🗊Презентация Явление электромагнитной индукции

ЯВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

Опыты Фарадея. Индукционный ток. Правило Ленца С момента открытия связи магнитного поля с током (что является подтверждением симметрии законов природы), делались многочисленные попытки получить ток с помощью магнитного поля. Задача была решена Майклом Фарадеем в 1831г. Американец Джозеф Генри тоже открыл, но не успел опубликовать свои результаты. Ампер также претендовал на открытие, но не смог представить свои результаты.

ФАРАДЕЙ Майкл (1791 – 1867) – знаменитый английский физик. ФАРАДЕЙ Майкл (1791 – 1867) – знаменитый английский физик. Исследования в области электричества, магнетизма, магнитооптики, электрохимии. Создал лабораторную модель электродвигателя. Открыл экстратоки при замыкании и размыкании цепи и установил их направление. Открыл законы электролиза, первый ввел понятия поля и диэлектрической проницаемости, в 1845 употребил термин «магнитное поле». Кроме всего прочего М. Фарадей открыл явления диа и парамагнетизма. Он установил, что все материалы в магнитном поле ведут себя по-разному: ориентируются по полю (пара и ферромагнетики) или поперек поля – диамагнетики.

Из школьного курса физики опыты Фарадея хорошо известны: катушка и постоянный магнит Из школьного курса физики опыты Фарадея хорошо известны: катушка и постоянный магнит Если подносить магнит к катушке или наоборот, то в катушке возникнет электрический ток.

Тоже самое с двумя близко расположенными катушками: если к одной из катушек подключить источник переменного тока, то в другой так же возникнет переменный ток , но лучше всего этот эффект проявляется, если две катушки соединить сердечником . Тоже самое с двумя близко расположенными катушками: если к одной из катушек подключить источник переменного тока, то в другой так же возникнет переменный ток , но лучше всего этот эффект проявляется, если две катушки соединить сердечником . Рис. 11.2

По определению Фарадея общим для этих опытов является то, что: если поток вектора индукции, пронизывающий замкнутый, проводящий контур меняется, то в контуре возникает электрический ток. Это явление называют явлением электромагнитной индукции, а ток – индукционным.

Для каждого конкретного случая Фарадей указывал направление индукционного тока. Для каждого конкретного случая Фарадей указывал направление индукционного тока. В 1833 г. Ленц установил общее правило нахождения направления тока: индукционный ток всегда направлен так, что магнитное поле этого тока препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток. Это утверждение носит название правило Ленца.

Величина Э.Д.С. индукции Для создания тока в цепи необходимо наличие электродвижущей силы. Поэтому явление электромагнитной индукции свидетельствует о том, что при изменении магнитного потока в контуре возникает электродвижущая сила индукции . Задача - используя законы сохранения энергии, найти величину и выяснить ее природу.

Пусть сначала магнитное поле отсутствует. Пусть сначала магнитное поле отсутствует. Батарея с ЭДС равной создает ток I0. За время dt, батарея совершает работу dA = E0 I0 dt – эта работа будет переходить в тепло которое можно найти по закону Джоуля-Ленца: Q = dA = E0 I0·dt = I02·Rdt, здесь I0= , R-полное сопротивление всего контура.

Теперь включим магнитное поле . Каждый элемент контура испытывает механическую силу . Подвижная сторона рамки будет испытывать силу . Под действием этой силы участок 1 – 2 будет перемещаться со скоростью . Теперь включим магнитное поле . Каждый элемент контура испытывает механическую силу . Подвижная сторона рамки будет испытывать силу . Под действием этой силы участок 1 – 2 будет перемещаться со скоростью .

При движении проводника изменится и поток магнитной индукции. При движении проводника изменится и поток магнитной индукции. Тогда в результате электромагнитной индукции ток в контуре изменится и станет равным I = I0 – Ii Изменится и сила , которая теперь станет равна (сила – не добавочная, а результирующая). Эта сила за время dt произведет работу dA = Fdx = IdФ.

Idt = I2R dt + I dФ Умножим левую и правую часть выражения на , получим Idt = I2R dt + I dФ Умножим левую и правую часть выражения на , получим Отсюда Полученное выражение мы вправе рассматривать как закон Ома для контура, в котором кроме источника действует , которая равна:

ЭДС индукции контура ( ) равна скорости измене-ния потока магнитной индукции, пронизывающего этот контур. ЭДС индукции контура ( ) равна скорости измене-ния потока магнитной индукции, пронизывающего этот контур. Закон Фарадея. Это выражение для ЭДС индукции контура является совершенно универсальным, не зависящим от способа изменения потока магнитной индукции и носит название закон Фарадея. Знак (-) – математическое выражение правила Ленца о направлении индукционного тока: индукционный ток всегда направлен так, чтобы своим полем противодействовать изменению начального магнитного поля.

