Какими свойствами обладает индукционное электрическое поле
Закон электромагнитной индукции. Вихревое электрическое поле. Вихревые токи
Подробности
Просмотров: 338
Электрический ток в цепи возможен, если на свободные заряды проводника действуют сторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура называется ЭДС. При изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, в контуре появляются сторонние силы, действие которых характеризуется ЭДС индукции.
Учитывая направление индукционного тока, согласно правилу Ленца:
ЭДС индукции в замкнутом контуре равна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взятой с противоположным знаком.
Почему? – т.к. индукционный ток противодействует изменению магнитного потока, ЭДС индукции и скорость изменения магнитного потока имеют разные знаки.
Если рассматривать не единичный контур, а катушку, где N- число витков в катушке:
Величину индукционного тока можно рассчитать по закону Ома для замкнутой цепи
где R – сопротивление проводника.
ВИХРЕВОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ
Причина возникновения электрического тока в неподвижном проводнике – электрическое поле.
Всякое изменение магнитного поля порождает индукционное электрическое поле независимо от наличия или отсутствия замкнутого контура, при этом если проводник разомкнут, то на его концах возникает разность потенциалов; если проводник замкнут, то в нем наблюдается индукционный ток.
Индукционное электрическое поле является вихревым.
Направление силовых линий вихревого электрического поля совпадает с направлением индукционного тока
Индукционное электрическое поле имеет совершенно другие свойства в отличии от электростатического поля.
Электростатическое поле – создается неподвижными электрическими зарядами, силовые линии поля разомкнуты – -потенциальное поле, источниками поля являются электрические заряды, работа сил поля по перемещению пробного заряда по замкнутому пути равна 0.
Индукционное электрическое поле ( вихревое электр. поле ) – вызывается изменениями магнитного поля, силовые линии замкнуты (вихревое поле), источники поля указать нельзя, работа сил поля по перемещению пробного заряда по замкнутому пути равна ЭДС индукции.
Вихревые токи
Индукционные токи в массивных проводниках называют токами Фуко. Токи Фуко могут достигать очень больших значений, т.к. сопротивление массивных проводников мало. Поэтому сердечники трансформаторов делают из изолированных пластин.
В ферритах – магнитных изоляторах вихревые токи практически не возникают.
Использование вихревых токов
– нагрев и плавка металлов в вакууме, демпферы в электроизмерительных приборах.
Вредное действие вихревых токов
– это потери энергии в сердечниках трансформаторов и генераторов из-за выделения большого количества тепла.
Электромагнитное поле – Класс!ная физика
Взаимодействие токов. Магнитное поле. Вектор магнитной индукции. Сила Ампера —
Действие магнитного поля на движущийся заряд.Магнитные свойства вещества —
Явление электромагнитной индукции. Магнитный поток. Направление индукционного тока. Правило Ленца —
ЭДС электромагнитной индукции. Вихревое электрическое поле —
ЭДС индукции в движущихся проводниках
—
Самоиндукция. Индуктивность. Энергия магнитного поля. Вопросы к пр/работе
Любознательным
Сальто-мортале жука-щелкуна
Если пощекотать лежащего на спинке жука-щелкуна, он подпрыгивает вверх сантиметров на 25,
при этом раздается громкий щелчок. Ерунда, возможно, скажете вы.
Но, действительно, жучок без помощи ног делает толчок с начальным ускорением 400 g, а затем переворачивается
в воздухе и приземляется уже на ноги. 400 g — удивительно!
Еще более удивительно то, что мощность, развиваемая при толчке, раз в сто больше мощности,
которую может обеспечить какая-либо из мышц жучка. Как удается жучку развить такую огромную мощность?
Часто ли он способен совершать свои изумительные прыжки? Чем ограничена частота их повторения?
Оказывается…
Когда жучок лежит вверх ногами, особый выступ на передней части его тела мешает ему распрямиться,
чтобы совершить прыжок. Какое-то время он накапливает мышечное напряжение, затем, резко изогнувшись, подбрасывает себя вверх.
Прежде чем жучок снова сможет подпрыгнуть, он должен снова медленно «напрячь» мышцы.
Источник: «Физический фейерверк» Дж. Уокер
Источник
Вихревое электрическое поле – это электрическое поле, которое порождается переменным магнитным полем и линии напряженности которго замкнуты.
Переменное магнитное поле порождает индуцированное электрическое поле. Если магнитное поле постоянно, то индуцированного электрического поля не возникнет. Следовательно, индуцированное электрическое поле не связано с зарядами, как это имеет место в случае электростатического поля; его силовые линии не начинаются и не заканчиваются на зарядах, а замкнуты сами на себя, подобно силовым линиям магнитного поля. Это означает, что индуцированное электрическое поле, подобно магнитному, является вихревым.
