Indukční proud je proud, který se vyskytuje v uzavřeném vodivém obvodu umístěném ve střídavém magnetickém poli. Tento proud se může objevit ve dvou případech. Pokud existuje stacionární obvod proniknutý měnícím se tokem magnetické indukce. Nebo když se vodivý obvod pohybuje v konstantním magnetickém poli, což také způsobuje změnu magnetického toku pronikajícího obvodem.
Obrázek 1 - Vodič se pohybuje v konstantním magnetickém poli
Příčinou indukčního proudu je vírové elektrické pole, které je generováno magnetickým polem. Toto elektrické pole působí na volné náboje umístěné ve vodiči umístěném v tomto vírovém elektrickém poli.
Obrázek 2 - vírové elektrické pole
Tuto definici můžete také najít. Indukční proud je elektrický proud, který vzniká působením elektromagnetické indukce. Pokud se neponoříte do složitosti zákona elektromagnetické indukce, lze to ve zkratce popsat následovně. Elektromagnetická indukce je jev výskytu proudu ve vodivém obvodu pod vlivem střídavého magnetického pole.
Pomocí tohoto zákona můžete určit velikost indukčního proudu. Protože nám dává hodnotu EMF, která se vyskytuje v obvodu pod vlivem střídavého magnetického pole.
Formule 1 - EMF indukce magnetického pole.
Jak je vidět ze vzorce 1, velikost indukovaného emf, a tedy i indukovaného proudu, závisí na rychlosti změny magnetického toku pronikajícího do obvodu. To znamená, že čím rychleji se mění magnetický tok, tím větší indukční proud lze získat. V případě, že máme konstantní magnetické pole, ve kterém se pohybuje vodivý obvod, bude velikost EMF záviset na rychlosti pohybu obvodu.
Pro určení směru indukčního proudu se používá Lenzovo pravidlo. Což říká, že indukovaný proud směřuje k proudu, který jej způsobil. Odtud znaménko mínus ve vzorci pro určení indukovaného emf.
Indukční proud hraje v moderní elektrotechnice důležitou roli. Například indukovaný proud generovaný v rotoru indukčního motoru interaguje s proudem dodávaným ze zdroje energie v jeho statoru, což způsobuje rotaci rotoru. Na tomto principu jsou postaveny moderní elektromotory.
Obrázek 3 - asynchronní motor.
V transformátoru se indukční proud vznikající v sekundárním vinutí využívá k napájení různých elektrických zařízení. Velikost tohoto proudu lze nastavit parametry transformátoru.
Obrázek 4 - elektrický transformátor.
A konečně, indukované proudy mohou vznikat i v masivních vodičích. Jedná se o tzv. Foucaultovy proudy. Díky nim je možné provádět indukční tavení kovů. To znamená, že vířivé proudy proudící ve vodiči způsobují jeho zahřívání. V závislosti na velikosti těchto proudů se vodič může zahřát nad bod tání.
Obrázek 5 - indukční tavení kovů.
Takže jsme zjistili, že indukční proud může mít mechanické, elektrické a tepelné účinky. Všechny tyto efekty jsou široce používány v moderním světě, a to jak v průmyslovém měřítku, tak na úrovni domácností.
Připomeňme si několik jednoduchých pokusů, při kterých je pozorován vznik elektrického proudu v důsledku elektromagnetické indukce.
Jeden z těchto experimentů je znázorněn na Obr. 253. Je-li cívka skládající se z velkého počtu závitů drátu rychle nasazena na magnet nebo z něj stažena (obr. 253, a), vzniká v ní krátkodobý indukční proud, který lze zjistit házením jehly galvanometru připojené ke koncům cívky. Totéž se stane, pokud je magnet rychle zatlačen do cívky nebo z ní vytažen (obr. 253, b). Je zřejmé, že záleží pouze na relativním pohybu cívky a magnetického pole. Proud se zastaví, když se tento pohyb zastaví.
Rýže. 253. Vzájemným pohybem cívky a magnetu vzniká v cívce indukovaný proud: a) cívka se nasadí na magnet; b) magnet se přesune do cívky
Podívejme se nyní na několik dalších experimentů, které nám umožní formulovat v obecnější podobě podmínky pro výskyt indukčního proudu.
První série experimentů: změna magnetické indukce pole, ve kterém se indukční smyčka (cívka nebo rám) nachází.
