Магнитный поток простыми словами
Вероятно, термин “поток” ассоциируется у вас с потоком воды. Если бы вы хотели описать этот поток количественно, то имели бы в виду определенное количество воды, протекающей через поперечное сечение в определенной точке. Такой поток может нести большое или малое количество воды в зависимости от скорости воды и площади этого поперечного сечения.
Магнитный поток – это физическая величина, тесно связанная с явлением электромагнитной индукции. Это сложная величина, довольно абстрактная. Но, как вы правильно догадались, его название берет свое начало в гидродинамике. Здесь, однако, нет потока материи через поверхность, есть только векторы магнитной индукции B , “пронзающие” поверхность и иногда “скользящие” по ней.
Представьте себе однородное магнитное поле, описываемое вектором магнитной индукции B . Мы помещаем плоскую поверхность с полем S в это поле совершенно произвольным образом, то есть под любым углом по отношению к вектору B (рис. 1). Теперь определим вектор B , перпендикулярный плоскости поверхности. Пусть длина этого вектора равна величине поверхности.
Рис. 1. Плоская поверхность в магнитном поле. Красным цветом обозначен вектор S, представляющий эту поверхность.
Потоком вектора магнитной индукции ФB через поверхность S называется скалярное произведение векторов B и S .
Итак можно дать следующее определение термину “магнитный поток”:
Магнитный поток — это поток вектора магнитной индукции B через некоторую поверхность. Для бесконечно малого участка равен произведению модуля | B | на площадь участка dS и косинус угла α между B и нормалью n к плоскости участка. Для поверхности конечных размеров находится как сумма (интеграл) по её малым фрагментам.
Википедия
Зависимости магнитного потока
Используя формулу, можно увидеть, что магнитный поток зависит от трех переменных: магнитного поля B, площади S и угла α.
Магнитный поток линейно зависит от B и S. Например, если увеличить площадь S, но оставить магнитное поле B и угол α прежними, то магнитный поток будет больше. Поэтому большая площадь означает большой поток, а маленькая площадь – маленький магнитный поток.
Если, с другой стороны, увеличить магнитное поле B, то магнитный поток также увеличится. Сильное магнитное поле приводит к большому потоку, слабое поле – к малому магнитному потоку.
В целом, чем больше магнитное поле B или площадь S, тем больше магнитный поток.
Ситуация с углом α немного сложнее. Представьте, что ваша поверхность перпендикулярна магнитному полю, тогда ваш угол α = 0 ° . Здесь у вас самый большой магнитный поток. Если теперь шаг за шагом увеличивать угол, магнитный поток уменьшается. Когда вы достигаете α = 90 ° , магнитный поток равен нулю, потому что магнитное поле параллельно поверхности. После этого он снова начинает увеличиваться.
Единица измерения и обозначение магнитного потока
Магнитное поле B имеет единицу Тесла (T), а площадь – единицу квадратный метр м 2 .
Поток является скалярной величиной и его единицей измерения является вебер (Вб): 1 Вб = 1 Т * м 2 , то есть [Ф] = Т * м 2 . Обозначается магнитный поток как Ф (символ формулы — греческая фи).
Примеры
Приведенные ниже примеры дадут вам лучшее понимание того, что представляет собой новая концепция и аналогия с потоком воды.
- В случае, показанном на рис. 2, поток магнитного поля с магнитной индукцией B через поверхность S составляет: ФB = B * S и при этом его значение максимально, так как:
2. А в каком случае при ненулевой магнитной индукции ФB = 0 ?
Рис. 3. Поверхность параллельна силовым линиям магнитного поля. Векторы B и S перпендикулярны
Определение магнитного потока показывает, что это тот случай, когда:
потому что cos 90 ° = 0.
На рис. 3 мы видим, как в этой ситуации располагается плоская поверхность относительно векторов магнитной индукции.
Обратите внимание, что ФB можно представить как произведение В и S⟂, где S⟂ = S * cos α. Аналогично, вы всегда можете рассчитать величину потока магнитного поля, умножив составляющую магнитной индукции, перпендикулярную поверхности, на величину площади поверхности (см. рис. 4а. и 4б.).
Рис. 4а. Поверхность S⊥ – это проекция поверхности S в направлении, параллельном линиям магнитного поля 
Рис. 4б. Вектор B⟂ – это проекция вектора B на направление вектора S
Как можно рассчитать поток магнитного поля, если поле неоднородно и/или поверхность искривлена? Мы делим поверхность, через которую мы должны вычислить поток, на такие маленькие участки, что можно считать, что они плоские и поле однородное. Все это для того, чтобы можно было применить определение потока. Поэтому мы вычисляем небольшие «потоки» и суммируем их. Описанная процедура называется вычислением поверхностного интеграла, который записывается в виде:
Вычислять такие интегралы совсем не обязательно, но полезно понимать смысл такой процедуры.
Ток или поток? Магнитные цепи и их основные характеристики
Привет, Хабр! С недавнего времени я стал задумываться об актуальности статей и заметил, что на Хабре нет ни одной обзорной статьи про магнитные цепи. Как так!? Ведь это. а что это такое?
Действительно, наверняка даже самые отстраненные от инженерного дела люди имеют представление о том, что такое электрические цепи, но возможно, что про магнитные цепи не слышали вовсе. Каждый школьник когда-то в учебнике физики наблюдал разные схемы и формулы, описывающие законы Ома. Но магнитные цепи в рамки школьного курса не входят.
Я решил написать данную статью, чтобы показать, насколько удивителен мир физики и заинтересовать школьников в её изучении. В данной статье, однозначно, для полноты вещей будут и выводы формул и использование некоторых математических операций, которые могут быть известны не всем, но такие моменты я постараюсь сгладить. Приступим.
Что нужно вспомнить?
Для более четкого представления сей статьи, неплохо бы вспомнить основные характеристики самого магнитного поля: вектор магнитной индукции, вектор напряженности, поток вектора магнитной индукции — а также нужно вспомнить немного про магнитные вещества, а именно про ферромагнетики.
Полагается, что вам известен обобщенный закон Ома и помнится, что такое ток, напряжение и сопротивление. Если нет, то крайне советую обратиться к сторонним ресурсам, чтобы иметь хотя бы общее представление о том, что последует далее. Крайне советую учебник И.Е. Иродова «Электромагнетизм».
Применение магнитных цепей
Магнитные цепи находят очень большое поле применения, а именно, они используются для надежного пропускания магнитного потока по специальному проводнику с минимальными или, в некоторых случаях, определенными потерями. В электротехнической промышленности широко используется взаимная зависимость магнитной и электрической энергий, переход из одного состояния в другое. На подобном принципе работают, например, трансформаторы, разные электродвигатели, генераторы и другие устройства.
Конечно, можно продолжительное время говорить об устройствах, разных типах магнитопроводов (про которые речь пойдет далее), но наша первичная цель — рассмотреть выводы основных характеристик магнитных цепей. Продолжаем!
Как устроены магнитные цепи?
Магнитную цепь, на самом деле, не так сложно представить, как может показаться человеку, который о них впервые слышит. Обычно магнитные цепи представляют из себя некоторые фигуры из ферромагнитного сердечника с источником или несколькими источниками ПОтока. Пожалуй, один из самых простых примеров с одним источником, который можно взять на вооружение, проиллюстрирован ниже:
Перед продолжением обусловимся, что среди электротехников сердечник называют магнитопроводом. Часть магнитопровода, на которой отсутствуют обмотки и которая служит для замыкания магнитной цепи, называется «ярмо».
