Energi medan magnet induktansi ggl induksi diri. Fenomena induksi diri

Induktansi
Satuan induktansi
Induksi diri
Energi medan magnet

Induktansi. Arus listrik yang melewati suatu konduktor menimbulkan medan magnet disekitarnya. Fluks magnet F melalui loop konduktor ini sebanding dengan modulus induksi medan magnet di dalam loop, dan induksi medan magnet pada gilirannya sebanding dengan kuat arus dalam konduktor. Oleh karena itu, fluks magnet yang melalui rangkaian berbanding lurus dengan arus dalam rangkaian:

F = LI. (55.1)

Faktor proporsionalitas L antara kekuatan saat ini SAYA pada rangkaian dan fluks magnet F yang diciptakan oleh arus ini disebut induktansi. Induktansi bergantung pada ukuran dan bentuk konduktor, pada sifat magnetik lingkungan di mana konduktor berada.

Satuan induktansi. Satuan induktansi dalam Sistem Internasional dianggap sebagai Henry(Gn). Satuan ini ditentukan berdasarkan rumus (55.1):

Induktansi suatu rangkaian adalah 1 Hn jika, dengan arus searah 1 A, fluks magnet yang melalui rangkaian adalah 1 Wb:

Induksi diri. Ketika arus dalam kumparan berubah, fluks magnet yang dihasilkan oleh arus ini berubah. Perubahan fluks magnet yang melewati kumparan akan menyebabkan munculnya ggl induksi pada kumparan. Fenomena terjadinya ggl induksi pada suatu rangkaian listrik akibat adanya perubahan kuat arus pada rangkaian tersebut disebut induksi diri.
Sesuai dengan aturan Lenz, ggl induktif sendiri mencegah kenaikan arus ketika rangkaian dihidupkan dan arus berkurang ketika rangkaian dimatikan.
Fenomena induksi diri dapat diamati dengan merakit rangkaian listrik dari kumparan dengan induktansi tinggi, sebuah resistor, dua lampu pijar identik dan sumber arus (Gbr. 197).

Resistor harus mempunyai hambatan listrik yang sama dengan kawat kumparan. Pengalaman menunjukkan bahwa ketika rangkaian ditutup, lampu listrik yang dihubungkan secara seri dengan kumparan menyala lebih lambat daripada lampu yang dihubungkan secara seri dengan resistor. Peningkatan arus dalam rangkaian kumparan selama penutupan dicegah oleh ggl induksi sendiri, yang terjadi ketika fluks magnet dalam kumparan meningkat. Bila sumber listrik dimatikan, kedua lampu akan berkedip. Dalam hal ini, arus dalam rangkaian dipertahankan oleh ggl induksi sendiri yang terjadi ketika fluks magnet pada kumparan berkurang.
GGL induksi sendiri yang timbul pada kumparan induktif L, menurut hukum induksi elektromagnetik sama dengan

GGL induktif diri berbanding lurus dengan induktansi kumparan dan laju perubahan arus dalam kumparan.
Dengan menggunakan ekspresi (55.3), kita dapat memberikan definisi kedua dari satuan induktansi: suatu elemen rangkaian listrik memiliki induktansi 1 H jika, dengan perubahan seragam pada kuat arus dalam rangkaian sebesar 1 A dalam 1 s, ggl induktif diri sebesar 1 V muncul di dalamnya.

Energi medan magnet. Ketika kumparan induktor diputuskan dari sumber arus, lampu pijar yang dihubungkan sejajar dengan kumparan memberikan kilatan jangka pendek. Arus dalam rangkaian timbul di bawah pengaruh ggl induksi diri. Sumber energi yang dilepaskan pada rangkaian listrik adalah medan magnet kumparan.
Energi medan magnet induktor dapat dihitung dengan cara berikut. Untuk menyederhanakan perhitungan, pertimbangkan kasus ketika, setelah kumparan terputus dari sumber, arus dalam rangkaian berkurang seiring waktu menurut hukum linier. Dalam hal ini, ggl induksi diri memiliki nilai konstan sama dengan

Di mana T- periode waktu selama arus dalam rangkaian berkurang dari nilai awalnya SAYA ke 0.
Selama ini T dengan penurunan linier dalam kekuatan arus dari SAYA ke 0, muatan listrik melewati rangkaian:

jadi usaha yang dilakukan oleh arus listrik adalah

Usaha ini dilakukan karena energi medan magnet kumparan.
Energi medan magnet suatu induktor sama dengan setengah produk induktansinya dan kuadrat arus di dalamnya:

(berdasarkan materi dari manual "Fisika - bahan referensi" Kabardin O.F.)

Medan listrik yang timbul ketika medan magnet berubah memiliki struktur yang sama sekali berbeda dengan struktur elektrostatis. Ia tidak terhubung langsung dengan muatan listrik, dan garis tegangannya tidak dapat dimulai dan diakhiri pada muatan tersebut. Garis-garis tersebut tidak dimulai atau berakhir di mana pun, tetapi merupakan garis tertutup, mirip dengan garis induksi medan magnet. Inilah yang disebut medan listrik pusaran. Mungkin timbul pertanyaan: mengapa sebenarnya medan ini disebut listrik? Bagaimanapun, ia memiliki asal usul yang berbeda dan konfigurasi yang berbeda dari medan listrik statis. Jawabannya sederhana: medan pusaran bekerja pada muatan tersebut Q sama seperti elektrostatis, dan inilah yang kami pertimbangkan dan masih anggap sebagai properti utama medan. Gaya yang bekerja pada muatan tetap sama F= qE, Di mana E- intensitas bidang pusaran.

