

http://jamshyt.ru/wnopa/f/?p=21

 http://ru.wikipedia.org/

Электродвижущая сила и её виды

В физике такое понятие, как электродвижущая сила (сокращенно – ЭДС) используется в качестве основной энергетической характеристики источников тока.

Электродвижущая сила ( ЭДС )

 

 

Электродвижущая сила (ЭДС) – способность источника энергии создавать и поддерживать на зажимах разность потенциалов.

ЭДС – измеряется в Вольтах

E = 1в

Напряжение на зажимах источника всегда меньше ЭДС на величину падения напряжения.

Электродвижущая сила

 

 

E = UR0 + URH

URH = E – UR0

URH – напряжение на зажимах источника. Измеряется при замкнутой внешней цепи.

Е – ЭДС – измеряется на заводе изготовителе.

Электродвижущая сила (ЭДС) представляет собой физическую величину, которая равна частному от деления той работы, которая при перемещении электрического заряда совершается сторонними силами в условиях замкнутой цепи, к самому этому заряду.

Следует заметить, что электродвижущая сила в источнике тока возникает и при отсутствии самого тока, то есть тогда, когда цепь является разомкнутой. Такую ситуацию принято именовать «холостым ходом», а сама величина ЭДС при ней равняется разнице тех потенциалов, которые имеются на зажимах источника тока.

Химическая электродвижущая сила

Химическая электродвижущая сила наличествует в аккумуляторах, гальванических батареях при протекании коррозионных процессов. В зависимости от того, на каком именно принципе построена работа того или иного источника питания, они именуются либо аккумуляторами, либо гальваническими элементами.

Одной из основных отличительных характеристик гальванических элементов является то, что эти источники тока являются, так сказать, одноразовыми. При их функционировании те активные вещества, благодаря которым выделяется электрическая энергия, в результате протекания химических реакций распадаются практически полностью. Именно поэтому если гальванический элемент разряжен полностью, то в качестве источника тока использовать его далее невозможно.

В отличие от гальванических элементов аккумуляторы предполагают многократное использование.

Это возможно потому, что те химические реакции, которые в них протекают, имеют обратимый характер.

Электромагнитная электродвижущая сила

Электромагнитная ЭДС возникает при функционировании таких устройств, как динамо-машины, электродвигатели, дроссели, трансформаторы и т.п.

Суть ее состоит в следующем: при помещении проводников в магнитное поле и их перемещении в нем таким образом, чтобы происходило пересечение магнитных силовых линий, происходит наведение ЭДС. Если цепь замкнута, то в ней возникает электрический ток.

В физике описанное выше явление называется электромагнитной индукцией.

Электродвижущую силу, которая при этом индуктируется, именуют ЭДС индукции.

Следует заметить, что наведение ЭДС индукции происходит не только в тех случаях, когда в магнитном поле проводник перемещается, но и тогда, когда он остается неподвижным, но при этом осуществляется изменение величины самого магнитного поля.

Фотоэлектрическая электродвижущая сила

Эта разновидность электродвижущей силы возникает тогда, когда наличествует или внешний, или внутренний фотоэффект.

В физике под фотоэффектом (фотоэлектрическим эффектом) подразумевается та группа явлений, которая возникает тогда, когда на вещество воздействует свет, и при этом в нем происходит эмиссия электронов. Это называют внешним фотоэффектом. Если же при этом появляется

электродвижущая сила или изменяется электропроводимость вещества, то говорят о внутреннем фотоэффекте.

Сейчас и внешний, и внутренний фотоэффекты очень широко используются для проектирования и производства огромного количества таких приемников светового излучения, которые преобразуют световые сигналы в электрические. Все эти устройства называются фотоэлементами и используются как в технике, так и при проведении разнообразных научных исследований. В частности, именно фотоэлементы используются для того, чтобы производить наиболее объективные оптические измерения.

Электростатическая движущая сила

Что касается этого типа электродвижущей силы, то она, к примеру, возникает при механическом трении, возникающем в электрофорных агрегатах (специальных лабораторных демонстрационных и вспомогательных приборах), она же имеет место быть и в грозовых облаках.

Генераторы Вимшурста (это еще одно название электрофорных машин) для своего функционирования используют такое явление, как электростатическая индукция. При их работе электрические заряды накапливаются на полюсах, в лейденских банках, причем разность потенциалов может достигать очень солидных величин (до нескольких сотен тысяч вольт).

Природа статического электричества заключается в том, что оно возникает тогда, когда из-за потери или приобретения электронов нарушается внутримолекулярное или внутриатомное равновесие.

Пьезоэлектрическая электродвижущая сила

Эта разновидность электродвижущей силы возникает тогда, когда происходит или сдавливание, или растяжение веществ, называемых пьезоэлектриками. Они широко используются в таких конструкциях, как пьезодатчики, кварцевых генераторах, гидрофонах и некоторых другиех.

Именно пьезоэлектрический эффект положен в основу работы пьезоэлектрических датчиков. Сами они относятся к датчикам так называемого генераторного типа. В них входной величиной является прилагаемая сила, а выходной – количество электричества.

Что касается таких устройств, как гидрофоны, то в основу их функционирования заложен принцип так называемого прямого пьезоэлектрического эффекта, который имеют пьезокерамические материалы. Суть его состоит в том, что если на поверхность этих материалов оказывается звуковое давление, то на их электродах возникает разность потенциалов. При этом она пропорциональна величине звукового давления.

Одной из основных сфер применения пьезоэлектрических материалов является производство кварцевых генераторов, имеющих в своей конструкции кварцевые резонаторы. Предназначены такие устройства для того, чтобы получать колебания строго фиксированной частоты, которые стабильны как по времени, так и при изменении температуры, а также имеют совсем невысокий уровень фазовых шумов.

Термоионная электродвижущая сила

Эта разновидность электродвижущей силы возникает тогда, когда с поверхности разогретых электродов происходит термоэмиссия заряженных частиц. Термоионная эмиссия на практике применяется достаточно широко, например, на ней основана работа практически всех радиоламп.

Термоэлектрическая электродвижущая сила

Эта разновидность ЭДС возникает тогда, когда на различных концах разнородных проводников или же просто на различных участках цепи температура распределяется очень неоднородно.

Термоэлектрическая электродвижущая сила используется в таких устройствах, как пирометры, термопары и холодильные машины. Датчики, работа которых основана на этом явлении, называются термоэлектрическими, и являются, по сути дела, термопарами, состоящими из спаянных между собой электродов, изготовленных из разных металлов. Когда эти элементы или нагреваются, или охлаждаются, между ними возникает ЭДС, которая по своей величине пропорциональна изменению температуры.

Электродвижущая сила (ЭДС): формула расчета и определение

Сейчас ЭДС и напряжение, воспринимается многими в качестве идентичных понятий, у которых, если и предусмотрены некоторые отличительные особенности, то они являются столь незначительными, что вряд ли заслуживают вашего к себе внимания.

С одной стороны, такое положение дел имеет место быть, ведь те аспекты, которые отличают между собой два этих понятия являются столь незначительными, что заметить их вряд ли удастся даже более-менее опытным пользователям. Тем не менее, таковые все же предусмотрены и говорить о том, что ЭДС и напряжение являются совершенно одинаковыми — тоже нельзя.

Что такое ЭДС: объяснение простыми словами

Под ЭДС понимается удельная работа сторонних сил по перемещению единичного заряда в контуре электрической цепи. Это понятие в электричестве предполагает множество физических толкований, относящихся к различным областям технических знаний. В электротехнике — это удельная работа сторонних сил, появляющаяся в индуктивных обмотках при наведении в них переменного поля. В химии она означает разность потенциалов, возникающее при электролизе, а также при реакциях, сопровождающихся разделением электрических зарядов.

Что такое фоторезистор.

Читать далее

Маркировка SMD транзисторов.

Читать далее

Как сделать датчик движения своими руками.

Читать далее

В физике она соответствует электродвижущей силе, создаваемой на концах электрической термопары, например. Чтобы объяснить суть ЭДС простыми словами – потребуется рассмотреть каждый из вариантов ее трактовки. Прежде чем перейти к основной части статьи отметим, что ЭДС и напряжение очень близкие по смыслу понятия, но всё же несколько отличаются. Если сказать кратко, то ЭДС — на источнике питания без нагрузки, а когда к нему подключают нагрузку — это уже напряжение. Потому что количество вольт на ИП под нагрузкой почти всегда несколько меньше, чем без неё. Это связано с наличием внутреннего сопротивления таких источников питания, как трансформаторы и гальванические элементы.

Дополнительный материал по теме: Простыми словами о преобразователях напряжения.

Электродвижущая сила (эдс), физическая величина, характеризующая действие сторонних (непотенциальных) сил в источниках постоянного или переменного тока; в замкнутом проводящем контуре равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль контура. Если через Eстр обозначить напряжённость поля сторонних сил, то эдс в замкнутом контуре (L) равна , где dl — элемент длины контура. Потенциальные силы электростатического (или стационарного) поля не могут поддерживать постоянный ток в цепи, т. к. работа этих сил на замкнутом пути равна нулю. Прохождение же тока по проводникам сопровождается выделением энергии — нагреванием проводников.

Сторонние силы приводят в движение заряженные частицы внутри источников тока: генераторов, гальванических элементов, аккумуляторов и т. д. Происхождение сторонних сил может быть различным. В генераторах сторонние силы — это силы со стороны вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля со временем, или Лоренца сила, действующая со стороны магнитного поля на электроны в движущемся проводнике; в гальванических элементах и аккумуляторах — это химические силы и т. д. Эдс определяет силу тока в цепи при заданном её сопротивлении (см. Ома закон). Измеряется эдс, как и напряжение, в вольтах.

Что такое ЭДС.

Так в чем же отличие

Для лучшего понимания, в чем состоит разница электродвижущей силы от напряжения, рассмотрим пример. Имеется источник электрической энергии бесконечной мощности, в котором отсутствует внутреннее сопротивление. В электрической цепи смонтирована нагрузка. В этом случае будет справедливо утверждение, что ЭДС и напряжение тождественно равны, т.е между этими понятиями отсутствует разница.

Однако, это идеальные условия, которые в реальной жизни не встречаются. Эти условия используют исключительно при расчетах. В реальной жизни учитывается внутреннее сопротивление источника питания. В этом случае ЭДС и напряжение имеют отличия.

На рисунке представлено, какая разница будет в значениях электродвижущей силы и напряжении в реальных условиях. Вышеприведенная формула закона Ома для полной цепи описывает все процессы. При разомкнутой цепи на клеммах батарейки будет значение 1,5 Вольта. Это значение ЭДС. Подключив нагрузку, в данном случае это лампочка, на ней будет напряжение 1 вольт.