Начнем с тороидального сердечника. Такой тороидальный сердечник может служить формой для катушки, как бы странно это не звучало. Но что за катушка? Ну, первое что приходит в голову — провод, образующий витки. Хорошо, но какого его предназначение? Вернемся к электрическим цепям и вспомним, что существуют источники тока / напряжения, так называемые активные элементы. Так вот, в магнитных цепях роль источника выполняют катушки с током, накрученные на основной элемент магнитной цепи — ферромагнитный магнитопровод.
Вспомним теперь про ферромагнитные материалы. Почему именно они? Дело в том, что благодаря высокому значению магнитной проницаемости, что сигнализирует о хорошей намагниченности ферромагнетика, силовые линии магнитного поля практически не выходят за пределы сердечника, либо не выходят вовсе. Однако это будет справедливо лишь тогда, когда наш сердечник замкнутый, либо имеет небольшие зазоры. То есть, ферромагнетики обладают сильно выраженными магнитными свойствами, когда как у парамагнетиков и диамагнетиков они значительно слабее, что можно наблюдать на следующем графике зависимости намагниченности от напряженности магнитного поля:
Вещества, которые входят в конструкцию магнитопровода, могут обладать не только сильномагнитными свойствами, но также и слабомагнитными. Однако мы рассматриваем сердечник из ферромагнитного материала.
Ещё из школьного курса мы представляем себе картину с линиями магнитной индукции соленоида, мы можем визуально представить его поле и понимаем, что концентрация силовых линий, их насыщенность, наибольшая в центре рассматриваемого соленоида. Тут очень важно вспомнить правило буравчика, чтобы правильно указать направление силовых линий.
Отсюда становится ясно, что катушки-источники порождают магнитное поле, а следовательно и поток линий магнитной индукции. Такие линии будут циркулировать по нашему сердечнику, словно повторяя его форму. Именно поэтому нам важно условие замкнутости сердечника и материал, из которого он сделан. Положим, что наш воображаемый сердечник замкнут. Из этого следует, что и силовые линии замкнуты, а следовательно выполняется теорема Гаусса для магнитного поля, которая гласит: поток линий магнитной индукции через замкнутую поверхность равен нулю. Стоит учесть, что поток адаптируется под площадь сечения.*
Ну и в конечном счете ферромагнитный сердечник поток куда-то передает! Аналогичным образом замкнутый проводник позволяет передать электрический ток.
Отлично! Мы разобрались с тем, что такое магнитные цепи и даже вспомнили про теорему Гаусса и ферромагнетики. Теперь поговорим о том, какие следствия вытекают из теоремы Гаусса и возможности пренебрежения полем вне сердечника и в зазорах.
1] Магнитные потоки Ф1 и Ф2 через произвольные сечения будут равны между собой.
2] В узле (разветвлении) сердечника алгебраическая сумма потоков (с учетом их направлений) будет равна нулю. Мне одному это что-то напоминает?
То есть мы окончательно сформулировали, что замкнутая (или почти замкнутая) система из ферромагнитных сердечников может рассматриваться как проводящая цепь. В нашем случае — магнитная.
Расчет магнитных цепей
Теперь внимание. Мы можем провести прямую аналогию и рассматривать магнитный поток в цепи, как характеристику электрической цепи — силу тока. Рассмотренное второе следствие означает, что для магнитной цепи, также как и для электрической, справедливо первое правило Кирхгофа. Отсюда можно лаконично перейти к закону полного тока, который в рамках классического магнетизма будет выглядеть следующим образом (приготовьтесь, немного математики):
Криволинейный интеграл по замкнутому контуру от напряженности магнитного поля будет равен алгебраической сумме токов, сцепленных (окруженных) данным контуром.
Также мы помним, что напряженность магнитного поля связана с магнитным потоком следующим образом:
Руководствуясь приведенным законом полного тока и определением напряженности через магнитный поток, мы можем переписать закон полного тока относительно магнитного потока.
Откуда в уравнении появился и что символизирует аргумент l? Все просто. Так как мы рассматриваем контур L, то логично предположить, что на разных его участках наши показатели могут принимать разные значения: площадь сечения может изменяться, как и магнитная проницаемость или магнитный поток.
Полученное уравнение можно рассматривать как второй закон Кирхгофа, который, напомню, звучит следующим образом:
В любой момент времени алгебраическая сумма напряжений на ветвях контура равна нулю.
Для полной ясности, проведем аналогию между электрическими и магнитными цепями, а также их величинами.
Именно проведя аналогичное представление для электрической цепи, мы можем рассчитывать магнитные цепи. Для того, чтобы это сделать, следует:
Мысленно разбить сердечник на отдельные однородные участки (непрерывные, с постоянным сечением) без разветвлений и определить их магнитные сопротивления;
Построить эквивалентную электрическую цепь, последовательно заменяя участки магнитной цепи участками электрической с электрическими сопротивлениями, а также заменяя индуктивности (катушки) на источники ЭДС;
После обозначения заданных сопротивлений и ЭДС, можем вычислить в общем токи в элементах электрической цепи;
Произвести замену полученных величин согласно таблице (токи в потоки, ЭДС в МДС [Магнитодвижущую силу / Ампер-витки], а электрическое сопротивление в магнитное сопротивление).
Именно таким образом, мы можем рассчитать характеристики магнитной цепи. Полученные результаты позволяют, например, вычислить индуктивности.
А примеры расчетов будут?
Здесь — нет. А по ссылке — да! В данном документе Самарского государственного технического университета рассмотрены базовые примеры, которые позволят лучше разобраться в теме, если она вас заинтересовала. Помимо всего прочего, там же приведены теоретические справки. Советую прочитать в надежде, что вы сможете для себя что-то новое подчерпнуть.
Заключение
Во-первых, спасибо, что дочитали статью! Один из способов поддержать меня как автора — подписаться на мой паблик Вконтакте, где иногда выходят «локальные статьи».
Во-вторых, вернемся к началу статьи. Там я задался целью показать, почему физика удивительна. Не хочу быть многословным, поэтому просто попрошу вспомнить все то, что было описано выше. Мы оперировали моделями, которые относятся к разделу физики электричества и перенесли их на физику магнетизма. Наверняка, вы замечали, насколько часто встречаются элементы механики в иных разделах. Это по истине удивительно! Однако главное не поработиться иллюзией, что в мире все законы нам предельно известны.
Свойства и особенности силовых линий магнитного поля. Как направлены магнитные линии
Рисунок 2.2. В магнитном поле магнитные стрелки ориентированы определенным образом. Северный полюс стрелки указывает направление вектора магнитной индукции в этой точке.
Правило Буравчика в физике — правило правой и левой руки кратко и понятно с формулами и примерами
С древности было замечено, что некоторые железные вакансии тянут за собой железные тела. Древние греки называли эти шахты магнитного камня частями, вероятно, по названию города Магнезия, из которого привозили руду. Сегодня их называют природными магнитами. Существуют также искусственные магниты. Сегодня вы познакомитесь с некоторыми свойствами магнитов и узнаете о магнитных взаимодействиях и взаимосвязи между магнитными и электрическими явлениями.
Свойства постоянных магнитов:.
На уроке естествознания в 5 классе вы узнаете о магнитных явлениях и обнаружите, что некоторые тела обладают способностью притягивать черные предметы и притягиваться к ним.
Тела, которые сохраняют свои магнитные свойства в течение длительного времени, называются постоянными магнитами.