Cívka je umístěna v magnetickém poli, například uvnitř solenoidu (obr. 254, a) nebo mezi póly elektromagnetu (obr. 254, b). Nainstalujme cívku tak, aby rovina jejích závitů byla kolmá na siločáry magnetického pole elektromagnetu nebo elektromagnetu. Magnetickou indukci pole změníme rychlou změnou síly proudu ve vinutí (pomocí reostatu) nebo pouhým vypnutím a zapnutím proudu (klíčkem). Při každé změně magnetického pole dává jehla galvanometru ostrý odraz; to indikuje výskyt indukčního elektrického proudu v obvodu cívky. Když magnetické pole zesílí (nebo se objeví), objeví se proud v jednom směru a když zeslábne (nebo zmizí), objeví se proud v opačném směru. Proveďme nyní stejný experiment a nainstalujme cívku tak, aby rovina jejích závitů byla rovnoběžná se směrem magnetických siločar (obr. 255). Experiment poskytne negativní výsledek: bez ohledu na to, jak změníme magnetickou indukci pole, nezjistíme indukční proud v obvodu cívky.
Rýže. 254. Indukovaný proud vzniká v cívce při změně magnetické indukce, je-li rovina jejích závitů kolmá k siločarám magnetického pole: a) cívka v poli elektromagnetu; b) cívka v poli elektromagnetu. Magnetická indukce se mění při sepnutí a otevření spínače nebo při změně proudu v obvodu
Rýže. 255. Indukční proud nevznikne, pokud je rovina závitů cívky rovnoběžná s magnetickými siločárami
Druhá série experimentů: změna polohy cívky umístěné v konstantním magnetickém poli.
Umístíme cívku dovnitř solenoidu, kde je magnetické pole rovnoměrné, a rychle ji otočíme o určitý úhel kolem osy kolmé na směr pole (obr. 256). Při každé takové rotaci detekuje galvanometr připojený k cívce indukovaný proud, jehož směr závisí na výchozí poloze cívky a na směru otáčení. Když se cívka úplně otočí o 360°, změní se směr indukčního proudu dvakrát: pokaždé, když cívka projde polohou, ve které je její rovina kolmá ke směru magnetického pole. Samozřejmě, pokud budete cívkou otáčet velmi rychle, bude indukovaný proud měnit svůj směr tak často, že jehla běžného galvanometru nestihne tyto změny sledovat a bude potřeba jiné, „poslušnější“ zařízení.
Rýže. 256. Když se cívka otáčí v magnetickém poli, vzniká v ní indukovaný proud
Pokud se však cívka posune tak, že se neotáčí vzhledem ke směru pole, ale pouze se pohybuje rovnoběžně se sebou v libovolném směru podél pole, napříč ním nebo v jakémkoli úhlu ke směru pole, pak nevznikne žádný indukovaný proud. Zdůrazněme ještě jednou: experiment pohybu cívky se provádí v rovnoměrném poli (například uvnitř dlouhého solenoidu nebo v magnetickém poli Země). Pokud je pole nerovnoměrné (například v blízkosti pólu magnetu nebo elektromagnetu), může být jakýkoli pohyb cívky doprovázen výskytem indukčního proudu, s výjimkou jednoho případu: indukční proud není vznikají, pokud se cívka pohybuje tak, že její rovina zůstává po celou dobu rovnoběžná se směrem pole (tj. cívkou neprocházejí žádné siločáry magnetického pole).
Třetí série experimentů: změna oblasti obvodu umístěného v konstantním magnetickém poli.
Podobný experiment lze provést podle následujícího schématu (obr. 257). V magnetickém poli např. mezi póly velkého elektromagnetu umístíme obvod z ohebného drátu. Nechť má obrys zpočátku tvar kruhu (obr. 257, a). Rychlým pohybem ruky můžete konturu utáhnout do úzké smyčky, čímž výrazně zmenšíte plochu, kterou pokrývá (obr. 257, b). Galvanometr ukáže výskyt indukčního proudu.
Rýže. 257. Indukovaný proud se v cívce objeví, pokud se oblast jejího obvodu, umístěná v konstantním magnetickém poli a umístěná kolmo k siločarám magnetického pole, změní (magnetické pole směřuje od pozorovatele)
Ještě výhodnější je provést experiment se změnou oblasti obrysu podle schématu znázorněného na obr. 258. V magnetickém poli je obvod, jehož jedna strana (na obr. 258) je pohyblivá. Při každém pohybu galvanometr detekuje výskyt indukčního proudu v obvodu. Navíc při pohybu doleva (zvětšující se oblast) má indukční proud jeden směr a při pohybu doprava (zmenšující se oblast) - opačný směr. I v tomto případě však změna plochy obvodu nevytváří žádný indukovaný proud, pokud je rovina obvodu rovnoběžná se směrem magnetického pole.