Разница от идеального источника заключается в наличии внутреннего сопротивления источника питания. На этом сопротивлении и происходит падение напряжения. Эти процессы описывает закон Ома для полной цепи.

Если измерительный прибор на зажимах источника электроэнергии показывает значение 1,5 Вольта, это будет электродвижущая сила, но повторим, при условии отсутствия нагрузки.

Природа ЭДС

Причина возникновения ЭДС в разных источниках тока разная. По природе возникновения различают следующие типы:

• Химическая ЭДС. Возникает в батарейках и аккумуляторах вследствие химических реакций.
• Термо ЭДС. Возникает, когда находящиеся при разных температурах контакты разнородных проводников соединены.
• ЭДС индукции. Возникает в генераторе при помещении вращающегося проводника в магнитное поле. ЭДС будет наводиться в проводнике, когда проводник пересекает силовые линии постоянного магнитного поля или когда магнитное поле изменяется по величине.
• Фотоэлектрическая ЭДС. Возникновению этой ЭДС способствует явление внешнего или внутреннего фотоэффекта.
• Пьезоэлектрическая ЭДС. ЭДС возникает при растяжении или сдавливании веществ.

Будет интересно➡ Что такое плотность тока?

Электромагнитная индукция (самоиндукция)

Начнем с электромагнитной индукции. Это явление описывает закон электромагнитной индукции Фарадея. Физический смысл этого явления состоит в способности электромагнитного поля наводить ЭДС в находящемся рядом проводнике. При этом или поле должно изменяться, например, по величине и направлению векторов, или перемещаться относительно проводника, или должен двигаться проводник относительно этого поля. На концах проводника в этом случае возникает разность потенциалов.

Опыт демонстрирует появление ЭДС в катушке при воздействии изменяющегося магнитного поля постоянного магнита. Есть и другое похожее по смыслу явление — взаимоиндукция. Оно заключается в том, что изменение направления и силы тока одной катушки индуцирует ЭДС на выводах расположенной рядом катушки, широко применяется в различных областях техники, включая электрику и электронику. Оно лежит в основе работы трансформаторов, где магнитный поток одной обмотки наводит ток и напряжение во второй.

Что такое самоиндукция.

В электрике физический эффект под названием ЭДС используется при изготовлении специальных преобразователей переменного тока, обеспечивающих получение нужных значений действующих величин (тока и напряжения). Благодаря явлениям индукции и самоиндукции инженерам удалось разработать множество электротехнических устройств: от обычной катушки индуктивности (дросселя) и вплоть до трансформатора. Понятие взаимоиндукции касается только переменного тока, при протекании которого в контуре или проводнике меняется магнитный поток.

Таблица параметров электродвижущей силы индукции.

От электростатики к электрокинетике

Между концом XVIII и началом XIX века работы таких учёных, как Кулон, Лагранж и Пуассон, заложили математические основы определения электростатических величин. Прогресс в понимании электричества на этом историческом этапе очевиден. Франклин уже ввёл понятие «количество электрической субстанции», но пока ещё и он, ни его преемники не смогли его измерить.

Следуя за экспериментами Гальвани, Вольта пытался найти подтверждения того, что «гальванические жидкости» животного были одной природы со статическим электричеством. В поисках истины он обнаружил, что когда два электрода из разных металлов контактируют через электролит, оба заряжаются и остаются заряженными несмотря на замыкание контура нагрузкой. Это явление не соответствовало существующим представлениям об электричестве потому, что электростатические заряды в подобном случае должны были рекомбинировать.

Вольта ввёл новое определение силы, действующей в направлении разделения зарядов и поддержании их в таком состоянии. Он назвал её электродвижущей. Подобное объяснение описания работы батареи не вписывалось в теоретические основы физики того времени. В Кулоновской парадигме первой трети XIX века э. д. с. Вольта определялась способностью одних тел вырабатывать электричество в других.

Важнейший вклад в объяснение работы электрических цепей внёс Ом. Результаты ряда экспериментов привели его к построению теории электропроводности. Он ввёл величину «напряжение» и определил её как разность потенциалов на контактах. Подобно Фурье, который в своей теории различал количество тепла и температуру в теплопередаче, Ом создал модель по аналогии, связывающую количество перемещаемого заряда, напряжение и электропроводность. Закон Ома не противоречил накопленным знаниям об электростатическом электричестве.

Затем, благодаря Максвеллу и Фарадею, пояснительные модели тока получили новую теорию поля. Это позволило разработать связанную с полем концепцию энергии как для статических потенциалов, так и для электродвижущей силы. Основные даты эволюции понятия ЭДС:

• 1800 г. — создание Вольтой гальванической батареи;
• 1826 г. — Ом формулирует свой закон для полной цепи;
• 1831 г. — обнаружение электромагнитной индукции Фарадеем.

ЭДС в быту и единицы измерения

Другие примеры встречаются в практической жизни любого рядового человека. Под эту категорию попадают такие привычные вещи, как малогабаритные батарейки, а также другие миниатюрные элементы питания. В этом случае рабочая ЭДС формируется за счет химических процессов, протекающих внутри источников постоянного напряжения. Когда оно возникает на клеммах (полюсах) батареи вследствие внутренних изменений – элемент полностью готов к работе. Со временем величина ЭДС несколько снижается, а внутреннее сопротивление заметно возрастает.

В результате если вы измеряете напряжение на не подключенной ни к чему пальчиковой батарейке вы видите нормальные для неё 1.5В (или около того), но когда к батарейке подключается нагрузка, допустим, вы установили её в какой-то прибор — он не работает. Почему? Потому что если предположить, что у вольтметра внутреннее сопротивление во много раз выше, чем внутреннее сопротивлении батарейки — то вы измеряли её ЭДС. Когда батарейка начала отдавать ток в нагрузке на её выводах стало не 1.5В, а, допустим, 1.2В — прибору недостаточно ни напряжения, ни тока для нормальной работы.

Расчет ЭДС.

Как раз вот эти 0.3 В и упали на внутреннем сопротивлении гальванического элемента. Если батарейка совсем старая и её электроды разрушены, то на клеммах батареи может не быть вообще никакой электродвижущей силы или напряжения — т.е. ноль. Совсем небольшая по величине электродвижущая сила наводится и в рамках антенны приемника, которая усиливается затем специальными каскадами, и мы получаем наш телевизионный, радио и даже Wi-Fi сигнал.

Материал по теме: Выбираем цифро-аналоговый преобразователь.

Как образуется ЭДС

Идеальный источник ЭДС – генератор, внутреннее сопротивление которого равно нулю, а напряжение на его зажимах не зависит от нагрузки. Мощность идеального источника ЭДС бесконечна. Реальный источник ЭДС, в отличие от идеального, содержит внутреннее сопротивление Ri и его напряжение зависит от нагрузки (рис. 1., б), а мощность источника конечна. Электрическая схема реального генератора ЭДС представляет собой последовательное соединение идеального генератора ЭДС Е и его внутреннего сопротивления Ri.

Будет интересно➡ Как устроен однополупериодный выпрямитель и где применяется

На практике для того чтобы приблизить режим работы реального генератора ЭДС к режиму работы идеального, внутреннее сопротивление реального генератора Ri стараются делать как можно меньше, а сопротивление нагрузки Rн необходимо подключать величиной не менее чем в 10 раз большей величины внутреннего сопротивления генератора, т.е. необходимо выполнять условие: Rн >> Ri

Для того чтобы выходное напряжение реального генератора ЭДС не зависело от нагрузки, его стабилизируют применением специальных электронных схем стабилизации напряжения. Поскольку внутреннее сопротивление реального генератора ЭДС не может быть выполнено бесконечно малым, его минимизируют и выполняют стандартным для возможности согласованного подключения к нему потребителей энергии. В радиотехнике величины стандартного выходного сопротивления генераторов ЭДС составляют 50 Ом (промышленный стандарт) и 75 Ом (бытовой стандарт).

Например, все телевизионные приемники имеют входное сопротивление 75 Ом и подключены к антеннам коаксиальным кабелем именно такого волнового сопротивления. Для приближения к идеальным генераторам ЭДС источники питающего напряжения, используемые во всей промышленной и бытовой радиоэлектронной аппаратуре, выполняют с применением специальных электронных схем стабилизации выходного напряжения, которые позволяют выдерживать практически неизменное выходное напряжение источника питания в заданном диапазоне токов, потребляемых от источника ЭДС (иногда его называют источником напряжения).

На электрических схемах источники ЭДС изображаются так: Е — источник постоянной ЭДС, е(t) – источник гармонической (переменной) ЭДС в форме функции времени. Электродвижущая сила Е батареи последовательно соединенных одинаковых элементов равна электродвижущей силе одного элемента Е, умноженной на число элементов n батареи: Е = nЕ.

Постоянный ток и ЭДС.

Вывод

Из вышесказанного можно сделать вывод, что основная разница между ЭДС и напряжением состоит:

1. Электродвижущая сила зависит от источника питания, а напряжение зависит от подключенной нагрузки и тока, протекающего по цепи.
2. Электродвижущая сила это физическая величина, характеризующая работу сторонних сил неэлектрического происхождения, происходящих в цепях постоянного и переменного тока.
3. Напряжение и ЭДС имеет единую единицу измерения – Вольт.
4. U -величина физическая, равная работе эффективного электрического поля, производимой при переносе единичного пробного заряда из точки А в точку В.

Таким образом, кратко, если представить U в виде столба воды, то ЭДС можно представить что это насос, поддерживающий уровень воды на постоянном уровне. Надеемся, после прочтения статьи Вам стало понятно основное отличие!

Источник



Электродвижущая сила (ЭДС) источника энергии

Для поддержания электрического тока в проводнике требуется внешний источник энергии, создающий все время разность потенциалов между концами этого проводника. Такие источники энергии получили название источников электрической энергии (или источников тока). Источники электрической энергии обладают определенной электродвижущей силой (сокращенно ЭДС), которая создает и длительное время поддерживает разность потенциалов между концами проводника.

Комментарий эксперта

Лагутин Виталий Сергеевич

Инженер по специальности «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем», МИФИ, 2005–2010 гг.

Задать вопрос

Иногда говорят, что ЭДС создает электрический ток в цепи. Нужно помнить об условности такого определения, так как выше мы уже установили, что причина возникновения и существования электрического тока — электрическое поле.

Источник электрической энергии производит определенную работу, перемещая электрические заряды по всей замкнутой цепи. За единицу измерения электродвижущей силы принят вольт (сокращенно вольт обозначается буквой В или V — «вэ» латинское). ЭДС источника электрической энергии равна одному вольту, если при перемещении одного кулона электричества по всей замкнутой, цепи источник электрической энергии совершает работу, равную одному джоулю:

Электродвижущая сила (ЭДС) источника энергии.