Первая попытка научного подхода к изучению магнетизма была предпринята в 13 веке Пьером Перелином де Марикотом из французской природы (точная дата его появления неизвестна) с помощью «магнитного послания». Свойства постоянных магнитов были исследованы более систематически, чем Вильгельмом Гильбертом (1544-1603). Это был английский физик и врач, один из основателей электротехнической науки. Некоторые из основных свойств показаны ниже.
Полюса магнита отталкиваются от полюсов, а полюса магнита притягиваются к противоположным полюсам.
noord — север; zuiden (нем.
Эксперимент с эрстедом и ампером:.
Уже древнегреческие ученые предполагали, что магнитные и электрические явления связаны между собой, но эта связь была установлена только в начале 19 века.
15 февраля 1820 года датский физик Ханс Кристиан Эрстед (1777-1851) провел эксперимент по нагреванию электрического трубопровода. Он отметил, что во время протекания электричества магнитные стрелки возле трубопровода были перпендикулярны проводнику, удалены от станции север-юг (перпендикулярно проводнику).Рисунок 1.1.). Если в трубопроводе не было электричества, стрелка возвращалась в исходное положение. Таким образом, было установлено, что электричество обладает магнитным эффектом.
Рисунок 1.1: Схема эксперимента ERSTED (символ I внизу означает, что через проводник течет ток — стрелка указывает направление тока).
Французский математик и физик Андре Мари Ампер (1775-1836) впервые услышал об эксперименте X 4 сентября 1820 года; через неделю он уже доказал взаимодействие двух параллельных проводников (Рисунок 1.2.). Ампер также продемонстрировал, что катушка, в которой течет ток, подобна постоянному магниту (Рисунок 1.3.). Он пришел к выводу, что если трубы электрически нейтральны (не заряжены), то их притяжение или отталкивание не может быть объяснено электрической силой. Он пришел к выводу, что поведение проводников является результатом действия магнитных сил.
Определение магнитного поля
При изучении электрических явлений в 8 классе он узнал, что вблизи заряженного тела существует поле, которое называется электрическим полем, и что это поле осуществляется за счет электрического взаимодействия между заряженными телами и частицами.
Вблизи намагниченного тела, вблизи канала с электрическим током, также существует поле, называемое магнетизмом. Магнитные взаимодействия протекают с некоторой скоростью от магнитного поля (к такому выводу пришел английский физик Майкл Фарадей (1791-1867)).
Рисунок 1.3. Силовые катушки действуют как постоянные магниты
Рассмотрим взаимодействие между постоянным магнитом и катушкой с током (Рис. 1.3, б). Катушка с током создает магнитное поле. Магнитное поле распространяется в пространстве и начинает действовать на постоянный магнит (намагниченный объект) — магнит отклоняется. Магнит также создает собственное магнитное поле, которое, в свою очередь, воздействует на катушку с током — и катушка также отклоняется.
Обратите внимание, что магнитные поля также существуют вблизи движущихся заряженных частиц и вблизи движущихся заряженных тел и действуют с некоторой силой на заряженные тела и частицы, движущиеся в пределах этого магнитного поля.
Примечание: Мы не можем видеть магнитное поле, но оно, как и электрическое поле, абсолютно реально — это форма материи.
Магнитное поле — это форма материи, которая существует вблизи намагниченных объектов, проводников тока, движущихся заряженных объектов и частиц и воздействует на другие намагниченные объекты, проводники тока, движущиеся заряженные объекты и частицы в этом магнитном поле.
Объекты, которые сохраняют свои магнитные свойства в течение длительного периода времени, называются постоянными магнитами. Основные свойства постоянного магнита: 1) магнитное действие магнита сильнее вблизи его полюсов — 2) полюса магнита с одинаковой магнитной силой отталкиваются, а полюса с противоположной магнитной силой притягиваются — невозможно изготовить магнит, если есть только один полюс — 3) нагревание постоянного магнита до определенной температуры (точка Кюри) тогда его магнитные свойства теряются.
Магнитные взаимодействия происходят через магнитные поля. Магнитное поле — это форма материи, которая существует вблизи намагниченных объектов, проводников с током, движущихся заряженных объектов и частиц в этом магнитном поле.
Индукция магнитного поля, линии магнитной индукции
Хотя магнитные поля невидимы, важно научиться визуализировать их, чтобы лучше понимать магнитные явления. В этом могут помочь магнитные стрелки. Каждая стрелка представляет собой небольшой постоянный магнит, который легко поворачивается в горизонтальной плоскости (Рисунок 2.1.). В этом разделе вы узнаете, как магнитное поле изображается графически и какие физические размеры его характеризуют.
Правило Буравчика
Несколько магнитных стрелок помещаются рядом с проводником, и через проводник пропускается ток. Стрелки направлены в сторону магнитного поля проводника (Рис. 3.1,.). Северный полюс каждой стрелки указывает направление вектора индукции магнитного поля в этой точке и, следовательно, направление линий магнитного поля в этом поле.
При изменении направления тока в проводнике изменяется и направление магнитных стрелок (Рис. 3.1, б). Это означает, что направление линий магнитного поля зависит от направления тока в проводнике.
Рис. 3.1.Использование магнитных стрелок для определения направления линий магнитной индукции магнитного поля проводника с током
Поскольку не всегда легко найти направление линий магнитной индукции с помощью магнитных стрелок, используется правило градиента.
Когда соломинка поворачивается в направлении тока в проводнике, направление вращения ручки соломинки указывает направление линий магнитного поля тока (см.Рисунок. 3.2, рис.);
Когда большой палец правой руки повернут в направлении тока в проводнике, четыре изогнутых пальца указывают направление линий магнитного поля (Рис. 3.2, б).
Рисунок 3.2; определение направления линий магнитного поля силовой линии с помощью закона Драйвера
От чего зависит модуль индукции магнитного поля проводника с током
Помните: магнитное действие проводников тока было впервые открыто X. Орстедом в 1820 году. Но почему это открытие не было сделано раньше? Причина в том, что магнитная индукция магнитного поля, создаваемого проводником, быстро уменьшается с увеличением расстояния от проводника. Поэтому, если магнитная стрелка не находится вблизи проводника с током, магнитное действие тока практически незаметно.
Рис. 3.3. Линии магнитной индукции магнитного поля прямого проводника с током. Проводник расположен перпендикулярно плоскости рисунка; крестик
Магнитная индукция также зависит от силы тока. Чем больше ток в проводнике, тем больше магнитная индукция магнитного поля, создаваемого проводником.
Магнитное поле катушки с током
Намотаем изолированный кабель и пропустим через него ток. Если мы теперь поместим магнитные стрелки вокруг катушки, они будут направлены от N-полюса к одному концу катушки и от S-полюса к другому концу (Рисунок 3.4.). Это означает, что вокруг катушки с током существует магнитное поле.
Рис. 3.4; исследование магнитного поля катушки с током с помощью магнитных стрелок.
Подобно магнитной ленте, силовая катушка имеет два полюса — южный и северный. Полюса катушки расположены на концах катушки, и их легко определить по правой стороне.
Магнитные поля существуют вокруг постоянных магнитов (например, конических, круглых и т.д.) и вокруг металлических проводов, по которым течет ток.
Свойства магнитного поля
Магнитные поля содержат элементы, которые взаимодействуют и взаимодействуют друг с другом, тем самым изменяя свойства этих элементов. Свойства магнитных полей:.
- Образуется в результате воздействия перемещающихся зарядов электрического тока.
- Характеристикой магнитного поля в любой его точке является вектор физической величины, который называют магнитной индукцией. Данная характеристика является силовым параметром магнитного поля.