Rýže. 258. Když se tyč pohybuje a v důsledku toho se mění oblast obvodu umístěného v magnetickém poli, vzniká v obvodu proud.
Porovnáním všech popsaných experimentů můžeme formulovat podmínky pro vznik indukovaného proudu v obecné podobě. Ve všech uvažovaných případech jsme měli obvod umístěný v magnetickém poli a rovina obvodu mohla svírat ten či onen úhel se směrem magnetické indukce. Označme oblast ohraničenou obrysem , magnetickou indukci pole , a úhel mezi směrem magnetické indukce a rovinou obrysu . V tomto případě bude složka magnetické indukce kolmá k rovině obvodu stejně velká (obr. 259)
Rýže. 259. Rozklad magnetické indukce na složku kolmou k rovině indukční smyčky a složku rovnoběžnou s touto rovinou
Součin budeme nazývat tokem magnetické indukce, nebo zkráceně magnetickým tokem obvodem; Toto množství budeme označovat písmenem . Tím pádem,
. (138.1)
Ve všech uvažovaných případech jsme bez výjimky změnili magnetický tok tak či onak. V některých případech jsme to udělali změnou magnetické indukce (obr. 254); v ostatních případech se úhel změnil (obr. 256); za třetí oblast (obr. 257). V obecném případě je samozřejmě možné současně měnit všechny tyto veličiny, které určují magnetický tok obvodem. Pečlivé zkoumání široké škály indukčních experimentů ukazuje, že k indukovanému proudu dochází tehdy a pouze tehdy, když se změní magnetický tok; indukovaný proud nikdy nevznikne, pokud magnetický tok daným obvodem zůstane nezměněn. Tak:
Kdykoli dojde ke změně magnetického toku vodivým obvodem, vzniká v tomto obvodu elektrický proud.
Toto je jeden z nejdůležitějších přírodních zákonů - zákon elektromagnetické indukce, který objevil Faraday v roce 1831.
138.1. Cívky I a II jsou umístěny jedna v druhé (obr. 260). První obvod obsahuje baterii, druhý obvod obsahuje galvanometr. Pokud je železná tyč zatlačena do nebo z první cívky, galvanometr zjistí výskyt indukčního proudu v druhé cívce. Vysvětlete tuto zkušenost.
Rýže. 260. Pro cvičení 138,1
138.2. Drátěný rám se otáčí v rovnoměrném magnetickém poli kolem osy rovnoběžné s magnetickou indukcí. Objeví se v něm indukovaný proud?
138.3. Má e. d.s. indukce na koncích ocelové nápravy automobilu, když se pohybuje? V jakém směru pohybu vozu je toto např. d.s. největší a v jakém bodě je nejmenší? Záleží na tom? d.s. indukce z rychlosti auta?
138.4. Podvozek vozu spolu se svými dvěma nápravami tvoří uzavřený vodivý okruh. Indukuje se v něm proud, když se auto pohybuje? Jak lze uvést odpověď na tento problém do souladu s výsledky úlohy 138.3?
138.5. Proč někdy úder blesku způsobil poškození citlivých elektrických měřicích přístrojů několik metrů od místa dopadu a proč se roztavily pojistky v síti osvětlení?
Podrobnosti Kategorie: Elektřina a magnetismus Zveřejněno 24.05.2015 20:43 Zobrazení: 6300Elektrické a magnetické jevy spolu úzce souvisí. A pokud proud generuje magnetismus, pak musí existovat i opačný jev – výskyt elektrického proudu, když se magnet pohybuje. To je úvaha anglického vědce Michaela Faradaye, který si v roce 1822 zapsal do svého laboratorního deníku následující záznam: „Přeměňte magnetismus na elektřinu“.
Této události předcházel objev fenoménu elektromagnetismu dánským fyzikem Hansem Christianem Oerstedem, který objevil vznik magnetického pole kolem vodiče s proudem. Po mnoho let Faraday prováděl různé experimenty, ale jeho první pokusy mu nepřinesly úspěch. Hlavním důvodem bylo, že vědec nevěděl, že pouze střídavé magnetické pole může vytvořit elektrický proud. Skutečného výsledku bylo dosaženo až v roce 1831.