В практике для измерения ЭДС используются как более крупные, так и более мелкие единицы, а именно:

• 1 киловольт (кВ, kV), равный 1000 В;
• 1 милливольт (мВ, mV), равный одной тысячной доле вольта (10-3 В),
• 1 микровольт (мкВ, μV), равный одной миллионной доле вольта (10-6 В).

Очевидно, что 1 кВ = 1000 В; 1 В = 1000 мВ = 1 000 000 мкВ; 1 мВ= 1000 мкВ.

В настоящее, время существует несколько видов источников электрической энергии. Впервые в качестве источника электрической энергии была использована гальваническая батарея, состоящая из нескольких цинковых и медных кружков, между которыми была проложена кожа, смоченная в подкисленной воде. В гальванической батарее химическая энергия превращалась в электрическую (подробнее об этом будет рассказано в главе XVI). Свое название гальваническая батарея получила по имени итальянского физиолога Луиджи Гальвани (1737—1798), одного из основателей учения об электричестве.

Многочисленные опыты по усовершенствованию и практическому использованию гальванических батарей были проведены русским ученым Василием Владимировичем Петровым. Еще в начале прошлого века он создал самую большую в мире гальваническую батарею и использовал ее для ряда блестящих опытов. Источники электрической энергии, работающие по принципу преобразования химической энергии в электрическую, называются химическими источниками электрической энергии.

Полезно знать: Как рассчитать мощность электрического тока.

Другим основным источником электрической энергий, получившим широкое применение в электротехнике и радиотехнике, является генератор. В генераторах механическая энергия преобразуется в электрическую. У химических источников электрической энергии и у генераторов электродвижущая сила проявляется одинаково, создавая на зажимах источника разность потенциалов и поддерживая ее длительное время.

Эти зажимы называются полюсами источника электрической энергии. Один полюс источника электрической энергии имеет положительный потенциал (недостаток электронов), обозначается знаком плюс ( + ) и называется положительным полюсом.

Другой полюс имеет отрицательный потенциал (избыток электронов), обозначается знаком минус (—) и называется отрицательным полюсом. От источников электрической энергии электрическая энергия передается по проводам к ее потребителям (электрические лампы, электродвигатели, электрические дуги, электронагревательные приборы и т. д.).

Будет интересно➡ Что такое электромагнитная индукция?

Примеры решения задач

К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго:

ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ	ФОРМУЛЫ
Электродвижущая сила
Сила тока
Сопротивление
Разность потенциалов

Решение: Электродвижущая сила гальванического элемента есть величина, численно равная работе сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда внутри элемента от одного полюса к другому.

Работа сторонних сил не может быть выражена через разность потенциалов, так как сторонние силы непотенциальны и их работа зависит от формы траектории перемещения зарядов.

ЭДС определяется по формуле:

Сила тока определяется по формуле:

Сопротивление определяется по формуле:

Разность потенциалов определяется по формуле:

Правильный ответ:

ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ	ФОРМУЛЫ
Электродвижущая сила
Сила тока
Сопротивление
Разность потенциалов

Часто задаваемые вопросы

Что такое электродвижущая сила?

Это отношение работы сторонних сил при перемещении заряда по замкнутому контуру к абсолютной величине этого заряда.

Что такое электрическая цепь?

Набор устройств, которые соединены проводниками, предназначенный для протекания тока.

Как звучит закон Ома для полной цепи?

Сила тока в полной цепи равна отношению ЭДС цепи к ее полному сопротивлению.

Измерение и расчет ЭДС

Измерение электрических и магнитных полей

Это довольно технический отчет о принципах измерения — для более простой версии см. Предыдущий переключатель.

Первые коммерческие инструменты, разработанные специально для измерения полей промышленной частоты, стали доступны в 1980-х годах. Сейчас доступно множество инструментов, которые различаются по различным характеристикам:

(a) Количество осей обнаружения . Нет датчиков, которые непосредственно оценивают результирующее поле в случайном направлении в пространстве; датчики обычно измеряют поле в одном направлении.Счетчик может иметь один датчик. Если он выровнен пользователем с направлением максимального поля, он будет давать показание максимального поля в одном направлении; общее результирующее поле может быть в 1,0–1,41 раза больше этого значения в зависимости от степени поляризации. Если измеритель имеет три ортогональных датчика, результирующее поле может быть получено из трех значений, измеренных путем сложения корня из суммы квадратов: Результат = (X ² + Y ² + Z ² ) ^{1 / 2} .

Это результирующее значение не зависит от ориентации измерителя, что значительно упрощает его использование.
Подробнее об эллиптически поляризованных полях

(б) Мера поля . Возможны различные измерения синусоидальной волны, например пиковое, выпрямленное среднее, среднеквадратичное (среднеквадратичное). Для одной частоты, то есть чистой синусоидальной волны, их можно масштабировать, чтобы получить тот же результат, но при наличии гармоник они могут значительно отличаться. В отсутствие известного биофизического механизма нет убедительных оснований для утверждения, что какая-то одна мера верна.Однако, по аналогии с другими областями науки об измерениях, существует предположение, что среднеквадратичное значение является предпочтительной мерой. Некоторые измерители фиксируют фактическую форму волны для будущего анализа.

(c) Амплитудно-частотная характеристика . Инструменты могут быть чувствительны к одной частоте, например. 50 Гц или 60 Гц или диапазон частот. Если чувствителен к диапазону частот, отклик может быть плоским или может быть пропорционален частоте. Плоская частотная характеристика между 20 или 30 Гц и несколькими килогерцами обычно считается подходящей для многих измерений общего назначения.

(г) Размер датчиков . Датчики могут быть небольшими — несколько миллиметров — и, следовательно, способны исследовать изменения поля на небольших расстояниях. Однако также могут быть случаи, когда желательно использовать более крупные датчики, которые измеряют среднее поле по своей площади. Вот два различных способа изготовления прибора для измерения магнитного поля:

Датчик слева имеет три катушки, центрированные друг относительно друга. Они имеют воздушную сердцевину и для получения необходимой чувствительности имеют тысячи витков проволоки.Эти примеры имеют размер 10 см кв.

Датчик справа имеет катушки гораздо меньшего размера, чтобы сделать общий измеритель меньшего размера. Для получения чувствительности, несмотря на меньшие размеры, катушки имеют стальные сердечники. Это означает, что они не могут быть сосредоточены на одной и той же точке; они расположены отдельно, под прямым углом друг к другу (две плоские на плате внизу слева, третья, вертикальная, катушка снабжена белой механической опорой внизу справа).

(e) Считывание и регистрация .Счетчики могут иметь аналоговые или цифровые дисплеи. Они могут отображать значение только в реальном времени, или они могут иметь возможность регистрировать значения с различной степенью сложности и вычислять различные параметры поля, такие как средние или максимальные значения.

Учитывая различия в возможностях, предоставляемых счетчиком, неизбежны различия в размере, весе и потреблении батареи. Некоторые счетчики больше всего подходят для детальных обследований специалистами; другие маленькие и достаточно легкие, чтобы их могли носить добровольцы в течение длительного времени.

Не существует «правильного» или «лучшего» измерителя. Выбор лучшего измерителя зависит от цели, для которой он будет использоваться.

Измерение магнитных полей

Для измерения магнитных полей широко используются три различных датчика:

(a) Поисковые катушки . Простейшие измерители измеряют напряжение, наведенное в катушке с проводом. Для синусоидального изменяющегося магнитного поля B с частотой f индуцированное в катушке напряжение V определяется выражением:

V = -2 π f B ₀ A cos (ω t)

, где ω = 2 π f — частота поля, A — площадь петли, а B ₀ — составляющая B, перпендикулярная петле.

Напряжение, индуцированное данным полем, увеличивается с добавлением большего количества витков провода или ферромагнитного сердечника — см. Примеры выше. Чтобы предотвратить помехи от электрических полей, датчик магнитного поля должен быть экранирован. Если измеритель используется для обследований или измерений индивидуального облучения, частоты ниже примерно 30 Гц должны быть отфильтрованы, чтобы удалить напряжения, наведенные в зонде движением измерителя в магнитном поле земли.

(б) Феррозондовые магнитометры .Они обнаруживают магнитное поле по асимметрии, которую оно создает в ферромагнитном материале, сознательно приводимом в магнитное насыщение поочередно в противоположных направлениях с высокой частотой.

(в) Устройства на эффекте Холла . Датчик предназначен для измерения поперечного напряжения Холла на тонкой полоске полупроводникового материала, по которой проходит продольный ток.

В большинстве практических приборов для измерения частот мощности используются поисковые катушки, либо одна катушка, либо три ортогональных катушки.Сами катушки можно сделать как можно меньше с ферромагнитным сердечником для увеличения чувствительности для использования в индивидуальных экспонометрах, где размер и вес являются важными критериями; или они могут быть больше, часто 0,1 м в поперечнике, чтобы повысить чувствительность и обеспечить некоторое пространственное усреднение. Феррозондовые магнитометры нельзя сделать такими маленькими или дешевыми, но они обладают тем преимуществом, что они реагируют на поля постоянного тока так же, как и на переменный ток. Устройства Холла мало используются, так как их разрешение хуже, и они страдают от дрейфа, но используются в более высоких полях.

Измерение электрических полей

Измерители электрических полей обычно используют в качестве датчиков две параллельные токопроводящие пластины. Альтернативные датчики, например основанные на вращении поляризованного света, встречаются реже.

Доступны трехкоординатные измерители электрического поля, но более распространены одноосные измерители. Отчасти это связано с тем, что для электрических полей сложнее сделать трехосные измерители, чем для магнитных полей, а отчасти потому, что в одной общей ситуации измерения, вблизи земли под воздушными линиями электропередач или рядом с ними, электрическое поле линейно поляризовано и в известной направление (вертикальное), поэтому одноосного измерителя вполне достаточно.

Человек, держащий измеритель электрического поля, будет возмущать поле. Для измерения невозмущенного поля измеритель обычно подвешивают на конце длинного непроводящего горизонтального стержня или вертикального штатива. Показания считываются с расстояния на дисплее подходящего размера, записываются в измерителе для последующего анализа или передаются на считывающее устройство по оптоволокну. Это может снизить возмущение до приемлемого уровня. Однако, учитывая легкость возмущения электрических полей, легко сделать ошибочные измерения, особенно когда есть:

• крайних значений температуры и влажности;
• недостаточное расстояние зонда от исследователя;
• нестабильность в положении счетчика;
• потеря токонепроводящих свойств опорного стержня.