- Оказывает воздействие исключительно на магниты, проводники, по которым проходит ток, перемещающиеся заряды.
- Классифицируется на постоянный и переменный тип.
- Может быть измерено с помощью специальных приборов, не воспринимается человеческими органами чувств.
- Обладает электродинамическим характером, поскольку образовано в процессе перемещения зарядов и влияет на заряженные частицы, когда они перемещаются.
- Частицы, обладающие зарядом, перемещаются перпендикулярно.
Величина магнитного поля определяется скоростью его изменения. На основе этого свойства можно выделить два типа магнитных полей.
Гравитационные магнитные поля наблюдаются вокруг элементарных частиц. Они создаются в соответствии с особой структурой элементарных частиц.
Что такое силовые линии магнитного поля
Магнитные силовые линии — это линии, касательные которых совместимы с направлением вектора индукции магнитного поля.
Силовые линии можно использовать для отображения магнитных полей. Например, поведение железной стружки на листе бумаги демонстрирует магнитное поле, источником которого является постоянный магнит в виде бруска.
Другим примером является картина силовых линий, возникающих при наблюдении за длинной индукционной катушкой и постоянным магнитом.
Силовые линии магнитного поля имеют следующие характеристики
- данные линии не имеют пересечений и прерываний;
- частота расположения линий пропорциональна индукции магнитного поля;
- линии всегда замыкаются, следовательно, магнитное поле является вихревым.
Как определить силовые линии магнитного поля
Когда магнитное поле прикладывается к негерметичной рамке, возникает магнитный момент. Эта величина представляет собой вектор линий, перпендикулярных рамке. Магнитные поля изображаются графически с помощью силовых линий. Они ориентированы так, чтобы вектор напряженности поля совпадал с направлением линий электропередач. Эти линии замкнуты и непрерывны.
Магнитные стрелки можно использовать для определения направления магнитного поля. Полярность магнита также можно определить по магнитному полю силовых линий. Конец, где динамическая линия выходит, соответствует северному полюсу, а точка входа линии соответствует южному полюсу.
Для визуальной оценки магнитного поля рекомендуется использовать железные опилки и лист бумаги. Он покрыт постоянным магнитом. Поверхность бумаги покрыта частицами железа. Металлические частицы приобретают порядок, соответствующий расположению силовых линий.
Для проводников направление силовых линий определяется с помощью правила большого пальца или правила правой руки. Например, если вы обхватите проводник рукой так, чтобы большой палец был направлен в сторону тока от положительного к отрицательному, остальные четыре пальца будут направлены в ту же сторону, что и динамические линии магнитного поля.
Магнитные поля влияют на токи утечки зарядов или проводников под действием сил Лоренца. Его направление определяется с помощью правила левой руки. Если левая рука расположена так, что четыре пальца направлены в ту же сторону, что и ток в проводнике, а силовые линии проходят через ладонь, то большой палец указывает на вектор силы Лоренца, через который магнитное поле действует на внутренний проводник. Магнитное поле.
Для характеристики поля используется понятие индукции. Графически особенности представлены в виде линий магнитного поля. Они замкнуты, бесконечны, простираются от северного полюса и возвращаются к южному полюсу.
Основные признаки и свойства магнитных линий
Магнитные поля существуют вокруг постоянных магнитов (например, конических, круглых и т.д.) и вокруг металлических проводов, по которым течет ток.
Магнитные поля представлены в виде магнитных силовых линий или линий магнитной индукции. Линии магнитной индукции — это геометрические кривые, вектор (направление) магнитной индукции которых направлен тангенциально в любой точке.
Основные свойства линий магнитного поля можно выделить следующим образом
- Магнитные линии непрерывны;
- Магнитные линии всегда замкнуты. Это означает, что в природе не существует отдельных магнитных зарядов по аналогии с электрическими зарядами. Исследователи долго пытались найти этот заряд с помощью уменьшения (дробления) размеров постоянных магнитов. Но даже самый микроскопический магнитик всегда имеет два полюса: северный и южный;
- Направление магнитных линий зависит от направления электрического тока;
- Густота (плотность) линий соответствует величине поля: чем гуще (плотнее) расположены линии, тем больше значение поля.
Магнитные линии полосового магнита
С помощью простых экспериментов можно продемонстрировать свойства линий магнитного поля. Полосовой магнит помещают на горизонтальную поверхность, сверху на прозрачную (неметаллическую) пластину, на которую бросают небольшой кусочек железа. Под действием магнита опилки намагничиваются и превращаются в магнитную стрелку. Установлено, что опилки располагаются вдоль магнитных линий, выходящих из северного полюса B и входящих в южный полюс N. Линии более плотные в районе полюсов магнита.
Рисунок 1: Линии магнитного поля полосатого магнита
Магнитные линии дугообразного магнита
Аналогичные эксперименты можно провести с использованием дугового магнита.
Рис. 2. Линии магнитного поля дугового магнита.
Видно, что во всем магните линии магнитного поля начинаются на N-полюсе и заканчиваются на S-полюсе.
На рисунке 7 показано, как можно использовать правило буры. По отношению к лидеру ток течет вниз. Бура, расположенная, как показано на рисунке, вращается по часовой стрелке и движется вниз. Тогда, согласно правилам, направление линий магнитного поля вокруг проводника будет «по часовой стрелке».
Силовые линии магнитного поля: определение направления
Каждый, кто изучал физику в школе, знаком с этим понятием, т.е. с направлением линий магнитной индукции. Направление магнитных силовых линий может быть рассчитано различными способами, наиболее распространенным из которых является «правило большого пальца». Этот и другие методы определения направления индукции более подробно описаны в данной статье.
Определение магнитных силовых линий
С точки зрения физики, линия магнитного поля (МП) — это прямая линия с касательной, проведенной к той же величине, что и путь ориентации магнитной индукции. Линия спроектирована так, что ее частота пропорциональна скорости магнитной индукции.
Чем выше частота в конкретной точке, тем выше частота линии электропередачи.
Это делает свойства динамических линий похожими на свойства статических проводов. Однако различия могут заключаться в некоторых особенностях.
Во-первых, необходимо исследовать магнитное поле магнита, создаваемое линией постоянного тока. Проводящие волокна проходят перпендикулярно основной плоскости. В различных точках, равноудаленных от трубопровода, значения индуктивности будут одинаковыми. Прямые линии, касательные которых по всей длине соответствуют индуктивному процессу магнита, образуют круг или эллипс.
Согласно вышесказанному, эти прямые линии представляют собой круги или овалы, обернутые вокруг самого трубопровода. Все центры линий электропередач накапливают. Они значительно отличаются от статических линий электропередач. Это связано с тем, что последние не сокращаются, а запускаются и загружаются.
Эти линии поля не имеют ни конца, ни начала. Сегодня полюса магнитов севера и юга еще не определены по отдельности. Это можно рассматривать как источник поля определенной полярности. Это также не начало и не конец поля полей. Однако все источники магнитных полей характеризуются наличием северного и южного полюсов.
Как определить линейно-магнитную направленность
Существует несколько способов определения направления этих линий. Более подробную информацию об определении направления магнитных линий см. ниже.
Правило буравчика
Наиболее распространенным методом определения маршрута этих линий является правило винта. Впервые о нем заговорили в 19 веке, когда ученые обнаружили магнитные поля вокруг трубопроводов, связанные с напряжением.
