Какой процесс объясняется явлением электромагнитной индукции

Какой процесс объясняется явлением электромагнитной индукции?

Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.

Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.

Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.

Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.

Какой процесс объясняется явлением электромагнитной индукции

Задания Д13 № 1601

Какой из приведённых ниже процессов объясняется явлением электромагнитной индукции?

1) отклонение магнитной стрелки вблизи проводника с током

2) взаимодействие двух проводников с током

3) появление тока в замкнутой катушке при опускании в неё постоянного магнита

4) возникновение силы, действующей на проводник с током в магнитном поле

Явление электромагнитной индукции состоит в том, что при изменении потока магнитного поля через замкнутый проводник, в данном проводнике возникает электрический ток. Такое явление указано под номером 3.

Что за опыты проводил Майкл Фарадей

В девятнадцатом веке стало известно, что вокруг проводника, по которому протекает электроток, возникает магнитное поле. Изучением данного явления занимался английский физик Майкл Фарадей. С помощью своих опытов он доказал, что и само магнитное поле способно создавать электрический ток.

Суть опытов Фарадея

Ученый убедился и доказал, если гальванометр подключить к проволочной катушке и поместить в нее северным полюсом плоский магнит, то гальванометр среагирует на это. Такой опыт дает понять, что в подсоединенной к прибору катушке появляется электрический ток. Если магнит перемещаться в катушке не будет, то стрелка прибора вернется на место. Если же начать вынимать из катушки магнит, то в ней снова появится электроток, но у него сформируется противоположное направление. Образование электроэнергии происходит из-за воздействия магнитного поля на катушку при перемещении магнита. Данное явление получило название электромагнитная индукция.

Эксперимент Фарадей проводил, используя 2 намотанных на основу из древесины спирали из проволоки, друг от друга они были изолированы. Одна из них подключалась к гальванической батарее, вторая соединялась с гальванометром, способным улавливать слабые токи. При соединении и отключении цепи первой катушки регистрировались на второй из них отклонения стрелки от нейтрального положения.

Проведенные опыты ученого Фарадея по электромагнитной индукции делят на три группы:

• Формирование индукционного тока в процессе погружения или извлечения магнита в спираль из проводника. При опускании магнита, подключенного к измерительному прибору, возникает индукционный ток. Когда магнит извлекают, также появляется электроток, но он имеет противоположное направление.

• Формирование в одной из катушек индукционного тока, если в другой меняются параметры электротока. Возникновение электротока во второй катушке происходит во время соединения и отключения контактов в первой цепи. Направление перемещения электроэнергии изменяется в результате перемены магнитного потока.

• Явление электромагнитной индукции наблюдается и в том случае, когда перемещается не магнит, а катушка.

Выполняя разные опыты, Фарадей выяснил, что в контурах проводника, соединенных в цепь, электроток появляется лишь в том случае, когда на проволоку воздействует изменяемое магнитное поле. На результат эксперимента не влияет, как производится изменение магнитного поля.

Кратко суть 3 опытов Фарадея можно сформулировать так: электроток возникнет в катушке, если к ней поднести магнит или наоборот. Подобное явление можно наблюдать и при использовании двух близко расположенных катушек: если одну из них подключить к источнику переменного электротока, то во второй появится такой же ток. Такой же эффект проявляется при соединении двух катушек сердечником.

Проведение экспериментов и их объяснение

Магнитное поле может меняться по-разному. Опыты Фарадея дают понять, что электроток формируется практически при любых переменах магнитного поля, способного прямо влиять на проводник. Электроэнергия, перемещающаяся в такой цепи, именуется индукционным током.

Получается, что, направление протекающего в катушке электротока меняется в зависимости от того, как перемещается магнит. Кроме того, на направление электротока оказывает влияние, каким полюсом направляют в катушку магнит. Если это сделать, используя не северный, как было описано ранее, а южный магнитный полюс, то на приборе стрелка переместится в противоположную сторону. Кроме того, направление электротока изменяется при опускании и извлечении южного полюса магнита. Выходит, что на течение индукционного тока влияет как полюс, так и направление перемещения магнитного поля.

Опускать магнит можно не спеша и быстро. Опыты Фарадея подтверждают, сила вырабатываемого электротока зависит от скорости перемещения магнита, проще говоря, от того, насколько быстро передвигается магнитное поле. Сила возрастает пропорционально скорости передвижения магнитного поля, которое прямо влияет на контур проводника.