Электрические поля также можно измерять в фиксированных точках, например под линиями электропередачи или в лабораторных камерах для экспонирования путем измерения тока, собираемого плоской проводящей пластиной, установленной на уровне земли. Для синусоидальных полей плотность электрического потока может быть рассчитана на основе площади пластины (A), диэлектрической проницаемости вакуума, частоты (f) и измеренного тока, индуцированного в пластине, в приведенном ниже выражении:

E = I _rms / 2πfε ₀ A

Существуют индивидуальные измерители воздействия для электрических полей.Однако ношение измерителя на теле непредсказуемо нарушает измеряемое электрическое поле. Обычно при измерении воздействия электрических полей на большие группы людей измеритель помещается в нарукавную повязку, карман рубашки или сумку на поясе. Возмущение окружающего поля телом не позволяет получить абсолютное значение поля, и, в лучшем случае, среднее значение таких измерений отражает относительный уровень воздействия.

Влияние электромагнитного поля на измерение температуры зарядов с индукционным нагревом

Был проведен многовариантный эксперимент, включающий более 12 измерений, для изучения влияния сильного электромагнитного поля на измерение температуры термопарой.Варианты включали частоту питающего тока, геометрию нагревательного индуктора (рис. 3), материал нагреваемой загрузки, размеры заряда, тип используемой термопары (рис. 4) и мощность, подаваемую в систему. Схема измерительной системы представлена ​​на рис. 5.

Рис. 3

Измерение температуры для вариантов: (а) от P1 до P7, частота 330 кГц и (b) от P8 до P13, частота 50 Гц

Рис. 4

Использование термоэлемента: (а) изолированный и (б) открытый

Фиг.5

Схема измерительной системы

Нагрев осуществляется различными нагревательными индукторами в зависимости от источника питания. Нагревали два разных слитка: алюминиевый цилиндрический слиток высотой 135 мм и диаметром 20 мм и стальной слиток (ферромагнитный) высотой 153 мм и диаметром 24 мм. Температура измерялась на расстоянии 5 мм от стенки в верхней части слитка. Для исследования влияния электромагнитного поля на полученные результаты измерений использовалась следующая методика: заряд нагревали в течение 10 с (измерение в ЭМ поле), а затем отключили источник питания на 5 с (измерение без ЭМ поле).Полный цикл измерения составлял 120 с. Температура регистрировалась каждую секунду и записывалась в файл. Результаты эксперимента приведены в таблице 1.

Таблица 1 Результаты вариантов для частот 330 кГц и 50 Гц

Температурные зависимости нагретой стальной шихты от времени нагрева для изолированных и открытых термопар представлены на рис. 6. После выключения источника электромагнитного поля температуры, измеренные двумя типами термопар, были достаточно близкими ( в диапазоне времени от 10 до 15 с, от 25 до 30 с, от 40 до 45 с, от 55 до 60 с, от 70 до 75 с, от 85 до 90 с, а также от 100 до 105 с) .В каждый момент выключения источника наблюдалось снижение температуры, измеряемой открытой термопарой. Это было связано с наведенными электромагнитными помехами в термоэлементе. В изолированной термопаре такого эффекта не было. Его экран был сделан из немагнитной стали, которая экранировала электромагнитное поле, но тепло генерировалось в основном в ферромагнитном заряде.

Рис.6

Измерение температуры для вариантов P1 и P2 (частота 330 кГц)

Значения температуры, измеренные для варианта P3, представлены на рис.7. Можно ясно видеть, что помехи, которые были вызваны в этом случае в открытой термопаре, значительно высоки. Значение напряжения на преобразователе термопары превышает диапазон измерения преобразователя, подключенного к термоэлементу. Правильные значения можно наблюдать только при выключенном электромагнитном поле (рис. 8 вариант P3).

Рис.7

Измерение температуры для варианта P3 (частота 330 кГц)

Фиг.8

Измерение температуры для варианта P3 (без EM) и варианта P4 (частота 330 кГц)

При нагревании алюминиевой шихты нагревается и экран термопары (вариант P4, рис. 8). Экран был изготовлен из немагнитной стали, поэтому в электромагнитном поле он нагревается более интенсивно, чем алюминиевый цилиндр, расположенный в нагревательном индукторе. Наблюдаемая температура, которая была зарегистрирована изолированной термопарой, была результатом тепла, выделяемого в процессе нагрева экрана термопары и алюминиевого заряда.Она была значительно выше температуры, зарегистрированной открытой термопарой (когда во время измерения не было электромагнитного поля), и можно предположить, что эта температура является эталонной. Температуры, зарегистрированные для вариантов P3 и P4, представлены на рис. 8. Температуры для варианта P3, показанные на рис. 8, — это только те, которые были измерены, когда электромагнитное поле не было активным.

Данные, представленные на рис. 9, показали, что электромагнитное поле с частотой 330 кГц нагревает термоэлементы, которые использовались в эксперименте.\ circ} \ text {C} \) при активном электромагнитном поле (рис. 9, деталь B).

Рис.9

Измерение температуры для вариантов P5 и P6 (частота 330 кГц)

Подводя итог измерениям, которые проводились для индукционного нагрева на частоте 330 кГц, можно констатировать, что в рассматриваемой системе измерения всегда были ошибки. Было две проблемы:

• нагрев термоэлемента или его экрана (как открытых, так и изолированных термопар),

• индукция электромагнитных помех (открытая термопара).

К сожалению, глубина проникновения электромагнитного поля (уравнение 3) на частоте 330 кГц составляет 0,75 мм для немагнитной стали, 0,74 мм для сплава NiCr и 0,48 мм для Alumel. Таким образом, для элементов сравнимой толщины и большей глубины проникновения электромагнитного поля неизбежен процесс нагрева термоэлемента в результате действия электромагнитного поля.

Единственно приемлемые точные результаты были получены при измерении температуры ферромагнитного заряда с использованием изолированной термопары.Ферромагнитный заряд экранировал клемму термоэлемента и, в то же время, нагревался за счет действия электромагнитного поля намного сильнее, чем сам термоэлемент. Здесь следует отметить, что температура во время эксперимента не превышала температуру Кюри.

В части эксперимента, проведенной для частоты 50 Гц, нагрев экрана термопары и проводов термопары в результате действия электромагнитного поля не происходил.Для этой частоты глубина проникновения электромагнитного поля составляла 60 мм для немагнитной стали, 59 мм для сплава NiCr и 38 мм для алюмеля. Он был во много раз больше толщины экрана термопары или толщины ее проводов. Это хорошо видно на рис. 10 и 11, на которых представлены записи температуры, когда в индуктор нагрева помещена только термопара. Температура действительно была постоянной. Небольшое повышение температуры, вероятно, было связано с нагревом термоэлемента, вызванным теплоизоляцией нагревательного индуктора (в более ранних экспериментах теплоизоляция была нагрета примерно до \ (35 \, {^ \ circ} \ text {C} \) ).

Рис.10

Измерение температуры для варианта P7 (частота 50 Гц)

Рис.11

Измерение температуры для варианта P8 (частота 50 Гц)

Наведенные электромагнитные помехи все еще остаются нерешенной проблемой, независимо от частоты. Большинство преобразователей имеют фильтры для частоты источника питания, которые устраняют помехи с частотой 50 Гц или 60 Гц. Проблема устранения помех, вероятно, реализуется изменением постоянной времени интегрирования аналого-цифрового преобразователя, где для обработки используется метод двойного интегрирования.Результаты измерений, выполненных с изолированной термопарой и открытой термопарой с использованием надлежащей фильтрации сетевых помех, представлены на рис. 12 и 13. Имеется высокая сходимость полученных результатов (варианты P9 и P11). Они показывают правильную и неправильную фильтрацию помех частоты источника питания. Когда помехи частот источника питания были отфильтрованы неправильно, тогда показания измерительной системы были ненадежными, независимо от того, какой тип термопары (открытый или изолированный) использовался.

Рис.12

Измерение температуры для вариантов P9 и P10 (частота 50 Гц)

Рис.13

Измерение температуры для вариантов P11 и P12 (частота 50 Гц)

Принципиальная схема экспериментальной установки для измерения наведенных …

В устройствах связи и связи, силовом оборудовании, терминалах релейной защиты и автоматики, в электроэнергетике «умных» городов и домов, в промышленности, в На железнодорожном транспорте начинают использоваться микропроцессорные устройства релейной защиты и автоматики, установки распределенной генерации, включая возобновляемые источники энергии, и накопители электроэнергии, а также «интеллектуальные» автоматизированные информационно-измерительные системы.В них широко используются бесконтактные преобразователи постоянного и переменного токов систем управления и контроля. К их недостаткам можно отнести узкий диапазон регулируемых токов, большие габариты и вес. Поэтому важно их устранить. В статье рассмотрены общие принципы построения бесконтактных преобразователей больших постоянных токов, основные требования к ним, а также показаны результаты разработки одного из предложенных нами вариантов — универсальных бесконтактных магнитомодуляционных преобразователей больших постоянных токов с постоянным током. расширенный ассортимент для различных систем управления и контроля.От известных они отличаются расширенным диапазоном регулирования при малых габаритах и ​​весе, повышенной точностью и чувствительностью. Преобразователь имеет простую и технологичную конструкцию с низким материалоемкостью и стоимостью, и может бесконтактно управлять большими постоянными и переменными токами. В статье рассматриваются погрешности от внешних магнитных полей универсальных бесконтактных преобразователей систем управления и контроля. Показано, что погрешность от внешнего магнитного поля не превышает 0.08%, если количество секций измерительной обмотки ровное и при их симметричном расположении, а при их даже увеличении — погрешность уменьшается. Вместе с тем, разработанные бесконтактные преобразователи могут найти широкое применение в промышленности, металлургии, на железнодорожном транспорте, в сельском, водном и сельском хозяйстве, а также в электроэнергетике «умных» городов и домов и для проверки электросчетчиков на местах. их установки.

Лаборатория 6. Эксперименты.

Советы.

В этой лаборатории вы будете измерять наведенную ЭДС.Вы обнаружите, что ЭДС индуцируется не только в цепях, в которых вы собираетесь ее измерять, но также и в соединительных проводах и т. Д. Чтобы избежать запутанных сигналов, исходящих от наведенной ЭДС в соединительных проводах, укладывайте их близко друг к другу и / или соединяйте вместе, чтобы избежать нежелательной наведенной ЭДС. . Избегайте создания непреднамеренных петель, которые могут вызвать ЭДС от движущихся магнитов.

Эксперимент 1: Электрогенератор.