Faradayovy experimenty
Klikněte na obrázek
V experimentu provedeném 29. srpna 1931 vědec omotal cívky drátu kolem opačných stran železa. tenký kroužek. Připojil jeden vodič ke galvanometru. V okamžiku připojení druhého vodiče k baterii se střelka galvanometru prudce vychýlila a vrátila se do původní polohy. Stejný obrázek byl pozorován při otevření kontaktu s baterií. To znamenalo, že se v obvodu objevil elektrický proud. Vznikl v důsledku toho, že siločáry magnetického pole vytvořené závity prvního drátu křižovaly závity druhého drátu a generovaly v nich proud.
Faradayův experiment
O několik týdnů později byl proveden experiment s permanentním magnetem. Faraday připojil galvanometr k cívce měděného drátu. Pak prudkým pohybem zatlačil dovnitř válcovou magnetickou tyč. V tu chvíli se prudce zhoupla i ručička galvanometru. Když byla tyč vyjmuta z cívky, šipka se také zhoupla, ale v opačném směru. A to se stalo pokaždé, když byl magnet vytlačen nebo vytlačen z cívky. To znamená, že se v obvodu objevil proud, když se v něm magnet pohyboval. Tak se Faradayovi podařilo „přeměnit magnetismus na elektřinu“.
Faraday v laboratoři
Proud v cívce se také objeví, pokud místo permanentního magnetu uvnitř ní pohnete jinou cívkou připojenou ke zdroji proudu.
Ve všech těchto případech Stalo změna magnetického toku procházejícího obvodem cívky, která vedla ke vzniku elektrického proudu v uzavřeném obvodu. To je fenomén elektromagnetická indukce a proud je indukovaný proud .
Je známo, že proud existuje v uzavřeném obvodu, pokud je udržován rozdílem potenciálů pomocí elektromotorické síly (EMF). Následně, když se magnetický tok v obvodu změní, vzniká v něm takové EMF. To se nazývá indukované emf .
Faradayův zákon
Michael Faraday
Velikost elektromagnetické indukce nezávisí na důvodu, proč se magnetický tok mění – zda se mění samotné magnetické pole nebo se v něm pohybuje obvod. Závisí na rychlosti změny magnetického toku procházejícího obvodem.
Kde ε – EMF působící podél obrysu;
F V - magnetický tok.
Velikost EMF cívky ve střídavém magnetickém poli je ovlivněna počtem závitů v ní a velikostí magnetického toku. Faradayův zákon v tomto případě vypadá takto:
Kde N – počet otáček;
F V – magnetický tok jedním otočením;
Ψ – propojení magnetického toku nebo blokování celkového magnetického toku se všemi závity cívky.
Ψ = N F i
F i – proud procházející jednou otáčkou.
I slabý magnet může vytvořit velký indukční proud, pokud je rychlost pohybu tohoto magnetu vysoká.
Protože se indukovaný proud objevuje ve vodičích, když se mění magnetický tok jimi procházející, objeví se také ve vodiči, který se pohybuje ve stacionárním magnetickém poli. Směr indukčního proudu v tomto případě závisí na směru pohybu vodiče a je určen pravidlem pravé ruky: „ Pokud umístíte dlaň pravé ruky tak, aby do ní vstupovaly siločáry magnetického pole a palec ohnutý o 90 0 by indikoval směr pohybu vodiče, pak roztažené 4 prsty označí směr indukovaného EMF a směr proudu ve vodiči».
Lenzovo pravidlo
Emily Khristianovič Lenz
Směr indukčního proudu je určen pravidlem, které platí ve všech případech, kdy k takovému proudu dojde. Toto pravidlo formuloval ruský fyzik pobaltského původu Emilius Christianovich Lenz: “ Indukovaný proud vznikající v uzavřeném obvodu má takový směr, že magnetický tok, který vytváří, působí proti změně magnetického toku, kterou tento proud způsobil.
Je třeba poznamenat, že tento závěr učinil vědec na základě výsledků experimentů. Lenz vytvořil zařízení sestávající z volně otočné hliníkové desky, na jejímž jednom konci byl připevněn pevný prstenec z hliníku a na druhém - prstenec se zářezem.
Pokud byl magnet přiblížen k pevnému prstenci, byl odražen a začal „utíkat“.
Klikněte na obrázek
Když se magnet vzdaloval, prsten se ho snažil dohnat.
Klikněte na obrázek
U řezaného kroužku nebylo nic takového pozorováno.