В то же время при изменении силы электротока в проводнике вокруг него формируется магнитное поле. В попавшем под его воздействие проводнике возникает так называемый ток самоиндукции.

Следовательно, опыты Фарадея наглядно демонстрируют, что существует связь между магнитными и электрическими процессами. Эту взаимосвязь подтверждает существование общего для пространства электромагнитного поля.

Как электромагнитная индукция применяется на практике

Явление электромагнитной индукции взято за основу при создании генератора электротока — установки, способной вырабатывать электроэнергию благодаря превращению механической работы в электричество. Основные элементы данной установки — закрепленная на валу рамка и магнит.

При перемещении рамки, влияющие на нее магнитные линии, или увеличиваются, или уменьшаются, в итоге появляется индукционный ток. Его с помощью коллектора и щеток снимают с рамки (коллектор конструктивно — это 2 полукольца, соединенных с разными частями рамки). Промышленные мощные генераторы состоят из вращающегося ротора и неподвижного статора. В качестве первого конструктивного элемента используется электромагнит, а неподвижной частью служит обмотка.

Теорию электромагнитной индукции окончательно сформулировал Максвелл. Он доказал, что изменяющееся магнитное поле гарантированно формирует переменное электрическое поле. При любых переменах с магнитом свойства электромагнитного поля также меняются. Колебания наблюдаются в системе, получившей название колебательный контур. Фактически это электрическая цепь, в которой есть индуктивная катушка и установлен один конденсатор.

После запитывания конденсатора и подключения его к катушке можно обнаружить электроток в цепи. Конденсатор во время этого процесса утрачивает заряд. Сила тока первое время повышается, возникает ток самоиндукции, направленный против основного тока. Через время разряжается конденсатор, в катушке сила тока становится максимальной. Потом она начинает падать.

В колебательном контуре совершаются скачки силы электромагнитных волн, меняется сила тока и становится другим электрическое поле. Они проходят, благодаря энергии, поступившей из конденсатора. Извне энергия в это время не поступает.

Как единица измерения частоты перемены магнитных полей используется 1 Гц. В основном этот параметр измеряют в килогерцах и мегагерцах.

Природа электродвижущей силы

Три опыта Фарадея, а затем эксперименты его последователей позволили установить, что при изменение магнитного потока в контуре электропроводника способствует образованию электродвижущей силы. Она равна (по формуле Фарадея) скорости изменения магнитного потока, но с отрицательным знаком.

В приведенной формуле символ минус ставится, исходя из правила Ленца, с учетом которого находится направление перемещения индукционного тока. Оно указывает на то, что электроток, появляющийся в замкнутом контуре, идет с направлением, под влиянием которого формируемый поток индукции пытается возместить вызываемую током перемену магнитной индукции.

Электромагнитная индукция используется при создании электродвигателей. Электроток образуется в конструкциях, в которых магнит перемещается в контуре, проводящем электроток или, наоборот, при размещении контура в статичном магнитном поле. Удобно разобрать принцип работы на примере источника переменной ЭДС.

Рамка вращается, пересекая силовые линии магнитного поля. На ее элементах, размещенных параллельно оси вращения, образуется ЭДС. Те части рамки, которые расположены перпендикулярно оси, не пересекают силовых линий, поэтому не формируют ЭДС.

На противоположных элементах рамки фактически появляются ЭДС направленные в разные стороны. Чтобы узнать направление силы, следует воспользоваться правилом правой руки: нужно разместить внутреннюю сторону руки так, чтобы она указывала на северную часть магнита, а большой палец — разогнуть. Он должен быть направлен к тому элементу рамки, для которого нужно найти направление ЭДС. Она будет направлена в ту сторону, куда смотрят остальные четыре пальца руки.

В результате, на элементах рамки, расположенных параллельно оси вращения, ЭДС всегда складываются. В ходе движения рамки курс ЭДС меняется на противоположный, поскольку рабочие части рамки при каждом вращении перемещаются между разными магнитными полюсами. Когда плоскость рамки располагается параллельно силовым линиям, электродвижущая сила достигает своего максимума, как и скорость перемещения самой рамки.

Из этого можно сделать вывод, что в проводнике, перемещающемся в магнитном поле, образуется ЭДС, которая периодически меняет свое направление и величину.

Электромагнитная индукция. Правило Ленца

Явление электромагнитной индукции было открыто выдающимся английским физиком М.Фарадеем в 1831 г. Оно заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении во времени магнитного потока, пронизывающего контур.