Сформированные силовые линии ведут себя так же, как природные магниты. Кроме того, взаимосвязь между электрическим полем и током МП в трубопроводе была первоначальным источником электромагнитной динамики.
Также при определении положения могут быть найдены такие показатели вектора оси.
Явление электромагнитной индукции
Возникновение электрического тока в замкнутом проводнике (замкнутой цепи) возможно при помощи обратного преобразования из магнитного потока в электрический. Это явление называется электромагнитной индукцией. Возникновение электрического тока в замкнутой цепи возможно только при условии воздействия на проводник в замкнутой цепи переменного/изменяющего магнитного поля. Такие изменения магнитного потока можно представить изменением числа магнитных линий, которые пронизывают контур с током (например катушку). Самый простой случай возникновения электромагнитной индукции в проводнике – это физическое движение/перемещение магнита относительно замкнутого проводника, в котором регистрируется электрический ток во время такого движения магнита. Если рассматривать явление электромагнитной индукции тока на примере классической катушки с намотанным на неё проводником, то полученный таким образом индукционный ток в следствие движения магнита внутри катушки будет зависеть от:
- Количества витков катушки
- Скорости изменения магнитного потока
- Свойств и типа (материала) самого магнита
Интересная и важная особенность, сопровождающая явление электромагнитной индукции тока: когда магнит движется в катушке с проводником, то в зависимости от направления движения будет изменяться и направление течения тока в проводнике. Величина выработанного тока в случае электромагнитной индукции зависит от свойств магнитного поля. Поскольку электрический ток появляется в результате действия электрического поля, то в случае электромагнитной индукции происходит процесс образования электрического поля из магнитного с помощью магнитного потока.
Магнитный поток отвечает за количество направленных магнитных линий, проходящих через ограниченную площадь или контур. Величина обозначается символом Sl (1 вебер ). Величина магнитного потока определяется количеством магнитных линий в нём. Магнитный поток всегда характеризует весь магнит целиком, а не какое-то его отдельное проявление в определённой точке, магнитный поток можно считать энергетическим потенциалом отдельно взятого магнита.
Магнитный поток и впоследствии вырабатываемый в результате электромагнитной индукции ток зависит от некоторых закономерностей:
Магнитный поток прямо пропорционален интенсивности магнитной индукции.
(где Sl – магнитный поток (1 вебер ), B – магнитная индукция (1 Тесла ))
Магнитный поток прямо пропорционален площади поверхности, через которую проходят линии магнитной индукции.
(где Sl – магнитный поток (1 вебер ), S – площадь поверхности)
Воздействие магнитного потока зависит от угла расположения площади поверхности/контура по отношению к источнику магнитного поля.
Сила полученного в результате электромагнитной индукции тока напрямую зависит от скорости изменения магнитного потока.
(где I – сила тока (1 ампер ), Sl – изменяемый магнитный поток (1 вебер ), t – время изменения магнитного потока (1 секунда (с)))
Явление электромагнитной индукции
Само название «электромагнитная» состоит из двух частей: «электро» и «магнитная». Электрические и магнитные явления неразрывно связаны друг с другом. И если электрические заряды, двигаясь, изменяют магнитное поле вокруг себя, то и магнитное поле, изменяясь, поневоле заставит перемещаться электрические заряды, образуя электрический ток.
При этом именно изменяющееся магнитного поля вызывает возникновение электрического тока. Постоянное магнитное поле не вызовет движение электрических зарядов, а соответственно, и индукционный ток не образуется. Более детальное рассмотрение явления электромагнитной индукции, вывод формул и закона электромагнитной индукции относится к курсу девятого класса.
Электродинамический микрофон
Рассмотрим, как работает микрофон, на самом простом из микрофонов – электородинамическом. Его работа основана на явлении электромагнитной индукции. Рассмотрим устройство электродинамического микрофона.
Диафрагма микрофона (2) сделана из полистирола или алюминиевой фольги. Она жестко связана со звуковой катушкой. Звуковая катушка (1) изготавливается из очень тонкой проволоки.
Катушку помешают в кольцевой зазор сильно постоянного магнита (3). Линии магнитной индукции будут перпндикулярны виткам катушки.
Когда человек говорит, возникает звуковая волна. Эта волна вызывает колебание диафрагмы, а следовательно и колебание звуковой катушки. Катушка движется в магнитном поле, в её витка индуцируется ток, и на концах катушки возникает переменная ЭДС индукции.
Это переменное напряжение вызывает колебание тока в цепи микрофона. Данные колебания могут быть поданы на громкоговоритель. Электродинамический микрофон имеет очень простую конструкцию.
Так же микрофоны этого типа имеют небольшие габариты и надежны в эксплуатации. При этом искажение преобразуемых колебаний в звуковом диапазоне невелики.
Направление тока и линий магнитного поля
Поскольку явление электрического тока – это направленное движение заряженных частиц, то можно сказать, что у электрического тока есть направление. Условно-правильным направлением движения электронов в замкнутой системе можно считать направление от минусового/отрицательного “-” к плюсовому/положительному “+”. Однако, общепринятая терминология направления потока предполагает обратное обозначение, при котором заряды движутся от положительного полюса к отрицательному. На основе этой общепринятой терминологии создаются все современные электронные устройства, в том числе и полярные, просто обозначение полярности в схеме этих устройств уже изначально предусматривает обратное движение потока электронов, однако схематически подключается от “плюса” к “минусу”, как и принято уже давно.
Вместе с течением тока вокруг проводника образуется магнитное поле, линии которого так же имеют направленность, зависящую от направления течения электронов. Направленность магнитных линий определяется по-разному, самый простой способ “правой руки”, когда обхватывая провод/проводник рукой большим пальцем по направлению тока мысленно представляется, что четыре пальца руки как бы показывают направление магнитных линий, “оборачивающих” проводник. Так же направление тока можно определить по взаимодействию двух параллельных проводников под напряжением: если они притягиваются друг к другу – значит ток течёт в одном направлении; если отталкиваются – в разных.
Особенности электромагнитной индукции, открытой Фарадеем
Зная, кто открыл явление электромагнитной индукции и почему возникает индуцированный ток, объясним некоторые особенности этого явления. Так, чем быстрее перемещать проводник в магнитном поле, тем будет больше значение силы индуцированного тока в контуре. Еще одна особенность явления заключается в следующем: чем больше магнитная индукция поля, то есть чем сильнее это поле, тем большую разность потенциалов она сможет создать при перемещении проводника в поле. Если же проводник находится в покое в магнитном поле, никакого ЭДС в нем не возникает, поскольку нет никакого изменения в пересекающих проводник линиях магнитной индукции.
Переменный ток
Когда катушка индуктивности начинает вращаться в магнитном поле, то в результате явления электромагнитной индукции она создает индуцированный ток. Этот электрический ток является переменным, то есть он систематически изменяет свое направление.
Переменный ток является наиболее распространенным, чем постоянный. Так, многие приборы, которые работают от центральной электрической сети, используют именно этот тип тока. Переменный ток легче индуцировать и транспортировать, чем постоянный. Как правило, частота бытового переменного тока составляет 50-60 Гц, то есть за 1 секунду его направление изменяется 50-60 раз.
Геометрическим изображением переменного тока является синусоидальная кривая, которая описывает зависимость напряжения от времени. Полный период синусоидальной кривой для бытового тока приблизительно равен 20 миллисекундам. По тепловому эффекту переменный ток аналогичен току постоянному, напряжение которого составляет Umax/√2, где Umax – максимальное напряжение на синусоидальной кривой переменного тока.