Lenz to vysvětlil tím, že v prvním případě indukovaný proud vytváří magnetické pole, jehož indukční čáry směřují opačně k indukčním čarám vnějšího magnetického pole. Ve druhém případě se indukční čáry magnetického pole vytvořené indukovaným proudem shodují ve směru s indukčními čarami pole permanentního magnetu. V řezaném prstenci nevzniká žádný indukční proud, takže nemůže interagovat s magnetem.
Podle Lenzova pravidla při zvýšení vnějšího magnetického toku bude mít indukovaný proud takový směr, že jím vytvořené magnetické pole takovému nárůstu zabrání. Pokud se vnější magnetický tok sníží, pak ho magnetické pole indukčního proudu podpoří a zabrání jeho poklesu.
Generátor elektrického proudu
Alternátor
Faradayův objev elektromagnetické indukce umožnil využít tento jev v praxi.
Co se stane, když otočíte cívkou pomocí bo více závitů kovového drátu ve stacionárním magnetickém poli? Magnetický tok procházející obvodem cívky se bude neustále měnit. A v něm vznikne EMF elektromagnetické indukce. To znamená, že taková konstrukce může generovat elektrický proud. Na tomto principu je založen provoz generátorů střídavého proudu.
Generátor se skládá ze 2 částí - rotoru a statoru. Rotor je pohyblivá část. U generátorů s nízkým výkonem se nejčastěji otáčí permanentní magnet. Výkonné generátory používají místo permanentního magnetu elektromagnet. Rotující rotor vytváří měnící se magnetický tok, který generuje elektrický indukční proud v závitech vinutí umístěných v drážkách stacionární části generátoru - statoru. Rotor je poháněn motorem. Může to být parní stroj, vodní turbína atd.
Transformátor
Toto je možná nejběžnější zařízení v elektrotechnice, určené k přeměně elektrického proudu a napětí. Transformátory se používají v radiotechnice a elektronice. Bez nich není možné přenášet elektřinu na velké vzdálenosti.
Nejjednodušší transformátor se skládá ze dvou cívek se společným kovovým jádrem. Střídavý proud přiváděný do jedné z cívek v ní vytváří střídavé magnetické pole, které je zesíleno jádrem. Magnetický tok tohoto pole, pronikající do závitů druhé cívky, v ní vytváří indukční elektrický proud. Protože velikost indukovaného emf závisí na počtu závitů, změnou jejich poměru v cívkách lze měnit i velikost proudu. To je velmi důležité například při přenosu elektřiny na velké vzdálenosti. Koneckonců, během přepravy dochází k velkým ztrátám kvůli tomu, že se dráty zahřívají. Snížením proudu pomocí transformátoru se tyto ztráty snižují. Ale zároveň se zvyšuje napětí. V konečné fázi se pomocí snižujícího transformátoru napětí sníží a proud se zvýší. Takové transformátory jsou samozřejmě mnohem složitější.
Nutno říci, že Faraday nebyl jediný, kdo se pokusil vytvořit indukovaný proud. Podobné experimenty prováděl také slavný americký fyzik Joseph Henry. A podařilo se mu dosáhnout úspěchu téměř současně s Faradayem. Faraday ho ale předběhl, když před Henrym zveřejnil zprávu o svém objevu.
Většinu elektřiny ve formě střídavého indukčního proudu na planetě Zemi vyrábí lidstvo pomocí indukčních elektrických generátorů. Stejnosměrný proud, také získaný z elektrických generátorů, je zvláštním případem střídavého proudu. Existuje mnoho různých konstrukcí elektrických generátorů, ale jejich provoz je založen na stejném principu. Jedná se o princip relativního pohybu (rotace) kotvy v magnetickém poli induktoru, nebo naopak rotace magnetického pole induktoru vůči kotvě.
Slavný srbský vědec Nikola Tesla významně vědecky a prakticky přispěl k rozvoji vědy o elektřině a vytvoření zařízení pro její výrobu. Jeho vynálezy a objevy jako fyzik, inženýr a konstruktér poskytly pevný základ pro rozvoj elektrotechniky a radiofyziky. Mnohé z jeho nápadů v těchto oblastech vědy a techniky jsou dodnes žádané.
K organizaci a udržení provozu elektrického generátoru, k překonání sil odporu vůči otáčení kotvy v magnetickém poli induktoru jsou vynakládány značné mechanické síly. V zásadě jsou tyto síly realizovány formou různých pohonů, jako jsou parní, plynové turbíny, hydraulické turbíny, spalovací motory atd. Elektromagnetická indukce přímo (přímo) souvisí s výrobou elektrické energie.