Рисунок E.1 В этом эксперименте вы построите примитивный электрический генератор, используя детали, которые вы сделали для лабораторной работы 5: катушку и опоры оси.Базовая установка такая же, как и для электродвигателя в Лаборатории 5 (см. Рисунок E.1): катушка из n = 3,5 витка изолированного провода подвешена между двумя проводящими осевыми опорами, сделанными из зачищенного провода, и закреплена на макетной плате. Катушка может свободно вращаться вокруг своей оси. Магнит (черный или синий) помещается на макетную плату под катушкой таким образом, что при вращении катушки он приближается к магниту, не касаясь его. В отличие от Лаборатории 5, мы не будем собирать никаких дополнительных схем в этом эксперименте — батарея и резисторы не нужны.Подключите опоры оси к разъему High Gain устройства iOLab. Ударьте по катушке так, чтобы она повернулась на несколько оборотов. Наблюдайте за пиками наведенной ЭДС.

Мы не будем проводить количественные измерения и вычисления в этом эксперименте. Просто качественные наблюдения. Ответьте на следующие вопросы:

1. Каково положение катушки при возникновении пиков наведенной ЭДС (катушка горизонтальная, вертикальная или промежуточная)? Почему?
2. Один конец катушки наполовину зачищен.Это была конструкция, которая нам нужна для работы двигателя. Для генератора это не нужно. Объясните, как это периодическое прерывание контакта между катушкой и опорой оси влияет на наведенный сигнал ЭДС, который вы наблюдаете. Как бы выглядел этот сигнал, если бы оба конца катушки были зачищены?
3. Imaging: вы зачищаете оба конца катушки, отсоединяете устройство iOLab и закорачиваете опоры оси. Вы пинаете катушку так, чтобы она сделала несколько витков. Затем вы удаляете магнит и снова даете катушке идентичных ударов (я не прошу вас проводить этот эксперимент, поскольку невозможно произвести два одинаковых удара).Будет ли катушка дольше вращаться с магнитом или без него? Объяснять.

Обратите внимание: это очень простая модель настоящего электрогенератора. Коммерческие генераторы намного сложнее, но они используют тот же принцип, что и наша простая модель.

Эксперимент 2: Поток магнитного поля.

В этом эксперименте вы будете измерять поток через круговую петлю магнитного поля небольшого магнита, расположенного в центре петли (см. Рисунок М.1). Затем вы будете использовать измеренный поток для определения магнитного дипольного момента магнита.

Рисунок E.2

1. Используйте длинный кусок синего провода из комплекта поставки, чтобы сделать круговую петлю с радиусом 4 или 5 витков. Измерьте диаметр (и, следовательно, радиус) петли с помощью линейки. Используйте предоставленные более короткие отрезки белой проволоки и скотч, чтобы закрепить петлю на длинной пластиковой трубке так, чтобы трубка проходила через центр петли перпендикулярно плоскости петли, как показано на рисунке E.2. Петля должна находиться в середине пластиковой трубки.


2. Закрепите трубку с прикрепленной петлей на краю стола скотчем так, чтобы примерно половина трубки (включая петлю) выходила за пределы стола.

Рисунок E.3
3. Подключите терминалы с высоким коэффициентом усиления (G + и G-) iOLab к петле через макетную плату. Фотография экспериментальной установки представлена ​​на рисунке Е.3. Активируйте датчик высокого усиления в программном обеспечении iOLab.


4. Вставьте синий магнит в трубку и поместите за ним деревянный стержень.


5. Перемещайте магнит через трубку примерно с постоянной скоростью. Наблюдайте за ЭДС, индуцированной в контуре. Повторите этот эксперимент не менее 5 раз.


6. Теперь мы проанализируем наши данные, используя Модель 1. В вашем сигнале ЭДС время (когда магнит проходит через центр петли) — это время, когда кривая ЭДС пересекает ноль. Используйте статистический инструмент в программном обеспечении iOLab для интеграции из некоторого (достаточно отдаленного) времени в. (см. Модель 1) равно значению этого интеграла, деленному на количество витков в вашем контуре.Точно так же проинтегрируйте от до некоторого (достаточно отдаленного) времени и разделите полученный интеграл на количество оборотов, чтобы получить. Для расчета используйте (M.5). Выполните расчет для всех экспериментальных прогонов, введите данные для в электронную таблицу и вычислите среднее значение и стандартное отклонение для ряда данных.


7. Используйте (M.1), чтобы выразить магнитный момент через, и. Используйте полученное выражение, радиус петли и среднее значение для вычисления. Включите в отчет снимок экрана одного из ваших измерений магнитного потока.Покажите свои расчеты для одного экспериментального прогона.


8. Теперь мы вычислим неопределенность нашего расчета магнитного момента. Измерение диаметра вашей петли несет в себе неопределенность — около. Следовательно, погрешность измерения радиуса составляет. Неопределенность вашего измерения — это стандартное отклонение вашего ряда данных. Ваше выражение для includes product. Как рассчитать неопределенность магнитного момента? Мы объединяем относительных неопределенностей (см. Https: // www.nde-ed.org/GeneralResources/Uncertainty/Combined.htm, где приведены общие правила объединения / распространения неопределенностей в расчетах). Для двух измеряемых величин

   и их продукт:

   где и

   (E. 1)

   Следовательно, для неопределенности магнитного момента имеем:

   (E.2)



9. Включите расчетное значение магнитного момента синего магнита и его погрешность, как в вашем отчете. Сравните с соответствующими значениями, полученными в лабораторной работе 5. Есть ли у вас хорошее согласие между значениями, полученными с помощью различных методов?


10. Теперь проанализируйте свои экспериментальные данные с помощью теоретической модели 2. Для каждого экспериментального запуска используйте инструмент статистики для измерения,, (см. Рисунок M.6). Рассчитайте магнитный момент, используя выражение, полученное вами для этой модели. Совет: теоретическая модель была разработана для петли с одним витком. Когда вы подставляете измеренную амплитуду ЭДС в формулу, не забудьте разделить ее на количество витков в вашей петле.

    Покажите в отчете расчеты магнитного момента для одного экспериментального прогона, включите снимок экрана с результатами измерения,,.

    Рассчитайте среднее значение, полученное с помощью Модели 2. Вам не нужно рассчитывать погрешность в этой части. Сравните ваш средний магнитный момент, полученный с помощью Модели 2, с тем, который вы рассчитали с помощью измерения (Модель 1).Есть ли у вас хорошее согласие между результатами этих двух моделей?


11. Повторите этот эксперимент с черным магнитом — рассчитайте его магнитный момент и его неопределенность с помощью модели 1. Включите в свой отчет и сравните с соответствующими значениями, полученными в лаборатории 5.

Эксперимент 3: трубка со смещением от центра.

Рисунок E.4 В этом эксперименте вы будете измерять поток магнитного поля через круговую петлю из-за синего магнита, расположенного в плоскости петли, но не в ее центре.Для этого вы отрегулируете свою экспериментальную установку так, чтобы ваша трубка проходила по контуру вне центра (см. Рисунки E.4, E.5), а затем выполните ту же процедуру, что и части 5 и 6 эксперимента 2 — интегрируйте наведенную ЭДС. сигнал, чтобы найти. В вашем отчете:

1. Сравните полученное значение с соответствующим значением, которое вы измерили для этого магнита, движущегося через центр петли в эксперименте 2. Дайте качественное (без формул) объяснение.

Рисунок E.5
2. Используется ли Модель 1 в этом эксперименте для получения достоверной информации для магнита, движущегося вдоль линии, которая не является осью симметрии петли? Объяснять.

Эксперимент 4: Зарядный насос.

Рисунок E.6

В этом эксперименте мы построим простой насос заряда, который позволит нам использовать одну батарею AA с напряжением 1,5 В для зарядки конденсатора до напряжения, превышающего напряжение батареи, например 3 В.

Схема, которую мы будем использовать для нашего зарядного насоса, показана на рисунке E.6 (батарея и катушка имеют небольшие сопротивления, не показанные на схеме).Вначале при разомкнутом переключателе S ток течет к конденсатору, пока он не будет полностью заряжен, и в этот момент ток прекращается.

Рисунок E.7

Теперь вы включаете переключатель S (см. Рисунок E.7). Ток в катушке индуктивности восстанавливается очень быстро, поскольку индуктивность катушки очень мала, а постоянная времени для результирующего контура RL очень мала. Теперь диод и конденсатор закорочены, но конденсатор не разряжается, потому что диод не пропускает ток в противоположном направлении.По сути, диод работает как односторонний направленный клапан в нашем зарядном насосе, позволяя току течь только по часовой стрелке в нашей цепи.

Рисунок E.8

Теперь, когда ток в катушке индуктивности установлен, мы снова размыкаем переключатель (Рисунок E.8). Это приводит к резкому изменению схемы, поскольку теперь она снова включает в себя конденсатор с определенным напряжением на нем. Резкое уменьшение тока приводит к индуцированному напряжению на катушке индуктивности.

Направление наведенной ЭДС в катушке индуктивности такое, чтобы противодействовать уменьшению тока — то же самое, что и направление ЭДС батареи.Таким образом, эти две эдс складываются вместе, и для короткого случая мы объединили ЭДС в цепи, которая превышает таковую у конденсатора. Это приводит к короткому импульсу тока на конденсатор, то есть к конденсатору доставляется дополнительный заряд, увеличивая его напряжение. Сила тока быстро спадает, но мы можем повторить этот процесс несколько раз, замыкая и размыкая выключатель. Каждый раз конденсатор получает дополнительный заряд, увеличивая его напряжение (см. Рисунок E.9).

1. Постройте катушку.Оберните длинную синюю проволоку вокруг ручки примерно 15 раз. Это первый слой. Осторожно сделайте еще 3 или 4 слоя поверх первого, пока не израсходуете всю проволоку, кроме нескольких сантиметров на обоих концах. Закрепите его скотчем.

Рисунок E.9 Напряжение на конденсаторе. При повторном размыкании переключателя S на конденсатор подается дополнительный заряд, что приводит к увеличению напряжения на нем.
2. Соберите схему, показанную на рисунке E.6, с конденсатором емкостью 47 мкФ. При сборке схемы обратите внимание на полярность как конденсатора, так и диода.Более длинные выводы конденсатора и диода должны быть подключены к более высокому потенциалу, чем более короткие выводы. Включите переключатель с помощью соединительного провода, один конец которого подсоединен к отрицательной клемме аккумулятора, а другим концом можно коснуться клеммы катушки.


3. Подключите клемму A1 устройства iOlab, чтобы он измерял напряжение на конденсаторе. Сначала вы видите, что напряжение на конденсаторе медленно увеличивается. Замкните выключатель (т.е.е. прикоснитесь к соответствующей клемме катушки проводом, подключенным к отрицательной клемме аккумулятора). В катушке должен установиться относительно большой ток. Снова откройте переключатель и наблюдайте скачок напряжения на конденсаторе, пока светодиод мигает (показывая, что напряжение на нем превышает 2,2 В, прямое напряжение на этом светодиодах). Повторяйте замыкание и повторное размыкание переключателя, пока не зарядите конденсатор до 3 В.