Линии магнитного поля и свойства
Полезно вспомнить общие сведения о магнитном поле. Оно образуется вокруг проводника, по которому двигаются электрические заряды или протекает электрический ток. В этом случае образуется сразу два вида поля – электрическое и магнитное поля. Таким образом, вокруг проводника/провода с током будет наблюдаться и электрическое и одновременно магнитное поле, т.к. они оба возникают при условии протекания электрического тока. 
Появившись, магнитное поле имеет свойство воздействовать на другие движущиеся электрические заряды, а точнее на сторонний электрический ток, например, протекающий в другом проводнике поблизости от первого. Такое воздействие магнитного поля материально и определяется степенью – оно может быть сильнее или слабее. В автомобиле, для примера, такое взаимодействие можно наблюдать на примере проводки, которая способна оказывать ощутимое влияние друг на друга и создавать наводки/помехи, отчётливо слышимые в динамиках.
Магнитное поле с его сферической формой образуется линиями, которые можно представить вокруг объекта под напряжением и даже увидеть при помощи мелкой металлической крошки. Таких магнитных линий вокруг объекта будет большое количество, вместе они образуют целый спектр. Направление магнитных линий определяется магнитной стрелкой. Магнитные линии всегда замкнуты, поэтому у них нет понятия “начало линии” или “конец линии”. Эти линии никогда не пересекаются, не завиваются и не взаимодействуют друг с другом. Магнитные линии в совокупности формируют форму магнитного поля и по их “кучности” в какой-то точке пространства можно судить о силе магнитного воздействия в этом месте.
Если линии располагаются параллельно друг относительно друга и в целом упорядоченно, если их плотность более менее равномерна, то такие линии образуют однородное магнитное поле. Наоборот, если линии искривляются в пространстве и разрежены друг относительно друга, то они своей совокупностью образуют неоднородное магнитное поле. Эти два вида магнитного поля отличаются друг от друга во многом:
- Магнитная сила воздействия неоднородного поля различна в той или иной точке пространства, тогда как эта сила одинакова по модулю и направлению у однородного поля.
По взаиморасположению линий в пространстве: у однородного поля линии параллельны друг другу и кучность их одинакова; у неоднородного поля линии искривляются и кучность их различна.
Неоднородное поле находится вне магнита или проводника с электрическим током, тогда как однородное поле образуется внутри магнита.
Однородные магнитные поля чаще всего наблюдаются внутри катушки с большим количеством витков (например в катушке динамика) или внутри обычного полосового магнита, тогда как неоднородное магнитное поле чаще всего располагается вне магнита, например вокруг силового кабеля питания.
Самоиндукция
Как уже известно, если по катушке идет переменный ток, то магнитный поток, который пронизывает катушку, будет изменяться. При этом, в этом же самом проводнике возникает ЭДС индукции. Это явление называется самоиндукция .
Во время самоиндукции контур, через который проходит ток, выполняет сразу две функции. Переменный ток в проводнике вызовет появление магнитного потока, через поверхность ограниченную контуром. Магнитный поток будет изменяться с течением времени, следовательно, в контуре будет возникать ЭДС индукции.
Напряженность возникающего вихревого поля будет направлена против тока. То есть, вихревое поле будет препятствовать нарастанию тока. Если бы ток уменьшался, то вихревое поле поддерживало бы ток. Явление самоиндукции можно наблюдать, например, на следующем опыте.
Рассмотрим следующую принципиальную электрическую схему.
Параллельно источнику питания подключены две одинаковые лампочки. В цепь одной из них последовательно включено сопротивление, а в цепь другой – катушка индуктивности. При замыкании ключа, первая лампочка вспыхнет почти мгновенно.
Вторая лампочка включится только спустя некоторое время. ЭДС самоиндукции катушки будет достаточно большим, и будет препятствовать нарастанию силы тока, поэтому свое максимальное значение сила тока достигнет только спустя некоторое время. Теперь рассмотрим следующую схему.
Здесь при размыкании ключа в катушке возникнет ЭДС самоиндукции, которая будет стараться поддерживать ток. В момент размыкания ключа через гальванометр будет протекать ток, обратно направленный по отношению к первоначальному. Сила тока при размыкании может даже превысить силу тока, который был первоначально. Следовательно, ЭДС самоиндукции будет больше ЭДС батареи.
Кто открыл явление электромагнитной индукции?
Электромагнитная индукция, на принципе работы которой основаны многие современные приборы, была открыта в начале 30-х годов XIX века. Открытие явления электромагнитной индукции принято приписывать Майклу Фарадею (дата открытия – 29 августа 1831 года). Ученый основывался на результатах опытов датского физика и химика Ханса Эрстеда, который обнаружил, что проводник, по которому течет электрический ток, создает магнитное поле вокруг себя, то есть начинает проявлять магнитные свойства.
Фарадей, в свою очередь, открыл противоположное обнаруженному Эрстедом явление. Он заметил, что изменяющееся магнитное поле, которое можно создать, меняя параметры электрического тока в проводнике, приводит к возникновению разности потенциалов на концах какого-либо проводника тока. Если эти концы соединить, например, через электрическую лампу, то по такой цепи потечет электрический ток.
В итоге Фарадей открыл физический процесс, в результате которого в проводнике появляется электрический ток из-за изменения магнитного поля, в чем и заключается явление электромагнитной индукции
При этом для образования индуцированного тока не важно, что движется: магнитное поле или сам проводник. Это можно легко показать, если провести соответствующий опыт по явлению электромагнитной индукции
Так, расположив магнит внутри металлической спирали, начинаем перемещать его. Если соединить концы спирали через какой-либо индикатор электрического тока в цепь, то можно увидеть появление тока. Теперь следует оставить магнит в покое и перемещать спираль вверх и вниз относительно магнита. Индикатор также покажет существование тока в цепи.
История открытия
Явление электромагнитной индукции было открыто сразу двумя учеными. Это были Майкл Фарадей и Джозеф Генри, сделавшие свое открытие в 1831 году. Публикация Фарадеем результатов проведенных экспериментов была сделана раньше его коллеги, поэтому индукцию связывают именно с этим ученым. В дальнейшем это понятие было включено в систему СГС.
Для демонстрации явления использовался железный тор, напоминающий конфигурацию современного трансформатора. Противоположные стороны его были обмотаны двумя проводниками с целью использования электромагнитных свойств.
К одному из проводов подключался ток, вызывающий своеобразную электрическую волну при прохождении сквозь тор, и некоторый электрический всплеск с противоположной стороны. Наличие тока было зафиксировано гальванометром. Точно такой же всплеск электричества наблюдался и в момент отключения провода.
Постепенно были обнаружены и другие формы проявления электромагнитной индукции. Кратковременное возникновение тока наблюдалось во время генерации его на медном диске, вращающемся возле магнита. На самом диске был установлен скользящий электропровод.
Когда обе катушки находятся в неподвижном положении относительно друг друга, никаких явлений не происходит. Когда небольшая катушка начинает двигаться, то есть выходить из большой катушки или входить в нее, наступает изменение магнитного потока. В результате, в большой катушке наблюдается появление электродвижущей силы.
Открытие Фарадея доработал другой ученый – Максвелл, который обосновал его математически, отображая данное физическое явление дифференциальными уравнениями. Еще одному ученому-физику – Ленцу удалось определить направление электротока и ЭДС, полученных под действием электромагнитной индукции.