Uvažujme nejjednodušší laboratorní schéma elektrického generátoru, znázorněné na obr. 1. Většina průmyslových elektrických generátorů je konstruována podle tohoto schématu, ale se složitějším designem.
V magnetickém poli permanentního magnetu se mezi póly N a S otáčí vodivý rám 2 z drátu, jehož konce jsou připájeny k vodivým kroužkům 1. Tyto kroužky jsou připojeny ke kontaktům 3 a poté k vodičům vnějšího obvod včetně galvanometru. Rám se otáčí v magnetickém poli magnetu, jehož magnetický tok se neustále mění. Vlivem magnetického toku F na mikrostrukturu vodičů rámu vzniká v uzavřeném obvodu indukční proud, který je detekován galvanometrem. Téměř ve všech učebnicích fyziky je hodnota F přes rám cívky definována jako součin síly magnetického pole (H) plochou cívky (S) a sinusem úhlu (a) mezi směr magnetického pole a rovina rámu.
Nahrazením úhlu a skrz (wхt), kde w je úhlová rychlost otáčení rámu cívky a t je čas, získáme vzorec
ve kterém je grafem změn hodnoty Ф rámem sinusoida (obr. 2).
Výše uvedený vzorec, kromě matematického popisu změny hodnoty F přes oblast cívky, neposkytuje nic z hlediska pochopení fyzikálního významu procesu. V tomto vzorci by se místo oblasti otáčení S měla udávat délka vodičů rámu, protože magnetické pole během otáčení rámu interaguje s mikrostrukturou jeho drátů.
Podobné grafy změn proudu a napětí v čase, zaznamenané osciloskopem, představují také sinusoidu (obr. 3). Tuto známou informaci jsme potřebovali jen proto, abychom si připomněli, že účinek vnějšího magnetického pole magnetu na rám cívky, který se v něm otáčejí, není nic jiného než sinusová, pulzní interakce magnetického pole s mikrostrukturou drátů cívky. -rám.
Jak již bylo zmíněno dříve, konstrukce elektrického generátoru je oscilační obvod. Magnetické pole induktor-magnetu (obr. 1), které je vnějším magnetickým polem ve vztahu ke kotvě-rámu, ovlivňuje mikrostrukturu vodičů rámu s magnetickým tokem měnícím se podle zákona sinusové variace, indukuje jeho vlastní magnetické pole v mikrostruktuře vodičů kotvy. Téměř současně se začátkem rotace rámu prochází zbytkem uzavřeného elektrického obvodu signál-puls z vnějšího magnetického pole a v celém objemu obvodu mikrozdroje opakují tento impulz v obraze a podobě. , vytvářející vlastní magnetické pole v celém obvodu. Ještě jeden impuls – a zase reprodukce (opakování). A tak nekonečněkrát, zatímco elektrický generátor běží.
Pojďme se na tento proces podívat blíže. Začněme nepohodlnou dětskou otázkou: „Proč v uzavřeném rámu (vzhledem k obr. 1), který se otáčí v magnetickém poli permanentního magnetu, vzniká indukovaný proud a nevzniká ve stacionárním rámu umístěném ve stejném magnetické pole magnetu, v jakékoli poloze byl rám? Podle kvantové fyziky se elektrony-elektrické náboje točí kolem jádra atomu vysokou rychlostí. V tomto případě mají elektrony dva magnetické momenty: orbitální a spinový a podle stejných kvantových zákonů musí interagovat s magnetickým polem (musí se zpomalovat v magnetickém poli stacionárního magnetu), vyzařovat mikroenergii analogicky s polárními světly. . Ale nebylo to tam. Nedochází k žádnému záření, ačkoli magnetické siločáry (MFL) magnetu pronikají mikrostrukturou vodičů na atomární úrovni. Čím to je, že mikrozdroje-elektrony v mikrostruktuře vodičů jsou tak přitahovány pohybujícím se magnetickým polem? Abychom na tuto otázku odpověděli, připomeňme si pokusy ruského vědce P.N. Lebeděva ke studiu tlaku světla na lehké předměty ve vakuu. Koperník také poukázal na to, že mírný tlak existuje při pozorování ocasní části komet létajících poblíž Slunce.
Téma 11. FENOMÉN ELEKTROMAGNETICKÉ INDUKCE.