Если неподвижный проводник поместить в переменное магнитное поле, то в нем индуцируется э. д. с. Электроны приводятся в направленное движение электрическим полем, индуцированным переменным магнитном полем; возникает индуцированный электрический ток. В этом случае проводник является лишь индикатором индуцированного электрического поля. Поле приводит в движение свободные электроны в проводнике и тем самым обнаруживает себя. Теперь можно утверждать, что и без проводника это поле существует, обладая запасом энергии.
Сущность явления электромагнитной индукции заключается не столько в появлении индуцированного тока, сколько в возникновении вихревого электрического поля.
Это фундаментальное положение электродинамики установлено Максвеллом как обобщение закона электромагнитной индукции Фарадея.
В отличие от электростатического поля индуцированное электрическое поле является непотенциальным, так как работа, совершаемая в индуцированном электрическом поле, при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна э. д. с. индукции, а не нулю.
Направление вектора напряженности вихревого электрического поля устанавливается в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея и правилом Ленца. Направление силовых линий вихревого эл. поля совпадает с направлением индукционного тока.
Так как вихревое электрическое поле существует и в отсутствие проводника, то его можно применять для ускорения заряженных частиц до скоростей, соизмеримых со скоростью света. Именно на использовании этого принципа основано действие ускорителей электронов — бетатронов.
Индукционное электрическое поле имеет совершенно другие свойства в отличии от электростатического поля.
Отличие вихревого электрического поля от электростатического
1) Оно не связано с электрическими зарядами;
2) Силовые линии этого поля всегда замкнуты;
3) Работа сил вихревого поля по перемещению зарядов на замкнутой траектории не равна нулю.
электростатическое поле | индукционное электрическое поле |
| 1. создается неподвижными электр. зарядами | 1. вызывается изменениями магнитного поля |
| 2. силовые линии поля разомкнуты – потенциальное поле | 2. силовые линии замкнуты – вихревое поле |
| 3. источниками поля являются электр. заряды | 3. источники поля указать нельзя |
| 4. работа сил поля по перемещению пробного заряда по замкнутому пути = 0. | 4. работа сил поля по перемещению пробного заряда по замкнутому пути = ЭДС индукции |
Источник
Возможность превращения генератором механической энергии в электрическую, объясняется существованием закона электромагнитной индукции. А закон — это взаимозависимость явлений, приводящая к построению объективной действительности. Иначе говоря, по закону электромагнитной индукции, если выполнить набор неких действий, то можно получить электроэнергию.
Именно “получить”, а не “произвести” Мы не производим электричество, поскольку оно существует само по себе. Независимо от любой нашей деятельности. Мы добываем электрическую энергию. Добываем вращением ротора внутри статора генератора. Также как трением добываем огонь. Например, когда трем один кусок дерева о другой, спичку о коробок или кресало зажигалки о кремень.
Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции в 1831 году
Без всякого сомнения, никаких пояснений про превращение одного вида энергии в другой не требуется. Потому как превращение просто происходит с тех пор, как его открыл Фарадей. К тому же, все, что нам необходимо для превращения, уже существует. Во-первых, мы знаем, как добывать, и добываем электроэнергию. Во-вторых, используем её, как нам будет угодно. В-третьих, ведем практические наблюдения. И если появляется возможность, вносим новшества в методы добычи. Тем не менее, иногда требуется пояснить, что же такое происходит в результате наших действий. Что происходит в результате строительства плотин, сжигания топлива, вращения турбин и работы генераторов? Как механическая энергия превращается в электрическую? Здесь в очень простом виде можно привести одно из распространенных определений.
Добыча электроэнергии с помощью электромагнитной индукции
Прежде всего, нужно не путать электромагнитную индукцию с магнитной индукцией. Электромагнитная индукция — это явление, а магнитная индукция — это величина. Магнитная индукция — векторная физическая величина. То есть, величина, имеющая не только численное значение, но и направление. Магнитная индукция является силовой характеристикой магнитного поля.
Электромагнитная индукция — это явление возникновения электрического тока в проводнике при прохождении через него магнитного потока. То есть, при изменении во времени магнитного поля действующего на проводник. Или при движении материальной среды в этом магнитном поле. (А также, при подобных условиях происходит возникновение электрического поля и электрическая поляризация.) Иначе говоря, если в магнитное поле поместить проводник и воздействовать на него внешней силой, то в проводнике будет наводится электродвижущая сила (ЭДС).