Направление электрического тока и правило левой руки
Чтобы определить направление в проводнике электрического тока, созданного в результате явления электромагнитной индукции, можно воспользоваться так называемым правилом левой руки. Его можно сформулировать следующим образом: если левую руку поставить так, чтобы линии магнитной индукции, которые начинаются на северном полюсе магнита, входили в ладонь, а оттопыренный большой палец направить по направлению перемещения проводника в поле магнита, тогда оставшиеся четыре пальца левой руки укажут направление движения индуцированного тока в проводнике.
Существует еще один вариант этого правила, он заключается в следующем: если указательный палец левой руки направить вдоль линий магнитной индукции, а оттопыренный большой палец направить по направлению движения проводника, тогда повернутый на 90 градусов к ладони средний палец укажет направление появившегося тока в проводнике.
Индукция магнитного поля
Для того чтобы определить силу воздействия магнитного поля на проводник с током, существует понятие магнитной индукции. Магнитная индукция – это количественная характеристика магнитного поля, определяющая силу его воздействия на движущийся заряд.
Магнитная индукция зависит от многих факторов как со стороны магнитного поля, так и со стороны проводника с электрическим током:
- Магнитного поля со стороны магнита
- Силы тока, протекающего в проводнике, на который воздействует магнит
- Длины проводника с током
- Угла между направлением движения электронов (тока) в проводнике и направления воздействия магнитного поля
Поскольку магнитная индукция величина направленная, то её можно считать векторной. Магнитная индукция (B) определяется отношением силы со стороны магнитного поля (F), направленной в перпендикулярном направлении скорости движения электронов, на произведение силы тока в проводнике (I) на его длину (l). Таким образом выводится формула для расчёта, где B – векторная (направленная) величина магнитной индукции (1 Тесла ), F – сила со стороны магнитного поля (1 Ньютон ), I – сила тока (1 Ампер ), l – длина проводника (1 метр ):
В классическом случае подразумевается, что воздействие магнитного поля на проводник с током осуществляется под прямым углом (по представленной формуле). Если вектор линий магнитного поля перпендикулярен площади контура, то магнитный поток максимален. Если вектор линий магнитного поля параллелен площади контура, то магнитный поток равен нулю. Направленные линии магнитного поля так же называют и линиями магнитной индукции. Применительно к однородному и неоднородному магнитному полям с позиции магнитной индукции можно сказать, что в однородном поле значение и направленность линий магнитной индукции в каждой точке одинаково, а в неоднородном поле нет.
Эксперимент Фарадея
Опыты Фарадея заключались в работе с проводником и постоянным магнитом. Майкл Фарадей впервые обнаружил, что при перемещении проводника внутри магнитного поля на его концах возникает разность потенциалов. Перемещающийся проводник начинает пересекать линии магнитного поля, что моделирует эффект изменения этого поля.
Ученый обнаружил, что положительный и отрицательный знаки возникающей разности потенциалов зависят от того, в каком направлении движется проводник. Например, если проводник поднимать в магнитном поле, то возникающая разность потенциалов будет иметь полярность +-, если же опускать этот проводник, то мы уже получим полярность -+. Эти изменения знака потенциалов, разность которых называется электродвижущей силой (ЭДС), приводят к возникновению в замкнутом контуре переменного тока, то есть такого тока, который постоянно изменяет свое направление на противоположное.
Электромагнитная индукция в движущемся проводнике
Эксперименты показывают, что ЭДС индукции возникает в любом отрезке проводника, движущемся в магнитном поле и пересекающем линии магнитной индукции. ЭДС индукции в таком «микрогенераторе» можно рассчитать с помощью схемы, представленной на Рис.1. По параллельным металлическим «рельсам», замкнутым с одной стороны проводящей перемычкой AB, в однородном поле с магнитной индукцией B с постоянной скоростью v скользит проводящий «мостик» CD длиной l . За время dt магнитный поток, пронизывающий контур ABCD, возрастает на величину dФ = Bvl·dt, откуда
Согласно основному закону электромагнитной индукции ЭДС, индуктируемая в контуре, определяется соотношением
Так как все элементы контура, кроме «мостика», неподвижны относительно магнитного поля, то (2) — это и есть ЭДС, возникающая в движущемся проводнике.
Эта же ЭДС возникает и в незамкнутом проводящем отрезке, движущемся в магнитном поле (Рис. 2). Считается, что при перемещении проводящего отрезка в магнитном поле силой, «разделяющей» заряды q в проводнике и создающей на концах такого «микрогенератора» индукционную ЭДС, является магнитная составляющая силы Лоренца:
Если скорость движения проводника постоянна, то и ЭДС индукции остается постоянной. В момент остановки заряды в проводнике под действием кулоновских сил «схлопываются» и микрогенератор практически мгновенно разряжается.
ЭДС в таком индукционном микрогенераторе возникает вследствие того, что проводник пересекает линии магнитного поля с некоторой скоростью v. Назовем (для краткости) такой способ генерации ЭДС электромагнитной индукции «способом пересечения». Процесс электромагнитной индукции «с пересечением» можно схематически представить так:
пересечение → возникновение силы Лоренца → перемещение зарядов → образование ЭДС
Явление самоиндукции
Ханс Кристиан Эрстед открыл существование магнитного поля вокруг проводника или катушки с током. Также ученый установил, что характеристики этого поля прямым образом связаны с силой тока и его направлением. Если ток в катушке или проводнике будет переменным, то он породит магнитное поле, которое не будет стационарным, то есть будет меняться. В свою очередь это переменное поле приведет к возникновению индуцированного тока (явление электромагнитной индукции). Движение тока индукции будет всегда противоположно циркулирующему по проводнику переменному току, то есть будет оказывать сопротивление при каждом изменении направления тока в проводнике или катушке. Этот процесс получил название самоиндукции. Создаваемая при этом разность электрических потенциалов называется ЭДС самоиндукции.
Отметим, что явление самоиндукции возникает не только при изменении направления тока, но и при любом его изменении, например, при увеличении за счет уменьшения сопротивления в цепи.
Для физического описания сопротивления, оказываемого любому изменению тока в цепи за счет самоиндукции, ввели понятие индуктивности, которая измеряется в генри (в честь американского физика Джозефа Генри). Один генри – это такая индуктивность, для которой при изменении тока за 1 секунду на 1 ампер возникает ЭДС в процессе самоиндукции, равная 1 вольт.
Явление электромагнитной индукции
Само название «электромагнитная» состоит из двух частей: «электро» и «магнитная». Электрические и магнитные явления неразрывно связаны друг с другом. И если электрические заряды, двигаясь, изменяют магнитное поле вокруг себя, то и магнитное поле, изменяясь, поневоле заставит перемещаться электрические заряды, образуя электрический ток.
Напряженное напряжение электродвигателя пропорционально скорости. изменение индуктивного магнитного потока. Индукционный ток определяется наличием электрического поля. Таким образом, прямой эффект изменения потока – это появление поля. электрически индуцированных в области схемы. Максвелл продемонстрировал теоретически и подтвердил опыт.
Так что в более широком смысле явление электромагнитной индукции. понятно, что переменное электрическое поле возникает в области, где имеется переменный магнитный поток. Если этот проводник образует замкнутый контур, то индуцированный ток генерируется как эффект электродвижущего напряжения. индуцированный. При вращающемся индукционном токе при изменении потока. магнитных через поверхность шпиля. Переменный поток может быть получен либо путем относительного движения магнита против шпиля, либо через него. изменение тока в соседней цепи.