11.1. Faradayovy experimenty. Indukční proud. Lenzovo pravidlo. 11.2. Velikost indukovaného emf.
11.3. Povaha indukovaného emf.
11.4. Cirkulace vektoru síly elektrického pole víru.
11.5. Betatron.
11.6. Toki Fuko.
11.7. Efekt kůže.
11.1. Faradayovy experimenty. Indukční proud. Lenzovo pravidlo.
S Od objevu spojení mezi magnetickým polem a proudem (což potvrzuje symetrii přírodních zákonů) byly učiněny četné pokusy získat proudu pomocí magnetického pole. Problém vyřešil Michael Faraday v roce 1831. (Američan Joseph Henry také objevil, ale nestihl své výsledky zveřejnit. Ampere se k objevu také přihlásil, ale nebyl schopen své výsledky prezentovat).
Michael Faraday (1791 - 1867) - slavný anglický fyzik. Výzkum v oblasti elektřiny, magnetismu, magnetooptiky, elektrochemie. Vytvořil laboratorní model elektromotoru. Objevil jsem nadbytečné proudy při zavírání a otevírání obvodu a určil jejich směr. Objevil zákony elektrolýzy, jako první zavedl pojmy pole a dielektrická konstanta a v roce 1845 použil termín „magnetické pole“.
M. Faraday mimo jiné objevil jevy dia a paramagnetismu. Zjistil, že všechny materiály v magnetickém poli se chovají odlišně: jsou orientovány podél pole (pára a feromagnetika) nebo napříč
pole jsou diamagnetická.
Faradayovy experimenty jsou dobře známé ze školního kurzu fyziky: cívka a permanentní magnet (obr. 11.1)
Rýže. 11.1 Obr. 11.2
Pokud přiblížíte magnet k cívce nebo naopak, vznikne v cívce elektrický proud. Totéž se dvěma těsně umístěnými cívkami: pokud je k jedné z cívek připojen zdroj střídavého proudu, objeví se střídavý proud i ve druhé
(obr. 11.2), ale tento efekt se nejlépe projeví, jsou-li dvě cívky spojeny jádrem (obr. 11.3).
Podle Faradayovy definice mají tyto experimenty společné to, že: pokud tok
Při změně indukčního vektoru pronikajícího do uzavřeného vodivého obvodu vzniká v obvodu elektrický proud.
Tento jev se nazývá jev elektromagnetické indukce a proud je indukce . Navíc je jev zcela nezávislý na způsobu změny toku vektoru magnetické indukce.
Ukazuje se tedy, že pohybující se náboje (proud) vytvářejí magnetické pole a pohybující se magnetické pole vytváří (vířivé) elektrické pole a ve skutečnosti indukovaný proud.
Pro každý konkrétní případ Faraday uvedl směr indukčního proudu. V roce 1833 Lenz zřídil generál pravidlo pro zjištění směru proudu:
indukovaný proud je vždy směrován tak, aby magnetické pole tohoto proudu zabránilo změně magnetického toku způsobující indukovaný proud. Toto tvrzení se nazývá Lenzovo pravidlo.
Vyplnění celého prostoru homogenním magnetem vede za jinak stejných okolností ke zvýšení indukce µ krát. Tato skutečnost to potvrzuje
indukovaný proud je způsoben změnou toku vektoru magnetické indukce B, a nikoli tokem vektoru intenzity H.
11.2. Velikost indukovaného emf.
Pro vytvoření proudu v obvodu musí být přítomna elektromotorická síla. Proto jev elektromagnetické indukce naznačuje, že při změně magnetického toku v obvodu vzniká elektromotorická síla indukce E i. Náš
úkol pomocí zákonů zachování energie najít hodnotu E i a zjistit ji
Uvažujme pohyb pohyblivého úseku 1 - 2 obvodu proudem v magnetickém poli
B (obr. 11.4).
Předpokládejme nejprve, že neexistuje žádné magnetické pole B. Baterie s emf rovným E 0 vytváří
proud I 0. Během doby dt baterie funguje
dA = E I0 dt (11.2.1)
– tato práce se změní v teplo, které lze nalézt podle Joule-Lenzova zákona:
Q = dA = E 0 I0 dt = I0 2 Rdt,
zde I 0 = E R 0, R je celkový odpor celého obvodu.
Umístíme obvod do rovnoměrného magnetického pole s indukcí B. ČáryB ||n a souvisí se směrem proudu podle pravidla gimlet. FluxF spojený s obvodem je pozitivní.r
Na každý obrysový prvek působí mechanická síla d F . Na pohyblivou stranu rámu bude působit síla F 0 . Pod vlivem této síly úsek 1 – 2
se bude pohybovat rychlostí υ = dx dt. V tomto případě se také změní magnetický tok.
indukce.