4. Ваш отчет должен содержать скриншот ступенчатого увеличения напряжения на конденсаторе 47 мкФ (от 0 до 3 В).Повторите тот же эксперимент с конденсатором емкостью 470 мкФ. Сравните эксперименты с этими двумя конденсаторами и объясните различия.

Антропогенные электромагнитные поля (ЭМП) влияют на поведение донных морских видов

1.

Gill, AB, Gloyne-Philips, I., Kimber, J. & Sigray, P. Морские возобновляемые источники энергии, электромагнитные (EM) поля и животные, чувствительные к электромагнитным помехам в Marine Renewable Energy Technology and Environment Interactions (eds.Марк А. Шилдс и Эндрю И. Л. Пейн) 61–79 (Springer, Нидерланды, 2014).

2.

Бедор, К. Н. и Каджиура, С. М. Биоэлектрические поля морских организмов: вклад напряжения и частоты в обнаруживаемость электрорецептивных хищников. Физиологическая и биохимическая зоология 86 , 298–311, https://doi.org/10.1086/669973 (2013).

Артикул PubMed Google ученый

3.

Бейкер, К.В. Х., Модрелл, М. С. и Гиллис, Дж. А. Эволюция и развитие электрорецепторов боковой линии позвоночных. Журнал экспериментальной биологии 216 , 2515–2522, https://doi.org/10.1242/jeb.082362 (2013).

Артикул PubMed PubMed Central Google ученый

4.

Нордманн, Г. К., Хохстогер, Т. и Кейс, Д. А. Магниторецепция — ощущение без рецептора. PLOS Biology 15 , e2003234, https: // doi.org / 10.1371 / journal.pbio.2003234 (2017).

CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый

5.

Ломанн, К. Дж., Ломанн, К. М. Ф. и Эндрес, К. С. Сенсорная экология океанской навигации. Журнал экспериментальной биологии 211 , 1719–1728, https://doi.org/10.1242/jeb.015792 (2008).

Артикул PubMed Google ученый

6.

Трикас, Т. К. и Синсерос, Дж. А. Экологические функции и адаптация электросенса эластожаберных в Чувства рыбы (ред. Г. Эмде, Могданс, Дж., Капур, Б. Г.) (Springer, Dordrecht, 2004).

7.

Андерсон, Дж. М., Клегг, Т. М., Верас, Л. В. М. В. К. и Холланд, К. Н. Понимание восприятия магнитного поля акул на основе эмпирических наблюдений. Scientific Reports 7 , 11042, https://doi.org/10.1038/s41598-017-11459-8 (2017).

ADS CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый

8.

Рэдфорд, А. Н., Керридж, Э. и Симпсон, С. Д. Акустическая коммуникация в шумном мире: может ли рыба конкурировать с антропогенным шумом? Поведенческая экология 25 , 1022–1030, https://doi.org/10.1093/beheco/aru029 (2014).

Артикул Google ученый

9.

Симпсон, С. Д. и др. . Антропогенный шум увеличивает смертность рыб от хищников. Nature Communications 7 , 10544, https://doi.org/10.1038/ncomms10544 (2016).

ADS CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый

10.

Магнхаген, К., Йоханссон, К. и Сигрей, П. Влияние шума моторной лодки на кормодобывающее поведение евразийских окуня и плотвы: полевой эксперимент. Marine Ecology Progress Series 564 , 115–125 (2017).

ADS Статья Google ученый

11.

Доулинг, Дж. Л., Лютер, Д. А. и Марра, П. П. Сравнительное влияние городского развития и антропогенного шума на песни птиц. Поведенческая экология 23 , 201–209, https://doi.org/10.1093/beheco/arr176 (2011).

Артикул Google ученый

12.

Каорси, В. З., Оба, К., Чехин, С., Антунес, Р., Борхес-Мартинс, М. Влияние дорожного шума на кричащее поведение двух неотропических гилидных лягушек. PLoS One 12 , e0183342, https://doi.org/10.1371/journal.pone.0183342 (2017).

CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый

13.

Longcore, T. & Rich, C. Экологическое световое загрязнение. Границы экологии и окружающей среды 2 , 191–198, https: // doi.org / 10.1890 / 1540-9295 (2004) 002 [0191: elp] 2.0.co; 2 (2004).

Артикул Google ученый

14.

Климли, А. П., Вайман, М. Т. и Кавет, Р. Чавычи и зеленый осетр мигрируют через устье Сан-Франциско, несмотря на большие искажения местного магнитного поля, создаваемые мостами. PLoS One 12 , e0169031, https://doi.org/10.1371/journal.pone.0169031 (2017).

CAS Статья PubMed PubMed Central Google ученый

15.

Эллиот К., Аль-Таббаа О., Семейютин А. и Чуаму Нджоя Э. Экономическая и социальная оценка индустрии подводных кабелей Великобритании. (Университет Хаддерсфилда, 2016).

16.

Ardelean, M. & Minnebo, P. Подводные силовые кабели постоянного тока высокого напряжения в мире . (Европейский Союз, 2015).

17.

Кота, С., Бейн, С. Б. и Ниммагадда, С. Морская ветровая энергия: сравнительный анализ Великобритании, США и Индии. Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики 41 , 685–694, https: // doi.org / 10.1016 / j.rser.2014.08.080 (2015).

Артикул Google ученый

18.

WindEurope. Offshore Wind in Europe — Ключевые тенденции и статистика 2018 (2019).

19.

Стрэттон, Дж. А. Теория электромагнитного поля . (Wiley, 2007).

20.

Слейтер М., Джонс Р. и Шульц А. Прогнозирование электромагнитных полей, создаваемых подводными силовыми кабелями . 47 (Орегонский фонд волновой энергии (OWET), 2010 г.).

21.

Гилл А. Б., Бартлетт М. и Томсен Ф. Возможные взаимодействия между диадромными рыбами, имеющими важное значение для сохранения Великобритании, и электромагнитными полями и подводным шумом от морских разработок в области возобновляемых источников энергии. Journal of Fish Biology 81 , 664–695, https://doi.org/10.1111/j.1095-8649.2012.03374.x (2012).

CAS Статья PubMed Google ученый

22.

Оман, М.К., Сигрей П. и Вестерберг Х. Морские ветряные мельницы и влияние электромагнитных полей на рыбу. Ambio 36 , 630–633 (2007).

Артикул Google ученый

23.

Таормина, Б. и др. . Обзор потенциального воздействия подводных силовых кабелей на морскую среду: пробелы в знаниях, рекомендации и направления на будущее. Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики 96 , 380–391, https: // doi.org / 10.1016 / j.rser.2018.07.026 (2018).

CAS Статья Google ученый

24.

Шировски Т., Шарма С. К., Саттон Р. и Кеннеди Г. А. Развитие подводных силовых и телекоммуникационных кабелей: часть 2 — электромагнитное обнаружение. Международный журнал Общества подводных технологий 31 , 133–143 (2013).

Артикул Google ученый

25.

Гилл, А. Б. Морские возобновляемые источники энергии: экологические последствия производства электроэнергии в прибрежной зоне. Журнал прикладной экологии 42 , 605–615, https://doi.org/10.1111/j.1365-2664.2005.01060.x (2005).

Артикул Google ученый

26.

Бодзник, Д., Монтгомери, Дж. К. и Брэдли, Д. Дж. Подавление синфазных сигналов в электросенсорной системе маленького конька Raja erinacea . Журнал экспериментальной биологии 171 , 107 (1992).

Google ученый

27.

Думан, К. Х. и Бодзник, Д. Роль ГАМКергического ингибирования в электросенсорной обработке и отклонении общего режима в спинном ядре маленького ската, Raja erinacea . Journal of Comparative Physiology A 179 , 797–807, https://doi.org/10.1007/bf00207358 (1996).

CAS Статья Google ученый

28.

Гиллис, Дж. А. и др. . Электросенсорные ампулярные органы происходят от плакод боковой линии у хрящевых рыб. Разработка 139 , 3142–3146 (2012).

CAS Статья Google ученый

29.

Лу, Дж. И Фишман, Х. М. Взаимодействие ионных каналов апикальной и базальной мембран лежит в основе электрорецепции в ампулярном эпителии скатов. Biophysical Journal 67 , 1525–1533 (1994).

ADS CAS Статья Google ученый

30.

Нью, Дж. Г. Электросенсорная обработка костного мозга в маленьком коньке. I. Характеристики ответа нейронов в дорсальном октаволатеральном ядре. Журнал сравнительной физиологии A 167 , 285–294 (1990).

CAS Статья Google ученый

31.

Пакер, Д. Б., Цетлин, К.A. & Vitaliano, J. J. Исходный документ по основным местообитаниям рыб: Маленький скейт, Leucoraja erinacea , история жизни и характеристики среды обитания. 76 (Национальное управление океанических и атмосферных исследований, 2003 г.).

32.

ASMFC. 2018 Обзор плана управления промыслом американского лобстера Комиссией по морскому рыболовству штатов Атлантики. (Homarus americanus) 2017 промысловый год. (Комиссия по морскому рыболовству Атлантических штатов, 2018 г.).

33.

Скопел, Д.А., Голет, У. Дж. И Уотсон, У. Х. III. Динамика домашних ареалов американского лобстера, Homarus americanus . Поведение и физиология в морской и пресноводной среде 42 , 63–80, https://doi.org/10.1080/102362401498 (2009).

Артикул Google ученый

34.

Хениг, Дж., Мюллер, Р. и Тремблей, Дж. Контрольный отчет об оценке запасов американских лобстеров и экспертной проверке . 493 (Вудс-Хоул, Массачусетс, 2015).

35.

Lohmann, K. et al. . Магнитная ориентация колючих омаров в океане: эксперименты с системами подводных катушек. Журнал экспериментальной биологии 198 , 2041–2048 (1995).

CAS PubMed Google ученый

36.

Болес, Л. К. и Ломанн, К. Дж. Истинная навигация и магнитные карты колючих лобстеров. Nature 421 , 60–63 (2003).

ADS CAS Статья Google ученый

37.

Болерт, Г. В. и Гилл, А. Б. Экологические и экологические последствия освоения возобновляемых источников энергии океана: текущий синтез. Океанография 23 , 68–81 (2010).

Артикул Google ученый

38.

Кестер, Д. М. и Спирито, К. П. Пантинг: необычный способ передвижения у Маленького ската, Leucoraja erinacea (chondrichthyes: rajidae). Copeia 2003 , 553–561, https: // doi.org / 10.1643 / cg-02-153r1 (2003).