При этом именно изменяющееся магнитного поля вызывает возникновение электрического тока. Постоянное магнитное поле не вызовет движение электрических зарядов, а соответственно, и индукционный ток не образуется. Более детальное рассмотрение явления электромагнитной индукции , вывод формул и закона электромагнитной индукции относится к курсу девятого класса.
Это также может быть вызвано изменением электрического тока в самой индуцированной спирали, которая также играет роль индуктора. В цепи из-за изменения тока, протекающего через него. цепи. Автоиндукция происходит не только тогда, когда ток установлен или прекращен, но всякий раз, когда меняется интенсивность тока. схемы.
Индукция схемы численно равна потоку, создаваемому поверхностью схемы, когда она есть. путешествовал единицей интенсивности. Некоторая мощность, подаваемая источником автоматического выключателя, рассеивается электрическим сопротивлением цепи. а другая сторона – магма магнитного поля тока. В связи с этим ток увеличивается медленнее при замыкании цепи или при увеличении интенсивности. Когда цепь разрушается или интенсивность падает, интенсивность поля исчезает или уменьшается. магнитный, поэтому он выпускает электромагнитную энергию. который приводит к продлению существования. тока.
Электромагнитное поле
Электрическое и магнитное поля тесно взаимосвязаны друг с другом. Известно ранее, что заряды движутся/протекают по структуре проводника благодаря действию электрического поля. В случае электромагнитной индукции так же возникает электрическое поле, только несколько отличающееся от того, которое создано источником тока. Такое электрическое поле индуцировано/создано переменным магнитным потоком и называется вихревым. Вихревое электрическое поле – это электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями, по аналогии с линиями в магнитном поле.
Таким образом, при появлении переменного магнитного потока образуется вихревое электрическое поле, которое и вынуждает двигаться заряженные частицы в структуре проводника, а значит принцип “движущей силы” электрического поля не нарушается. Можно сказать, что переменное магнитное поле создаёт вихревое электрическое. Так и прослеживается тесное взаимососуществование электрического и магнитного полей, а именно: электрическое поле порождает вокруг себя магнитное в случае движущегося заряда по проводнику, а переменное/движущееся магнитное поле индуцирует вихревое электрическое поле. Именно по этой причине понятие полей часто не делят и называют возникшее вокруг движущегося заряда или переменного магнита поле электромагнитным.
Электромагнитные волны
Электромагнитное поле образуется вокруг движущихся заряженных частиц и распространяется в пространстве по уже известному волновому принципу. Такое распространение электромагнитного поля происходит при помощи электромагнитных волн или электромагнитных возмущений, подчиняясь физическим законам волновой природы. В отличие от механических волн (которые не могут существовать отдельно от какой-либо среды), электромагнитные волны могут проявляться без участия частиц, вещества и среды, например в вакууме. Электромагнитные волны в виде электромагнитных возмущений распространяются во все стороны от источника излучения. Для излучения ощутимой электромагнитной волны желательно наличие быстрого заряда с хорошим ускорением колебаний высокой частоты, например несколько десятков тысяч герц.
Электромагнитная волна обладает определёнными характеристиками, присущими любой волне. Скорость такой волны равняется скорости света и составляет 300000 км/с. Так же электромагнитные волны всегда поперечные по своей природе. Выражается в том, что линии магнитной индукции (магнитного поля) и силовые линии (электрического поля) перпендикулярны друг другу.
Если магнитное поле характеризует векторная величина магнитной индукции (B), то образованное из него вихревое электрическое поле характеризуется напряжённостью (E). Напряжённость электрического поля так же величина векторная и направленная, выражается в 1 Ньютон/Кулон (Н/Кл). Таким вкратце предстаёт явление электромагнитной индукции тока и сопутствующие электрические и магнитные.
Генератор электрического тока и его устройство
Устройства для получения электрического тока называются генераторами, от слова “генерировать” или создавать. Обычно принцип действия генераторов тока электромеханический, основанный на действии электромагнитной индукции, а именно получения электрического тока из преобразованного магнитного поля. Генераторы вырабатывают переменный ток в результате своей работы.
Генератор тока представляет собой достаточно сложное комплексное техническое устройство, однако в упрощённом варианте можно выделить основные его рабочие элементы: это ротор, который помещается внутри статора, и уже они вместе размещаются в каком-то корпусе. Ротор (от англ. “rotation”) – подвижная часть, которая обычно вращается; Статор (от слова “статичный”) – это неподвижная часть. Эти части являются аналогами катушки и магнита в классическом представлении электромагнитной индукции, где статор – это по сути катушка с большим количеством витков, а ротор представляет собой движущийся/вращающийся магнит.
Принцип действия прост и аналогичен идее с подвижным магнитом: ротор вращается с большой скоростью, при этом создаётся переменчивый магнитный поток вокруг него, который пронизывает витки обмотки статора и тем самым индуцирует/создаёт в них электрический ток. Ротор всегда вращается благодаря приложению какой-то сторонней механической силы. Статор же представляет собой некую конструкцию с прорезями или внутренним объёмом, в которые помещается обмотка из витков проводника.
Понятие о магнитном поле
Прежде чем начать изучение явления электромагнитной индукции, необходимо разобраться, что представляет собой магнитное поле. Говоря простыми словами, под магнитным полем подразумевают область пространства, в которой магнитный материал проявляет свои магнитные эффекты и свойства. Эта область пространства может быть изображена с помощью линий, которые называются линиями магнитного поля. Количеством этих линий изображают физическую величину, которая называется магнитным потоком. Линии магнитного поля являются замкнутыми, они начинаются на северном полюсе магнита и заканчиваются на южном.
Магнитное поле обладает способностью воздействовать на любые материалы, обладающие магнитными свойствами, например, на железные проводники электрического тока. Это поле характеризуется магнитной индукцией, которая обозначается B и измеряется в теслах (Тл). Магнитная индукция в 1 Тл – это очень сильное магнитное поле, которое действует с силой в 1 ньютон на точечный заряд в 1 кулон, который пролетает перпендикулярно линиям магнитного поля со скоростью 1 м/с, то есть 1 Тл = 1 Н*с/(м*Кл).
Переменный электрический ток
Если постоянный ток, как следует из названия – не меняет своих характеристик и направления в любой точке проводника, то переменный ток не отличается такими свойствами. Переменный ток – это ток, который с определённой периодичностью меняется по направлению, модулю и своей величине. На графике такой ток повторяет линию синуса с цикличными подъёмами и спадами.
Переменный ток очень широко распространён, т.к. его легко получать различными способами, а так же удобно и относительно просто передавать на большие расстояния. На электрических схемах традиционно обозначается значком с двумя волнистыми линиями.
Трансформатор тока и его особенности
Когда речь заходит о передаче тока на большие расстояния (в особенности переменного), то возникает необходимость его преобразования. Трансформатор – это устройство для преобразования электрического тока и напряжения.
Типовой трансформатор состоит из двух или более близкорасположенных катушек с обмоткой из проводника на общем основании. Когда на одну из катушек поступает переменный электрический ток, то в ней создаётся переменное магнитное поле. Первая катушка выполнена и рассчитана таким образом, чтобы магнитный поток пронизывал витки второй катушки, чтобы магнитное поле одной катушки “доставало” до другой. Таким способом во второй катушке так же будет создаваться электрический ток.
Если менять количество витков в разных катушках, то можно тем самым менять характеристики выходящего с трансформатора тока и напряжения, повышая или понижая его. По закону Ома получится, что когда трансформатор будет понижать значение электрического тока (I), то будет расти напряжение (U); и наоборот, с ростом электрического тока (I) – напряжение (U) будет закономерно падать.