Pak se v důsledku elektromagnetické indukce proud v obvodu změní a stane se
výsledný). Tato síla vyrobí práci dA v čase dt: dA = Fdx = IdФ.
Stejně jako v případě, kdy jsou všechny prvky rámu stacionární, je zdrojem práce E 0 .
U stacionárního okruhu se tato práce omezila pouze na výdej tepla. V našem případě se teplo také uvolní, ale v jiném množství, protože se změnil proud. Kromě toho se provádí mechanické práce. Celková práce vykonaná za čas dt se rovná:
E 0 Idt = I2 R dt + I dФ | ||||||||||||||
Vynásobte levou a pravou stranu tohoto výrazu | Dostaneme |
|||||||||||||
Výsledný výraz máme právo považovat za Ohmův zákon pro obvod, ve kterém kromě zdroje E 0 působí E i, což se rovná:
Obvodová indukce emf (Ei) | rovná rychlosti změny magnetického toku |
|||
indukce procházející tímto obvodem.
Tento výraz pro indukované emf obvodu je zcela univerzální, nezávislý na způsobu změny toku magnetické indukce a je tzv.
Faradayův zákon.
Podepsat (-) – matematický výraz Lenzova pravidla pro směr indukčního proudu: indukovaný proud směřuje vždy tak, aby jeho pole
působí proti změně počátečního magnetického pole.
Směr indukčního proudu a směr d dt Ф spolu souvisí gimlet pravidlo(obr. 11.5).
Rozměr indukovaného emf: [ E i ] =[ Ф ] =B c =B .t c
Pokud se obvod skládá z několika závitů, musíme použít koncept
vazba toku (celkový magnetický tok):
Ψ = Ф·N,
kde N je počet závitů. Takže když
E i = –∑ | ∑Ф i |
|||||
i = 1 | ||||||
∑ Ф = Ψ | ||||||
Ei = - | ||||||
11.3. Povaha indukovaného emf.
Odpovězme na otázku: jaký je důvod pohybu nábojů, důvod výskytu indukčního proudu? Podívejte se na obrázek 11.6.
1) Pokud pohybujete vodičem v rovnoměrném magnetickém poli B, pak pod vlivem Lorentzovy síly budou elektrony vychylovány dolů a kladné náboje nahoru - vzniká potenciální rozdíl. Toto bude E i-stranná síla pod vlivem
kterým teče proud. Jak víme, pro kladné náboje
Fl = q+; pro elektrony F l = –e - .
2) Pokud je vodič nehybný a magnetické pole se mění, jaká síla v tomto případě vybudí indukovaný proud? Vezměme si obyčejný transformátor (obr. 11.7).
Jakmile uzavřeme obvod primárního vinutí, okamžitě vznikne proud v sekundárním vinutí. Lorentzova síla s tím ale nemá nic společného, protože působí na pohybující se náboje a ty byly na začátku v klidu (byly v tepelném pohybu - chaotické, ale tady potřebujeme řízený pohyb).
Odpověď dal J. Maxwell v roce 1860: Jakékoli střídavé magnetické pole vybudí v okolním prostoru elektrické pole (E). To je důvod pro výskyt indukčního proudu ve vodiči. To znamená, že E“ se vyskytuje pouze v přítomnosti střídavého magnetického pole (transformátor nepracuje na stejnosměrný proud).
Podstata jevu elektromagnetické indukce vůbec ne ve vzhledu indukčního proudu (proud se objeví, když jsou náboje a obvod je uzavřen), a při vzniku vírového elektrického pole (nejen ve vodiči, ale i v okolním prostoru, ve vakuu).
Toto pole má zcela jinou strukturu než pole vytvořené náboji. Protože není tvořena náboji, siločáry nemohou začínat a končit na nábojích, jako jsme to dělali v elektrostatice. Toto pole je vír, jeho siločáry jsou uzavřené.
Protože toto pole pohybuje náboji, má tedy sílu. Pojďme se představit
vektor síly vírového elektrického pole E ". Síla, kterou toto pole působí na náboj
F "= q E".
Ale když se náboj pohybuje v magnetickém poli, působí na něj Lorentzova síla
F" = q. | |
Tyto síly musí být stejné kvůli zákonu zachování energie: | |
q E " = − q , tedy, | |
E" = − [ vr , B] . | |
zde v r je rychlost pohybu náboje q vzhledem k B. Ale | pro fenomén |
Pro elektromagnetickou indukci je důležitá rychlost změny magnetického pole B. Proto |
|
lze napsat: | |
E " = − , | |