Явление электромагнитной индукции в проводнике, помещенном между двумя постоянными магнитами
Это можно продемонстрировать на простом опыте. Между двух магнитов помещаем кусок медного провода. На выводы провода подключим вольтметр. Начинаем перемещать провод туда-сюда. Например, слева направо. Во время движения провода вольтметр показывает наличие напряжения. Значит, в куске провода была наведена ЭДС. Электродвижущая сила обозначается латинской буквой E и также, как напряжение, измеряется в вольтах. Величину ЭДС можно найти по формуле:
E=Blυ
- Где B — магнитная индукция, имеющая единицы измерения тесла (Тл).
- l — активная длина куска провода. То есть, длина той его части которая находится в магнитном поле.
- υ — скорость движения проводника, измеряемая в метрах в секунду (м/с).
На практике вместо прямого проводника применяют провод, накрученный на катушку. Ток, возникающий в катушке, называется индукционным током. Индукционный ток в катушке возникает в следующих случаях:
- при перемещении постоянного магнита относительно катушки;
- а также, когда относительно катушки перемещается электромагнит;
- при перемещении сердечника относительно электромагнита, вставленного в катушку;
- и при регулировании тока в цепи электромагнита;
- при замыкании и размыкании цепи постоянного тока;
- и наконец, если первичную катушку подключить в цепь переменного тока, то во вторичной будет возникать индукционный ток
Электромагнитная индукция во вторичной обмотке катушки при замыкании и размыкании цепи постоянного тока
В результате проведения множества опытов, для явления электромагнитной индукции был установлен основной закон. В замкнутом контуре ЭДС равна скорости изменения магнитного потока, сцепляющегося с этим контуром. Иначе говоря, генерируемая ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока.
Ε=-ΔΦ/Δt
где Ε — величина электродвижущей силы (ЭДС) в вольтах. ΔΦ — изменение магнитного потока в веберах. Δt — изменение времени.
Так как, дельта — четвертая буква греческого алфавита, то обозначается значками этой буквы. А именно, заглавной Δ или прописной δ. Иногда обозначается латинской строчной буквой d. И очень редко латинской прописной D. Понятие Δ — дельта означает разницу величин параметров. Например, температуры или времени. Вычисляется как величина конечного параметра минус величина начального параметра. То есть, разница между двумя измерениями одного параметра. Например, начальная температура 100 °C, конечная 70 °C. В результате, ΔТ = 70-100=-30 °C.
Когда имеется катушка, имеющая конкретное количество витков (например, n), то формула выглядит таким образом:
Ε=-n×ΔΦ/Δt
Формула закона явления электромагнитной индукции
Единица магнитного потока Ф — вебер (Вб). 1 Вб = 1 Вольт (В) × секунду (с).
То есть, из закона электромагнитной индукции вытекает смысл размерности: 1 вебер — это величина такого магнитного потока, который, уменьшаясь до нуля за одну секунду, через замкнутый контур наводит в нем ЭДС индукции 1 В.
Таким образом, закон электромагнитной индукции объясняет зависимость и согласованность неких действий, позволяющих человеку “добывать”электрическую энергию.
Для вашего удобства подборка публикаций
Принцип действия и устройство трансформатора напряжения
Что такое зануление и зачем оно нужно?
Почему в Америке 110 вольт, а у нас 220?
Главная страница
Спасибо за посещение канала, чтение заметки, упоминание в социальных сетях и других интернет — ресурсах, а также подписку, лайки, дизлайки и комментарии (Лайки и дизлайки можно ставить не регистрируясь и не заходя в аккаунт)
Источник
Явление электромагнитной индукции
Электромагнитная индукция – явление возникновения тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего его.
Явление электромагнитной индукции было открыто М. Фарадеем.
Опыты Фарадея
- На одну непроводящую основу были намотаны две катушки: витки первой катушки были расположены между витками второй. Витки одной катушки были замкнуты на гальванометр, а второй – подключены к источнику тока. При замыкании ключа и протекании тока по второй катушке в первой возникал импульс тока. При размыкании ключа также наблюдался импульс тока, но ток через гальванометр тек в противоположном направлении.
- Первая катушка была подключена к источнику тока, вторая, подключенная к гальванометру, перемещалась относительно нее. При приближении или удалении катушки фиксировался ток.
- Катушка замкнута на гальванометр, а магнит движется – вдвигается (выдвигается) – относительно катушки.
Опыты показали, что индукционный ток возникает только при изменении линий магнитной индукции. Направление тока будет различно при увеличении числа линий и при их уменьшении.
Сила индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока. Может изменяться само поле, или контур может перемещаться в неоднородном магнитном поле.
Объяснения возникновения индукционного тока
Ток в цепи может существовать, когда на свободные заряды действуют сторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура равна ЭДС. Значит, при изменении числа магнитных линий через поверхность, ограниченную контуром, в нем появляется ЭДС, которую называют ЭДС индукции.
Электроны в неподвижном проводнике могут приводиться в движение только электрическим полем. Это электрическое поле порождается изменяющимся во времени магнитным полем. Его называют вихревым электрическим полем. Представление о вихревом электрическом поле было введено в физику великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1861 году.
Свойства вихревого электрического поля:
- источник – переменное магнитное поле;
- обнаруживается по действию на заряд;
- не является потенциальным;
- линии поля замкнутые.
Работа этого поля при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна ЭДС индукции в неподвижном проводнике.
Магнитный поток
Магнитным потоком через площадь ( S ) контура называют скалярную физическую величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции ( B ), площади поверхности ( S ), пронизываемой данным потоком, и косинуса угла ( alpha ) между направлением вектора магнитной индукции и вектора нормали (перпендикуляра к плоскости данной поверхности):
Обозначение – ( Phi ), единица измерения в СИ – вебер (Вб).
Магнитный поток в 1 вебер создается однородным магнитным полем с индукцией 1 Тл через поверхность площадью 1 м2, расположенную перпендикулярно вектору магнитной индукции:
Магнитный поток можно наглядно представить как величину, пропорциональную числу магнитных линий, проходящих через данную площадь.
В зависимости от угла ( alpha ) магнитный поток может быть положительным (( alpha ) < 90°) или отрицательным (( alpha ) > 90°). Если ( alpha ) = 90°, то магнитный поток равен 0.
Изменить магнитный поток можно меняя площадь контура, модуль индукции поля или расположение контура в магнитном поле (поворачивая его).
В случае неоднородного магнитного поля и неплоского контура магнитный поток находят как сумму магнитных потоков, пронизывающих площадь каждого из участков, на которые можно разбить данную поверхность.
Закон электромагнитной индукции Фарадея
Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея):
ЭДС индукции в замкнутом контуре равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:
Знак «–» в формуле позволяет учесть направление индукционного тока. Индукционный ток в замкнутом контуре имеет всегда такое направление, чтобы магнитный поток поля, созданного этим током сквозь поверхность, ограниченную контуром, уменьшал бы те изменения поля, которые вызвали появление индукционного тока.
Если контур состоит из ( N ) витков, то ЭДС индукции:
Сила индукционного тока в замкнутом проводящем контуре с сопротивлением ( R ):
При движении проводника длиной ( l ) со скоростью ( v ) в постоянном однородном магнитном поле с индукцией ( vec{B} ) ЭДС электромагнитной индукции равна:
где ( alpha ) – угол между векторами ( vec{B} ) и ( vec{v} ).
Возникновение ЭДС индукции в движущемся в магнитном поле проводнике объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы.
Движущийся в магнитном поле проводник, по которому протекает индукционный ток, испытывает магнитное торможение. Полная работа силы Лоренца равна нулю.
Количество теплоты в контуре выделяется либо за счет работы внешней силы, которая поддерживает скорость проводника неизменной, либо за счет уменьшения кинетической энергии проводника.
Важно!
Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум причинам:
- магнитный поток изменяется вследствие перемещения контура или его частей в постоянном во времени магнитном поле. Это случай, когда проводники, а вместе с ними и свободные носители заряда, движутся в магнитном поле;
- вторая причина изменения магнитного потока, пронизывающего контур, – изменение во времени магнитного поля при неподвижном контуре. В этом случае возникновение ЭДС индукции уже нельзя объяснить действием силы Лоренца. Явление электромагнитной индукции в неподвижных проводниках, возникающее при изменении окружающего магнитного поля, также описывается формулой Фарадея.
Таким образом, явления индукции в движущихся и неподвижных проводниках протекают одинаково, но физическая причина возникновения индукционного тока оказывается в этих двух случаях различной:
- в случае движущихся проводников ЭДС индукции обусловлена силой Лоренца;
- в случае неподвижных проводников ЭДС индукции является следствием действия на свободные заряды вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля.
Правило Ленца
Направление индукционного тока определяется по правилу Ленца: индукционный ток, возбуждаемый в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток.