Артикул Google ученый

39.

Ди Санто, В., Блевинс, Э. Л. и Лаудер, Г. В. Батоидная локомоция: влияние скорости на деформацию грудных плавников у маленьких коньков, Leucoraja erinacea . Журнал экспериментальной биологии 220 , 705 (2017).

Артикул Google ученый

40.

Ди Санто, В.& Kenaley, C.P. Катание на коньках: низкие энергетические затраты на плавание в летучей рыбе. Журнал экспериментальной биологии 219 , 1804 (2016).

Артикул Google ученый

41.

Бодзник, Д., Монтгомери, Дж. И Трикас, Т. С. Электрорецепция: извлечение поведенчески важных сигналов из шума при сенсорной обработке в водной среде . (Springer New York, 2003).

42.

Кальмийн, А. Дж. Электрическое чувство акул и скатов. Журнал экспериментальной биологии 55 , 371–383 (1971).

CAS PubMed Google ученый

43.

Кимбер, Дж. А., Симс, Д. У., Беллами, П. Х. и Гилл, А. Б. Способность бентосных пластинчатых жабр различать биологические и искусственные электрические поля. Морская биология 158 , 1–8, https://doi.org/10.1007/s00227-010-1537-y (2011).

Артикул Google ученый

44.

Кимбер, Дж. А., Симс, Д. У., Беллами, П. Х. и Гилл, А. Б. Когнитивные способности пластиножаберных: использование электрорецептивного кормодобывания для демонстрации обучения, привыкания и памяти у бентосной акулы. Познание животных 17 , 55–65 (2014).

Артикул Google ученый

45.

Мейер, К. Г., Холланд, К.N. & Papastamatiou, Y.P. Акулы могут обнаруживать изменения в геомагнитном поле. Журнал интерфейса Королевского общества 2 , 129 (2005).

Артикул Google ученый

46.

Benhamou, S. Эффективность поискового поведения с сосредоточением на площади в непрерывной неоднородной среде. Журнал теоретической биологии 159 , 67–81, https://doi.org/10.1016/S0022-5193(05)80768-4 (1992).

Артикул Google ученый

47.

Белл, У. Дж. Поисковое поведение . Экология поиска ресурсов . 1 изд, (Springer, 1990).

48.

Гилл, А. Б. и др. . COWRIE 2.0 Электромагнитные поля (ЭМП) Фаза 2: реакция рыбы, чувствительной к ЭМП, на электромагнитные излучения от подводных электрических кабелей, которые используются в морской индустрии возобновляемых источников энергии. № отчета Проект Ref; COWRIE-EMF-1-06, (COWRIE, 2009).

49.

Карновски, Э. Б. и Прайс, Х. Дж. Поведенческая реакция омара Homarus americanus на ловушки. Канадский журнал рыболовства и водных наук 46 , 1625–1632, https://doi.org/10.1139/f89-207 (1989).

Артикул Google ученый

50.

van der Meeren, G. I. Хищничество выращенных в инкубаториях омаров, выпущенных в дикую природу. Канадский журнал рыболовства и водных наук 57 , 1794–1803, https://doi.org/10.1139/f00-134 (2000).

Артикул Google ученый

51.

Paille, N. & Bourassa, L. Американский лобстер: часто задаваемые вопросы , https://web.archive.org/web/20100310113207/http://www.osl.gc.ca/homard/en/ faq.html (2008 г.).

52.

Вале Р. А., Кастро К. М. и Талли О. Человек в омарах: биология , Менеджмент , Аквакультура и рыболовство . 2-е изд., 8 (Wiley-Blackwell, 2013).

53.

Хааконсен, Х. О. и Аноруо, А. О. Мечение и миграция американского лобстера Homarus americanus . Reviews in Fisheries Science 2 , 79–93, https://doi.org/10.1080/10641269409388553 (1994).

Артикул Google ученый

54.

Узденский А. Б., Кутко О. Ю. и Коган А. Б. Влияние слабого магнитного поля сверхнизкой частоты на изолированный нейрон рецептора растяжения рака: нелинейная зависимость от амплитуды и частоты поля. Электромагнитная биология и медицина 16 , 267–279, https: // doi.org / 10.3109 / 1536837970

58 (1997).

Артикул Google ученый

55.

Ueno, S., Lövsund, P. & Öberg, P. Å. Влияние изменяющихся во времени магнитных полей на потенциал действия в аксоне омара гигантского. Медицинская и биологическая инженерия и вычисления 24 , 521–526, https://doi.org/10.1007/bf02443969 (1986).

CAS Статья PubMed Google ученый

56.

Ломанн, К. Дж. Магнитная намагниченность в колючих лобстерах Западной Атлантики, Panulirus argus . Журнал экспериментальной биологии 113 , 29 (1984).

Google ученый

57.

Муравейко В. М., Степанюк И. А., Зензеров В. С. Реакция краба Paralithodes camtschaticus (Tilesius, 1815) на геомагнитные бури. Доклады биологических наук 448 , 10–12, https: // doi.org / 10.1134 / s0012496613010183 (2013).

CAS Статья PubMed Google ученый

58.

Томанова К. и Вача М. Магнитная ориентация антарктической амфиподы Gondogenia antarctica компенсируется очень слабыми радиочастотными полями. Журнал экспериментальной биологии 219 , 1717 (2016).

CAS Статья Google ученый

59.

Уголини, А. Экваториальные кулики используют сканирование тела для обнаружения магнитного поля Земли. Journal of Comparative Physiology A 192 , 45–49, https://doi.org/10.1007/s00359-005-0046-9 (2006).

CAS Статья Google ученый

60.

Уголини А. и Пеццани А. Магнитный компас и изучение направления оси Y (море-суша) в морской изоподе Idotea baltica basteri . Поведение животных 50 , 295–300, https: // doi.org / 10.1006 / anbe.1995.0245 (1995).

Артикул Google ученый

61.

Скотт, К., Харсани, П. и Линдон, А. Р. Понимание эффектов излучения электромагнитного поля от морских возобновляемых источников энергии (MRED) на коммерчески важного съедобного краба, Cancer pagurus (L.). Бюллетень по загрязнению морской среды 131 , 580–588, https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2018.04.062 (2018).

CAS Статья PubMed Google ученый

62.

Уокер, М. М., Деннис, Т. Э. и Киршвинк, Дж. Л. Магнитное чувство и его использование животными в навигации на большие расстояния. Текущее мнение по нейробиологии 12 , 735–744, https://doi.org/10.1016/S0959-4388(02)00389-6 (2002).

CAS Статья PubMed Google ученый

63.

Стоддард, П. К. Электрические сигналы в Энциклопедии поведения животных (ред. Майкл Д. Брид и Дженис Мур) 601–610 (Academic Press, 2010).

64.

Кальдекотт, Р., ДеВоре, Р. В., Кастен, Д. Г., Себо, С. А. и Райт, С. Е. Испытания преобразовательной станции HDVC в диапазоне частот от 0,1 до 5 МГц. IEEE Transactions on Power Delivery 3 , 971–977, https://doi.org/10.1109/61.193875 (1988).

Артикул Google ученый

65.

Крона, Л., Фристедт, Т., Лундберг, П. и Сигрей, П. Полевые испытания нового типа электрода из графитового волокна для измерения напряжений, индуцированных движением. Журнал атмосферных и океанических технологий 18 , 92–99, 10.1175 / 1520-0426 (2001) 018 <0092: ftoant> 2.0.co; 2 (2001).

66.

R: язык и среда для статистических вычислений v. 3.2.4 (Revised 2016-01-16 r70336) «Very Secure Dishes» (Фонд R для статистических вычислений, Вена, Австрия, 2016).

67.

RStudio: интегрированная разработка для R. v. 1.0.136 (RStudio Inc., Бостон, Массачусетс, 2016).

68.

Зуур, А.Ф., Иено, Э. Н., Уокер, Н. Дж., Савельев, А. А. и Смит, Г. М. Модели смешанных эффектов и расширения в экологии с R . (Springer, 2009).

69.

Hutchison, Z. L. et al. . Воздействие электромагнитного поля (ЭМП) на эластожаберных (акулы, скаты и скаты) и движение американских омаров и миграция из кабелей постоянного тока. Стерлинг (Вирджиния): Министерство внутренних дел США, Бюро управления океанической энергией. Исследование OCS BOEM 2018-003. (2018)

123 страницы физики Стива Боддекера;

Ch33 Магнитный поток и Закон индукции Фарадея

Майкл Фарадей специально отправил чтобы определить, верны ли выводы Эрстеда в обратном. Фарадей экспериментально показал, что изменяющееся магнитное поле создавало электрическое поле. Этот электромотор сила электрического поля, в свою очередь, приложила силу к свободному заряженному в проводнике, индуцируя ток.

Индуцированный Электродвижущая сила

Мы должны провести этот эксперимент в нашей лаборатории, по адресу: хотя бы вариация.Катушки проводов вокруг железного стержня увеличивают количество катушек, что бывает, меняется ли ток, меняется ли напряжение ??? (ответ на конец главы) Но что вы обязательно увидите, когда переключатель размыкается и замыкается, наведенный ток во вторичной цепи.

Как мы обсуждали с первого дня школьники говорят, что красные полосы — это постоянные магниты.Как магнит приближается к катушке с проволокой, приближается магнитное поле. Стационарный змеевик испытывает увеличение затем уменьшающееся магнитное поле, которое индуцирует электрическое поле в неподвижная рама катушки. Эта ЭДС, которую электрическое поле вызывает заряды, чтобы испытать силу. В самых упрощенных терминах можно сказать: заставляя заряды двигаться таким образом, как ток или индуцированное электричество.

Магнитный поток

Φ = BA cosθ (помните косинус для скалярных произведений) Магнитный поток используется при расчете наведенная ЭДС.

Единицы Webers

Пример В определенном месте магнитный поле имеет величину 710 −5 Тл и указывает в направлении то есть на 60 ниже горизонтали. Найдите величину магнитного потока через верхнюю часть стола в этом месте размером 50 на 80 см.