Если контур состоит из нескольких витков, то надо пользоваться понятием потокосцепления (полный магнитный поток): Если контур состоит из нескольких витков, то надо пользоваться понятием потокосцепления (полный магнитный поток): Ψ = Ф ·N, где N – число витков. Итак, если =– = – Ψ = Тогда

Природа Э.Д.С. индукции Ответим на вопрос, что является причиной движения зарядов, причиной возникновения индукционного тока?

Если перемещать проводник в однородном магнитном поле , то под действием силы Лоренца, электроны будут отклоняться вниз, а положительные заряды вверх – возникает разность потенциалов. Если перемещать проводник в однородном магнитном поле , то под действием силы Лоренца, электроны будут отклоняться вниз, а положительные заряды вверх – возникает разность потенциалов. Это и будет - сторонняя сила, под действием которой течет ток. Как мы знаем, для положительных зарядов Fл = q+[ , ]; для электронов Fл = –e- [ , ].

Ответ был дан Дж. Максвеллом в 1860 г.: Ответ был дан Дж. Максвеллом в 1860 г.: всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле Е'. Оно и является причиной возникновения индукционного тока в проводнике. То есть Е' возникает только при наличии переменного магнитного поля (на постоянном токе трансформатор не работает). Сущность явления электромагнитной индукции совсем не в появлении индукционного тока (ток появляется тогда, когда есть заряды и замкнута цепь), а в возникновении вихревого электрического поля (не только в проводнике, но и в окружающем пространстве, в вакууме). Это поле имеет совершенно иную структуру, нежели поле, создаваемое зарядами. Так как оно не создается зарядами, то силовые линии не могут начинаться и заканчиваться на зарядах, как это было в электростатике. Это поле вихревое, силовые линии его замкнуты.

Раз это поле перемещает заряды, следовательно, оно обладает силой. Введем вектор напряженности вихревого электрического поля . Раз это поле перемещает заряды, следовательно, оно обладает силой. Введем вектор напряженности вихревого электрического поля . Сила с которой это поле действует на заряд: Но когда заряд движется в магнитном поле, на него действует сила Лоренца Эти силы должны быть равны в силу закона сохранения энергии: Здесь - скорость движения заряда q относительно . Но для явления электромагнитной индукции важна скорость изменения магнитного поля . Поэтому можно записать: Где – скорость движения магнитного поля относительно заряда.

ЭДС индукции пропорциональна скорости изменения магнитного поля: ЭДС индукции пропорциональна скорости изменения магнитного поля: Так как и если S – const, то где и есть скорость изменения магнитного поля.

Циркуляция вектора напряжённости вихревого электрического поля Чему равна циркуляция вектора в случае, изображенном на рисунке ? Рис. 11.8

Работу вихревого электрического поля по перемещению заряда можно подсчитать по формуле Работу вихревого электрического поля по перемещению заряда можно подсчитать по формуле Вспомним: работа по перемещению единичного заряда вдоль замкнутой цепи равна ЭДС, действующей в этой цепи. Следовательно так как никаких других сторонних сил в цепи, где течет индукционный ток, нет, то Эти выражения справедливы всегда, независимо от того, выполнен контур в виде линейного проводника, диэлектрика или речь идет о контуре (мысленном) в вакууме.

Если контур выполнен из диэлектрика, то каждый элемент его поляризуется в соответствии с действующим электрическим полем . Если контур выполнен из диэлектрика, то каждый элемент его поляризуется в соответствии с действующим электрическим полем . Если заряд движется в вакууме по контуру, то при каждом обходе контура механическая энергия его возрастает на величину (при движении заряда в проводнике из-за сопротивления устанавливается динамическое равновесие). На использовании этого факта основан оригинальный ускоритель электронов – бетатрон.

Токи Фуко индукционные токи будут возникать и в толще сплошных проводников при изменении в них потока вектора магнитной индукции . Они будут циркулировать в веществе проводника (напомним, что линии – замкнуты). Так как электрическое поле вихревое и токи называются вихревыми. Именно поэтому сердечник трансформатора делают не сплошным, а из пластин изолированных друг от друга иначе сердечник сильно бы грелся – это вредное действие токов Фуко.

Скин-эффект В проводах, по которым текут токи высокой частоты (ВЧ), также возникают вихревые токи, существенно изменяющие картину распределения плотности тока по сечению проводника. При этом вихревые токи по оси проводника текут против направления основного тока, а на поверхности – в том же направлении Ток как бы вытесняется на поверхность. Это и есть скин-эффект.

Проводники в ВЧ- схемах нет смысла делать сплошными: в ВЧ-генераторах проводники выполнены в виде - волноводов - полых трубок. Поверхностный слой проводника, по которому текут вихревые токи, называется – скинслой.