Алгоритм решения задач с использованием правила Ленца:
- определить направление линий магнитной индукции внешнего магнитного поля;
- выяснить, как изменяется магнитный поток;
- определить направление линий магнитной индукции магнитного поля индукционного тока: если магнитный поток уменьшается, то они сонаправлены с линиями внешнего магнитного поля; если магнитный поток увеличивается, – противоположно направлению линий магнитной индукции внешнего поля;
- по правилу буравчика, зная направление линий индукции магнитного поля индукционного тока, определить направление индукционного тока.
Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии.
Самоиндукция
Самоиндукция – это явление возникновения ЭДС индукции в проводнике в результате изменения тока в нем.
При изменении силы тока в катушке происходит изменение магнитного потока, создаваемого этим током. Изменение магнитного потока, пронизывающего катушку, должно вызывать появление ЭДС индукции в катушке.
В соответствии с правилом Ленца ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока при включении и убыванию силы тока при выключении цепи.
Это приводит к тому, что при замыкании цепи, в которой есть источник тока с постоянной ЭДС, сила тока устанавливается через некоторое время.
При отключении источника ток также не прекращается мгновенно. Возникающая при этом ЭДС самоиндукции может превышать ЭДС источника.
Явление самоиндукции можно наблюдать, собрав электрическую цепь из катушки с большой индуктивностью, резистора, двух одинаковых ламп накаливания и источника тока. Резистор должен иметь такое же электрическое сопротивление, как и провод катушки.
Опыт показывает, что при замыкании цепи электрическая лампа, включенная последовательно с катушкой, загорается несколько позже, чем лампа, включенная последовательно с резистором. Нарастанию тока в цепи катушки при замыкании препятствует ЭДС самоиндукции, возникающая при возрастании магнитного потока в катушке.
При отключении источника тока вспыхивают обе лампы. В этом случае ток в цепи поддерживается ЭДС самоиндукции, возникающей при убывании магнитного потока в катушке.
ЭДС самоиндукции ( varepsilon_{is} ), возникающая в катушке с индуктивностью ( L ), по закону электромагнитной индукции равна:
ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна индуктивности катушки и скорости изменения силы тока в катушке.
Индуктивность
Электрический ток, проходящий по проводнику, создает вокруг него магнитное поле. Магнитный поток ( Phi ) через контур из этого проводника пропорционален модулю индукции ( vec{B} ) магнитного поля внутри контура, а индукция магнитного поля, в свою очередь, пропорциональна силе тока в проводнике.
Следовательно, магнитный поток через контур прямо пропорционален силе тока в контуре:
Индуктивность – коэффициент пропорциональности ( L ) между силой тока ( I ) в контуре и магнитным потоком ( Phi ), создаваемым этим током:
Индуктивность зависит от размеров и формы проводника, от магнитных свойств среды, в которой находится проводник.
Единица индуктивности в СИ – генри (Гн). Индуктивность контура равна 1 генри, если при силе постоянного тока 1 ампер магнитный поток через контур равен 1 вебер:
Можно дать второе определение единицы индуктивности: элемент электрической цепи обладает индуктивностью в 1 Гн, если при равномерном изменении силы тока в цепи на 1 ампер за 1 с в нем возникает ЭДС самоиндукции 1 вольт.
Энергия магнитного поля
При отключении катушки индуктивности от источника тока лампа накаливания, включенная параллельно катушке, дает кратковременную вспышку. Ток в цепи возникает под действием ЭДС самоиндукции.
Источником энергии, выделяющейся при этом в электрической цепи, является магнитное поле катушки.
Для создания тока в контуре с индуктивностью необходимо совершить работу на преодоление ЭДС самоиндукции. Энергия магнитного поля тока вычисляется по формуле:
Основные формулы раздела «Электромагнитная индукция»
Алгоритм решения задач по теме «Электромагнитная индукция»:
1. Внимательно прочитать условие задачи. Установить причины изменения магнитного потока, пронизывающего контур.
2. Записать формулу:
- закона электромагнитной индукции;
- ЭДС индукции в движущемся проводнике, если в задаче рассматривается поступательно движущийся проводник; если в задаче рассматривается электрическая цепь, содержащая источник тока, и возникающая на одном из участков ЭДС индукции, вызванная движением проводника в магнитном поле, то сначала нужно определить величину и направление ЭДС индукции. После этого задача решается по аналогии с задачами на расчет цепи постоянного тока с несколькими источниками.
3. Записать выражение для изменения магнитного потока и подставить в формулу закона электромагнитной индукции.
4. Записать математически все дополнительные условия (чаще всего это формулы закона Ома для полной цепи, силы Ампера или силы Лоренца, формулы кинематики и динамики).
5. Решить полученную систему уравнений относительно искомой величины.
6. Решение проверить.
Электромагнитная индукция
3.5 (70%) 6 votes
Источник