🗊Презентация Електромагнітна індукція

Електромагнітна індукція

План 1) Явище електромагнітної індукції. Досліди Фарадея. 2) Закон електромагнітної індукції. Правило Ленца. 3) Явище самоіндукції. Індуктивність. Взаємоіндукція 4) Енергія і густина енергії магнітного поля струму.

1. Явище електромагнітної індукції. Досліди Фарадея   Електричні струми створюють магнітне поле в навколишньому просторі. Можливим є і зворотнє явище: магнітне поле може викликати електричний струм. Таке явище, явище електромагнітної індукції, було відкрито англійським вченим М.Фарадеєм у 1831 р. Електромагні́тна інду́кція — явище створення в просторі вихрового електричного поля змінним магнітним потоком.

Фарадей поставив ряд дослідів, в яких було вивчено явище. В першому досліді він використав дві котушки. Котушку І було приєднано до батареї, а котушка ІІ – до гальванометра. Якщо котушки рухати одну відносно одної, то гальванометр покаже існування струму в котушці ІІ, при чому напрямок струму змінюється при зміні напряму руху котушок( а). Такий струм Фарадей назвав індукційним. Коли котушки залишити нерухомими, але змінювати струм в першій котушці за допомогою реостата чи навіть вимикаючи батарею ключем, то в котушці ІІ фіксується існування струму, який також змінює напрямок при зміні напрямку струму в котушці І чи розмиканні і замиканні ключа. З цих дослідів слідує, що причиною виникнення індукційного стуму є зміна магнітного поля електричних струмів.

  Змінне магнітне поле можна отримати і за допомогою постійного магніту. Рухаючи постійний магніт в котушці або котушку відносно магніту ( б), гальванометром теж фіксується електричний струм, напрямок якого змінюється при зміні напрямку руху котушки. Цими дослідами Фарадей встановив, що в замкненому контурі де є зміна магнітного поля завжди виникає індукційний струм.

2. Закон електромагнітної індукції. Правило Ленца. Визначимо кількісний зв’язок між зміною магнітного поля і струмом у провіднику. Нехай металевий провідник довжиною l переміщується у магнітному полі . Тоді на електрони провідника діє сила Лоренца, яка є сторонньою. Поле сторонніх сил, яке при цьому виникає, визначає електрорушійну силу індукції, як роботу сторонніх сил по переміщенні одиничного заряду по замкненому контуру:

Закон електромагнітної індукції: Знак “-” виражає правило Ленца – напрям індукційного струму такий, що створене ним власне магнітне поле протидіє магнітному полю яке збудило індукційний струм. Струм у контурі визначається електрорушійною силою індукції і повним опором контура : Враховуючи останню формулу отримаємо:

В більш загальній формі, враховуючи що:

Приклад Визначимо індукційний струм, що виникає в котушці, при русі постійного магніту в досліді Фарадея Якщо магніт рухається південним полюсом до котушки, то лінії магнітного поля напрямлені так, як на рис. (а) Згідно правила Ленца індукційний струм в котушці буде створювати магнітне поле, що перешкоджатиме зміні поля магніту, яке в даному випадку збільшується. Напрям цього магнітного поля до магніту. Тоді напрямок струму визначаємо за правилом свердлика ( а).

  Вихрові струми   Вихрові струми – струми Фуко – замкнені струми, що виникають у масивних провідниках внаслідок явища електромагнітної індукції при зміні магнітного потоку., Струми Фуко відіграють корисну роль в роторах асинхронних двигунів в спеціальних високочастотних печах. Про те їх виникнення в осердях трансформаторів, електромагнітів – шкідливе бо веде до втрати електричної енергії і нагрівання осердь . Один з проявів явища електромагнітної індукції – скін-ефект. При проходженні по провіднику змінного струму в його об’ємі виникають вихрові струми які підсилюють основний струм біля поверхні і послаблюють всередині.

Товщина шару в якому концентрується змінний струм внаслідок скін-ефекту залежить від частоти. Для частоти струму 105-107 Гц в мідному провіднику струм існує у приповерхневій області  210-2 - 210-3 см. Високочастотний струм проходить в невеликій частині поперечного перерізу, що веде до збільшення ефективного опору провідника тому в радіотехніці використовують багатожильні провідники, антенні канатики, тощо. Також, як провідники високочастотних струмів використовують провідники в вигляді труб із посрібленою поверхнею.

3. Явище самоіндукції. Індуктивність. Взаємоіндукція Самоіндукція – явище виникнення індукційного струму внаслідок зміни магнітного потоку, викликаної зміною струму в тому самому провіднику. Струм самоіндукції напрямлений так, що протидіє зміні струму, який його викликав. Якщо

Закон Фаредея для самоіндукції : Одиниці вимірювання індуктивності в СІ

При вимиканні котушки індуктивності з кола де встановився струм у витках котушки виникає струм самоіндукції, що протидіє зменшенню струму І – екстраструм вимикання :

Приклад Обчислимо індуктивність нормального соленоїда довжиною l площею перерізу S і кількістю витків N. Згідно закону Фарадея, е.р.с. самоіндукції, що виникає в N витках соленоїда:

Якщо котушки зі струмом розмішені так, що магнітні потоки кожної з них перетинаються витки сусідніх, то виникає явище взаємоіндукції. Е.р.с. в кожному контурі виникає за рахунок самоіндукції і взаємоіндукції. Розглянемо дві індуктивно зв’язані котушки. Повний потік через котушку І: Ф1=Ф11+Ф12

Тоді е.р.с. у першій та другій котушці з врахуванням явища само- і взаємоіндукції:

4. Енергія і густина енергії магнітного поля струму. При вмиканні джерела струм в колі росте від нуля до максимального значення. В колі виникає е.р.с. індукції, що протидіє е.р.с. джерела. Щоб струм у колі зростав необхідно компенсувати е.р.с. індукції за рахунок роботи джерела, що йде на створення магнітного поля

Енергія магнітного поля локалізована в просторі. Розглянемо магнітне поле нормального соленоїда з струмом І у вакуумі. Його індукція: