Явление электромагнитной индукции и её влияние на нашу жизнь
Содержание
То, что все в материальном мире находится в сфере действия различных полей, человечество стало изучать, а затем использовать совсем недавно. Колебание магнитного поля, приводящее к наведению в контуре электрического тока (электромагнитную индукцию), открыл Майкл Фарадей еще в 19 веке (1831 год).
Опыты Фарадея
Для подтверждения взаимодействия магнитного поля и замкнутого проводника в нем, Фарадеем были проведены несколько исследований. Эти опыты известного физика смогли объяснить, что такое электромагнитная индукция и как она проявляется.
Первый опыт состоит в том, что в намотанный на непроводящий полый каркас провод исследователь опускал намагниченный стержень. После этого было открыто, что соединенный с витками провода гальванометр с 0 посередине шкалы показывал наведение тока в контуре. Поворот и погружение стержня другим полюсом приводил к смене направления тока. Скорость движения магнитного бруска явно сказывалась на величине наведенного импульса.
В этом опыте использовались две обмотки из изолированных проводов на одном каркасе, одну из которых соединяли с батарейкой, а вторую — с гальванометром. Они также фиксируют возникновение разнонаправленного импульса при включении-размыкании рубильника. В замкнутом или разомкнутом состоянии выключателя стрелка прибора находилась на 0.
Кратко опыты можно описать так: две катушки, вставляемые друг в друга, взаимодействуют аналогично постоянному магниту. Если даже они расположены рядом и одна катушка перемещается относительно другой, эффект явления наведенного тока все равно происходит.
Объяснение исследований
Физика процесса, когда электромагнитная и магнитная индукция взаимодействовали, в экспериментах Фарадея может проявляться в результате следующих вариантов движения:
- наведение тока в замкнутой цепи при перемещении намагниченного стержня или катушки с текущим в ней током относительно витков проводника;
- появление импульсов в замкнутой цепи при появлении и исчезновении тока в находящемся в едином электромагнитном поле с другой схемой, в которой подключается батарейка.
На основании этого стало понятно, что явление электромагнитной индукции возникает, когда происходит колебание (вращение) магнитного потока, либо колебание постоянного или наличие переменного тока.
Магнитное поле
Особый вид состояния материи, который присущ постоянным магнитам, проводникам постоянных и переменных токов, называют магнитным полем.
Экспериментально были получены и изучены особые свойства магнитных линий:
- они не подвержены гравитации;
- всегда замкнуты и не пересекаются между собой;
- чем выше их плотность, тем мощнее поле.
Следующее определение позволяет понять, что в физике называется магнитным потоком. Данный поток представляет собой поток вектора магнитной индукции B сквозь какую-то поверхность. Магнитной индукцией принято считать силовую характеристику магнитного поля. При этом магнитный поток, который возникает в таком магнитном поле — это уже энергетическая характеристика данного поля.
Величина магнитного потока изменится, если происходят колебания следующих величин: модуля напряженности В (модуля вектора индукции), угла α вектором В и нормалью к поверхности контура, а также размеров площади S. Результирующий поток будет параметром, зависящим от того, под каким углом его пересекают силовые линии. Он будет относительно низким, если силовые линии пересекают площадь проводника под прямым углом (90°).
Электромагнитная индукция
Движение свободных электронов в замкнутой цепи проводников происходит, когда на них воздействует разность потенциалов или, как в экспериментах Фарадея, образовавшаяся при пересечении силовых линий поля электродвижущая сила. Магнитная индукция — это процесс намагничивания объектов, сопровождающийся изменением свободной энергии поля. А вот электромагнитная индукция подразумевает собой образование электротока, электрический полей и электрической поляризации во время изменения магнитного поля или во время передвижения материальной среды внутри магнитного поля. Т.е. электромагнитной индукцией называют явление, состоящее в генерации электротока в замкнутом проводниковом контуре по мере его продвижения сквозь магнитное поле.
Формула ЭДС индукции в замкнутом контуре Фарадея:
Простыми словами можно сказать, что данная сила количественно равна скорости изменения магнитного поля и препятствует его изменению. Единицы измерения электродвижущей силы в физике является вольт (В, V).
Ток, полученный в результате воздействия электродвижущей силы, создает электромагнитное поле, препятствующее или компенсирующее изменение магнитного поля. Индукционные токи (их также можно назвать вихревыми, наведенными) в проводнике находят при помощи формулы:
где R — сопротивление витка. Для катушки из N витков величины ЭДС и тока вырастают в N раз.
Физика электромагнитного закона заключается в следующем:
- чем сильнее магнитное поле, тем больше ЭДС;
- чем быстрее движется проводник, тем величина наведенного тока больше;
- если отсутствуют колебания (пересечения силовых линий поля и движения провода), нет ЭДС и индукционного тока.
Взаимодействие внешнего и созданного наведенным током поля происходят по правилу Ленца.
Закон Ленца
Ток, наведенный в замкнутой токопроводящей рамке при различных колебаниях возбуждающего электромагнитного поля, течет в направлении, чтобы образованное им собственное поле сопротивлялось отклонениям (компенсировало его) внешнего поля. То есть при уменьшении возбуждающего внешнего поля, наведенный ток станет увеличивать напряженность, а если она растет — уменьшать.
При известном направлении силовых линий намагниченного стержня и изменении (уменьшении или увеличении) магнитного потока, легко определяется направление силовых линий от наведенного тока. Он будет препятствовать изменению внешнего поля стержня. Совместив движение буравчика с направлением векторов созданного поля, вращение ручки покажет направление индукционного тока в витках обмотки. Действие этого правила демонстрирует закон сохранения энергии.
Самоиндукция
Один из вариантов электромагнитной индукции называют самоиндукцией, которая появляется в элементах электрической цепи при изменении в ней проходящего тока.
Довольно простым опытом можно продемонстрировать возникновение эффекта самоиндукции. Для этого используется схема с катушкой, двух лампочек накаливания одних параметров, резистора, выключателя и батареи. Такое подключение элементов наглядно покажет принцип возникновения самоиндукции и ее влияние на элементы цепи при подключении электропитания. Сущность такого опыта заключалась в различном поведении одинаковых ламп, включенных в такую электроцепь.
При включении электропитания в цепях возникнет изменяющейся в переходный период ток. Согласно правилу Ленца, возникает ЭДС, препятствующая изменению индукции. На активном сопротивлении резистора она будет ничтожна, потому лампа 1 загорится мгновенно. В катушке, состоящей из множества витков, электродвижущая сила и ток индукции может достигать значительных величин и задержка в свечении лампы 2 очевидна.
При размыкании выключателя лампочки будут гаснуть одновременно с задержкой на время затухания самоиндукции. Электродвижущая сила в контуре E = L × (dI/dt), где L — индуктивность катушки, dI/dt — изменение тока в переходный период. Магнитный поток самоиндукции Ф = L × I в катушке пропорционален току I в контуре. Коэффициент пропорциональности, она же индуктивность L — характеристика катушки, измеряется в генри (Гн).
Индуктивность L зависит от количества витков, свойств магнитопровода и конструкции изделия. На практике изменение этого параметра может происходить за счет перемещения внутри стержней и формы корпуса из ферромагнетиков.
Энергия магнитного поля
Ток, проходя через витки провода создает электромагнитное поле. Затраты энергии на его создание определяются индуктивностью катушки и квадратом силы тока. Формула энергии магнитного поля:
В случае, если ток пропадет, энергия, накопленная в электромагнитном поле, выделится либо теплом, либо светом или иным излучением.
Сфера применения
Электромагнитная индукция — это такое явление, открытие которого значительно ускорило технический прогресс. Если в начале ее свойства использовались для создания электрических машин, трансформаторов и механизмов, то сейчас сложно найти сферу, где бы в том или ином виде не применялось это открытие: от медицины до космоса и сельского хозяйства, от телевидения и интернета до электромагнитного оружия.
Загрузка...