Магнитным потоком Φ через площадь S контура называют величину

где B – модуль вектора магнитной индукции, α – угол между вектором и нормалью к плоскости контура (рис. 1.20.1).

Магнитный поток через замкнутый контур. Направление нормали и выбранное положительное направление обхода контура связаны правилом правого буравчика

Определение магнитного потока нетрудно обобщить на случай неоднородного магнитного поля и неплоского контура. Единица магнитного потока в системе СИ называется Вебером (Вб). Магнитный поток, равный 1 Вб, создается магнитным полем с индукцией 1 Тл, пронизывающим по направлению нормали плоский контур площадью 1 м 2 :

1 Вб = 1 Тл · 1 м 2 .

Фарадей экспериментально установил, что при изменении магнитного потока в проводящем контуре возникает ЭДС индукции равная скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взятой со знаком минус:

Эта формула носит название закона Фарадея.

Опыт показывает, что 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. Это утверждение, сформулированное в 1833 г., называется правилом Ленца.

Рис. 1.20.2 иллюстрирует правило Ленца на примере неподвижного проводящего контура, который находится в однородном магнитном поле, модуль индукции которого увеличивается во времени.

Иллюстрация правила Ленца. В этом примере , а . Индукционный ток I_инд течет навстречу выбранному положительному направлению обхода контура

Правило Ленца отражает тот экспериментальный факт, что и всегда имеют противоположные знаки (знак «минус» в формуле Фарадея). Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии.

Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум причинам.

1. 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. Возникновение ЭДС индукции объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы.

Рассмотрим в качестве примера возникновение ЭДС индукции в прямоугольном контуре, помещенном в однородное магнитное поле перпендикулярное плоскости контура. Пусть одна из сторон контура длиной l скользит со скоростью по двум другим сторонам (рис. 1.20.3).

Возникновение ЭДС индукции в движущемся проводнике. Указана составляющая силы Лоренца, действующей на свободный электрон

На свободные заряды на этом участке контура действует сила Лоренца. Одна из составляющих этой силы, связанная с переносной скорость зарядов, направлена вдоль проводника. Эта составляющая указана на рис. 1.20.3. Она играет роль сторонней силы. Ее модуль равен

Работа силы F_Л на пути l равна

По определению ЭДС

В других неподвижных частях контура сторонняя сила равна нулю. Соотношению для _инд можно придать привычный вид. За время Δt площадь контура изменяется на ΔS = lυΔt. Изменение магнитного потока за это время равно ΔΦ = BlυΔt. Следовательно,

Для того, чтобы установить знак в формуле, связывающей и нужно выбрать согласованные между собой по правилу правого буравчика направление нормали и положительное направление обхода контура как это сделано на рис. 1.20.1 и 1.20.2. Если это сделать, то легко прийти к формуле Фарадея.

Если сопротивление всей цепи равно R, то по ней будет протекать индукционный ток, равный . За время Δt на сопротивлении R выделится джоулево тепло

Возникает вопрос: откуда берется эта энергия, ведь сила Лоренца работы не совершает! Этот парадокс возник потому, что мы учли работу только одной составляющей силы Лоренца. При протекании индукционного тока по проводнику, находящемуся в магнитном поле, на свободные заряды действует еще одна составляющая силы Лоренца, связанная с относительной скоростью движения зарядов вдоль проводника. Эта составляющая ответственна за появление силы ампера . Для случая, изображенного на рис. 1.20.3, модуль силы Ампера равен F_A = I B l. Сила Ампера направлена навстречу движению проводника; поэтому она совершает отрицательную механическую работу. За время Δt эта работа A_мех равна

Движущийся в магнитном поле проводник, по которому протекает индукционный ток, испытывает магнитное торможение. Полная работа силы Лоренца равна нулю. Джоулево тепло в контуре выделяется либо за счет работы внешней силы, которая поддерживает скорость проводника неизменной, либо за счет уменьшения кинетической энергии проводника.

2. 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. Электроны в неподвижном проводнике могут приводиться в движение только электрическим полем. Это электрическое поле порождается изменяющимся во времени магнитным полем. Работа этого поля при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна ЭДС индукции в неподвижном проводнике. Следовательно, электрическое поле, порожденное изменяющимся магнитным полем, не является потенциальным. Его называют вихревым электрическим полем. Представление о вихревом электрическом поле было введено в физику великим английским физиком Джеймсом Максвеллом в 1861 г.

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.