Φ = BA cosθ Φ = 7e-5 (.5) .8 cos (90-60) Φ = 2,4e-5 Веберов

Фарадей Закон индукции

Фарадей закон: ЭДС индуцируется, когда магнитный поток через петлю изменяется с время. ЭДС = -N ΔΦ / Δt

Силовые линии магнитного поля изменяются, когда магнит движется относительно катушки

Пример Рассмотрим одноконтурную катушку, магнитный поток которой выдается а.Является ли величина наведенная ЭДС в этой катушке больше около t = 4 с или около t = 5 с г. В какое время в этом сюжет: вы ожидаете, что наведенная ЭДС в катушке будет иметь максимальную величину? г. Оценить наведенную ЭДС в катушке временами около t = 1 с и t = 2 с

(а) В 4 секунды это аналог вертикальной составляющей скорости. шара в верхней части его пути (б) То же, что и выше 1, 3, 5 секунд

(в) ЭДС 1 сек = -N ΔΦ / Δt ЭДС = -1 (2 — -2) / (0.65 1,35) ЭДС = -4 Вт / -,7 сек ЭДС = 5,7 В ЭДС 2 сек = изменение направления ЭДС 2 сек = 0 вольт

Закон Ленца

Индуцированный ток всегда течет в одном направлении. что против изменение, которое его вызвало (Выберите либо верх, либо низ, чтобы проверить указанное выше эскизы с использованием линейки правой руки)

Провод в Магнитное поле Удочка (просверленные отверстия) на жестких вертикальных проводах в большом магнитном поле. ср иметь существующее магнитное поле, указывающее за пределы страницы (к вам). А проводящий стержень соединяет правый и левый боковые провода. Когда падает магнитный поток уменьшается, вызывая ток.

Вихревые токи Индуцированный токи, называемые вихревыми токами, противоположны направлению движения.

Пример

Механический Работа и электроэнергия

ΔΦ = B ΔA ΔΦ = B v lΔt

v = Δx / Δt в Δt = Δx v Δt l = Δx l v Δt l = ΔA

ЭДС = -N ΔΦ / Δt ЭДС = -N B v l Δt / Δt ЭДС = -N B v l (предположим, 1 катушка) ЭДС = B v l

ЭДС = B v l ЭДС / Δx = B v l / Δx Электрическое поле = B v E = B v

P = F v P = B 2 v 2 L 2 / R

F = I L B F = (V / R) L B F = (ЭДС / R) L B F = (B v l / R) L B F = B 2 v L 2 / R

Пример

Генераторы и двигатели

ЭДС = N B v l ЭДС = N B v макс л ЭДС = N B ω г sin (ωt) л ЭДС = N B ω l r sin (ωt) ЭДС = N B ω A грех (ωt) ЭДС = N BA ω sin (ωt)

из 121 v = ω r в макс = ω r sin (ωt) = ω r

Электродвигатель — полная противоположность Генератор использует крутящий момент в токовой петле для создания механической энергии.

Индуктивность

Индуктивность константа пропорциональности, которая говорит нам, сколько ЭДС будет индуцировано для заданная скорость изменения тока: Определено как ЭДС = L ΔI / Δt Тогда решить для индуктивности

л = ЭДС (Δt) / ΔI При заданной ЭДС = Н ΔΦ / Δt л = N ΔΦ / ΔI квартир генри 1 В сек / А = 1 ч

Для Соленоиды л = o n 2 A l

Пример

RL Схемы

Когда выключатель замкнут, ток сразу начинает расти.Спина ЭДС в катушке индуктивности велика, так как ток быстро меняется. Как раз продолжается, ток увеличивается медленнее, а разность потенциалов поперек катушки индуктивности уменьшается.

τ = L / R

Пример

Энергия Хранится в магнитном поле

л = ЭДС (Δt) / ΔI (сверху) ЭДС = N ΔΦ / Δt ЭДС = L ΔI / Δt P пр. = I пр. V P ср. = I LΔI / Δt P пр. = I 2 L / T P = Работа / время P пр. = U / T I 2 L / T = U / T U = L I 2 ; помнить от конденсаторов (U = CV 2 )

Эта схема имеет батарею и индуктор, ток в катушке индуктивности увеличивается со временем, где τ = L / R.Так что это средний ток при зарядке? Я пр. = Я

, для соленоидов L = o n 2 A l U = L I 2 U = o n 2 A l I 2 И мы знаем из закона Ампера B = o n I Таким образом, U = B 2 A l / o

Мы знаем объем внутри соленоид Vol = A длина So Energy / объем B = B 2 /2 o

Пример

Трансформаторы

P = I V или V = P / I я 2 = п. 1 / I 1 = № 1 I 1 п. 2 / I 2 № 2 Но энергия сохраняется, P 1 = P 2 1 / я 1 = № 1 1 / я 2 № 2

Пример

Измерение температуры в электромагнитной среде

Один из самых простых способов измерения и записи температуры — использование термопары.Термопары надежно работают в большинстве сред, выдерживая экстремальные температуры, вибрацию и даже ионизирующее излучение. Однако они чувствительны к воздействию электромагнитных полей, поэтому в таких местах следует использовать их с осторожностью или вообще не использовать.

В этом техническом документе от Omega Engineering обсуждаются проблемы, связанные с использованием термопар в электромагнитной среде, и даются рекомендации по альтернативным типам приборов для измерения температуры. Адрес отдельных секций:

• Теория и применение термопар
• Электромагнитные уязвимости
• Индуцированное напряжение
• Индукционный нагрев
• Проблемы с синфазным напряжением
• Альтернативные устройства для измерения температуры

Теория и применение термопар

Зонды для термопар с разъемами В термопарах

используется эффект Зеебека, открытый Томасом Иоганном Зеебеком в 1821 году.Это явление, при котором электрический ток течет в цепи из разнородных металлов, когда их два соединения находятся при разных температурах.

Металлы, используемые в термопаре, должны обладать термоэлектрическими свойствами. Это когда электроны могут диффундировать через материал. При более высоких температурах электроны приобретают кинетическую энергию, становятся более мобильными и увеличивают степень своего движения, тем самым создавая изменения в электрическом потенциале. Многие сплавы на основе никеля обладают такими характеристиками и используются в большинстве обычных проводов для термопар.Например, термопара типа K использует соединения из хромеля и алюминия, оба из которых содержат значительную долю никеля. В основе других комбинаций материалов, используемых в термопарах, лежат платина-родий и вольфрам-рений, которые также обладают термоэлектрическими свойствами.

Возникающие ток и напряжение пропорциональны разнице температур между двумя переходами, хотя соотношение не совсем линейное. Фактические напряжения очень малы. В термопаре типа K (широко используемой благодаря широкому диапазону температур и низкой стоимости) изменение составляет 41 мВ на градус Цельсия.Другие типы термопар производят изменения аналогичной величины. Следовательно, сигналы термопар должны быть усилены для использования в измерительных системах. Неизбежно, что любое дополнительное напряжение в сигналах, вызванное внешними причинами, одновременно усиливается.

Электромагнитные уязвимости

Высокое напряжение часто встречается во многих ситуациях, когда необходимы измерения температуры и неизбежны электромагнитные поля. Индукционный нагрев используется повсеместно в промышленности, и для обеспечения согласованности процессов необходимо измерять температуру.Линии электропередач находятся под высоким напряжением. Трансформаторы воспринимают высокие нагрузки и могут сильно нагреваться. Даже свечи зажигания, используемые в двигателях внутреннего сгорания (не только автомобильных двигателях, но и больших генераторных установках), генерируют переходные электромагнитные сигналы.

Электромагнитные поля влияют на показания термопары двумя способами, они могут:

• Навести напряжение в проводах термопары
• Причина индукционного нагрева термопары

Кроме того, синфазное напряжение относительно земли будет добавлять напряжение к сигналу термопары.Эти проблемы могут возникать в среде постоянного тока, но более серьезны при наличии переменного тока.

Индуцированное напряжение

Закон Фарадея описывает явление, когда перемещение электрического проводника через магнитное поле приводит к возникновению электрического потенциала. Тот же эффект может создать напряжение в проводах термопар, особенно если провода выровнены перпендикулярно изменяющемуся полю. Учитывая, что эффект Зеебека производит очень малые напряжения, даже небольшое поле может изменить показания температуры.

Индукционный нагрев

Если на проводник воздействовать переменным электромагнитным полем, образуются водовороты, вызывающие нагрев. Таким образом, поскольку никель является электропроводным, переменное магнитное поле, которое может быть обнаружено вокруг большого двигателя или генератора, будет нагревать само устройство измерения температуры. Это приведет к появлению сигнала, который неточно отображает измеряемую температуру.

Проблемы с синфазным напряжением

Когда термопара используется вместе или как часть электрического оборудования, она часто подключается к этому источнику питания.После подачи электрического тока разница между землей и землей оборудования может повлиять на напряжение сигнала термопары. Решением в таких случаях является обеспечение гальванической развязки системы измерения температуры или, в качестве альтернативы, поиск других методов измерения температуры.

Альтернативные устройства для измерения температуры

Инфракрасный датчик температуры / передатчик Инфракрасный датчик температуры / передатчик

Две технологии, которые необходимо изучить: термометры сопротивления (RTD) типа Pt100 и обнаружение инфракрасного (ИК) излучения.

RTD (где принцип измерения — изменение сопротивления отрезка платинового провода) известны своей высокой точностью и хорошей устойчивостью к электромагнитным полям. Однако они, как правило, хрупкие и не всегда подходят для промышленных сред.

Преимущество измерения инфракрасного излучения состоит в том, что оно является бесконтактным и может выполняться на расстоянии нескольких футов или более, в зависимости от размера излучателя. Он использует закон Планка, который описывает, как тело излучает энергию пропорционально своей температуре.Одна из проблем, которую необходимо решить, заключается в том, что разные поверхности при одинаковой температуре будут излучать с разной скоростью. Описанная как разница в излучательной способности, это следует учитывать при измерении температуры с помощью любого типа ИК-детектора.

Компания Omega Engineering предлагает несколько инфракрасных датчиков / преобразователей температуры, подходящих для использования в широком диапазоне промышленных ситуаций. OS137A поставляется в корпусе из нержавеющей стали диаметром 1 дюйм NEMA 4 и может использоваться на расстояниях до 48 дюймов (Примечание: цель измерения должна заполнять поле зрения датчика.В противном случае измеренная температура будет неточной).

Доступны три температурных диапазона OS137A, охватывающие температуры до 538 ° C (1000 ° F). Лазерный прицел можно установить спереди во время настройки, чтобы обеспечить точное совмещение с целью. При заказе необходимо указать тип выхода: на выбор: напряжение, ток или выходы термопары типа K. Имеется возможность установки порогового значения срабатывания сигнализации, а коэффициент излучения можно регулировать.

OS136 при диаметре 3⁄4 дюйма является более компактным инфракрасным датчиком / передатчиком.Производительность аналогична OS137A, хотя угол обзора шире (что может потребовать более близкого размещения). В отличие от OS137A, коэффициент излучения установлен на уровне 0,95, поэтому необходимо внести поправки для разных целей.

Takeaways

Термопары измеряют температуру в микровольтах на градус Цельсия. Эти сигналы нуждаются в усилении, чтобы быть полезными, что делает их чувствительными к ошибкам измерения при использовании в электромагнитной среде.