Jika fluks magnet dihasilkan oleh medan magnet seragam yang terkonsentrasi dalam tabung silinder panjang dan sempit berjari-jari r 0 (Gbr. 5.8), maka dari pertimbangan simetri jelas bahwa garis kuat medan listrik terletak pada bidang yang tegak lurus terhadap garis B dan adalah lingkaran. Sesuai dengan aturan Lenz, semakin besar medan magnetnya

Garis induksi tegangan E membentuk ulir kiri dengan arah induksi magnet B.

Berbeda dengan medan listrik statis atau stasioner, kerja medan pusaran pada lintasan tertutup tidaklah nol. Memang, ketika suatu muatan bergerak sepanjang garis tertutup kuat medan listrik, usaha pada semua bagian lintasan mempunyai tanda yang sama, karena gaya dan geraknya berimpit. Medan listrik pusaran, seperti medan magnet, tidak potensial.

Kerja medan listrik pusaran untuk memindahkan muatan positif tunggal sepanjang konduktor stasioner tertutup secara numerik sama dengan ggl induksi pada konduktor ini.

Jika arus bolak-balik mengalir melalui kumparan, maka fluks magnet yang melewati kumparan berubah. Oleh karena itu, ggl induksi terjadi pada konduktor yang sama yang dilalui arus bolak-balik. Fenomena ini disebut induksi diri.

Dengan induksi diri, rangkaian konduktif memainkan peran ganda: arus mengalir melaluinya, menyebabkan induksi, dan ggl induksi muncul di dalamnya. Medan magnet yang berubah menginduksi ggl pada konduktor yang dilalui arus, sehingga menciptakan medan ini.

Pada saat arus bertambah, intensitas medan listrik pusaran, sesuai dengan aturan Lenz, diarahkan melawan arus. Akibatnya, pada saat ini medan pusaran mencegah peningkatan arus. Sebaliknya, pada saat arus berkurang, medan pusaran mendukungnya.

Hal ini mengarah pada fakta bahwa ketika rangkaian yang berisi sumber EMF konstan ditutup, nilai arus tertentu tidak segera ditetapkan, tetapi secara bertahap seiring waktu (Gbr. 5.13). Sebaliknya, ketika sumber dimatikan, arus pada rangkaian tertutup tidak langsung berhenti. GGL induktif diri yang timbul dalam hal ini dapat melebihi ggl sumber, karena perubahan arus dan medan magnetnya terjadi sangat cepat ketika sumber dimatikan.

Fenomena induksi diri dapat diamati pada percobaan sederhana. Gambar 5.14 menunjukkan rangkaian untuk menghubungkan dua lampu identik secara paralel. Salah satunya dihubungkan ke sumber melalui resistor R, dan yang lainnya - seri dengan kumparan L dengan inti besi. Saat kunci ditutup, lampu pertama langsung berkedip, dan lampu kedua dengan penundaan yang nyata. GGL induktif diri pada rangkaian lampu ini besar, dan kuat arus tidak serta merta mencapai nilai maksimumnya. Munculnya ggl induktif diri pada pembukaan dapat diamati secara eksperimental dengan rangkaian yang ditunjukkan secara skematis pada Gambar 5.15. Ketika kunci pada kumparan dibuka L GGL yang diinduksi sendiri muncul, mempertahankan arus awal. Akibatnya, pada saat pembukaan, arus mengalir melalui galvanometer (panah putus-putus), berlawanan arah dengan arus awal sebelum pembukaan (panah padat). Selain itu kuat arus pada saat rangkaian dibuka melebihi kuat arus yang melewati galvanometer pada saat saklar ditutup. Ini berarti ggl yang diinduksi sendiri ξ. lebih banyak ggl adalah elemen baterai.

Fenomena induksi diri mirip dengan fenomena inersia dalam mekanika. Jadi, inersia mengarah pada fakta bahwa di bawah pengaruh gaya, suatu benda tidak memperoleh kecepatan tertentu secara instan, tetapi secara bertahap. Tubuh tidak bisa langsung diperlambat, betapapun besarnya gaya pengereman. Dengan cara yang sama, karena induksi diri, ketika rangkaian ditutup, kekuatan arus tidak segera memperoleh nilai tertentu, tetapi meningkat secara bertahap. Dengan mematikan sumbernya, kita tidak langsung menghentikan aliran listrik. Induksi diri mempertahankannya untuk beberapa waktu, meskipun terdapat hambatan rangkaian.

Selanjutnya, untuk meningkatkan kecepatan suatu benda, menurut hukum mekanika, harus dilakukan usaha. Saat melakukan pengereman, bodi sendiri melakukan kerja positif. Dengan cara yang sama, untuk menciptakan arus, kerja harus dilakukan melawan medan listrik pusaran, dan ketika arus hilang, medan ini sendiri melakukan kerja positif.

Ini bukan sekedar analogi yang dangkal. Ini memiliki makna batin yang mendalam. Bagaimanapun, arus adalah kumpulan partikel bermuatan yang bergerak. Ketika kecepatan elektron meningkat, medan magnet yang diciptakannya berubah dan menghasilkan medan listrik pusaran yang bekerja pada elektron itu sendiri, mencegah peningkatan kecepatan secara instan di bawah pengaruh gaya eksternal. Sebaliknya, selama pengereman, medan pusaran cenderung menjaga kecepatan elektron tetap konstan (aturan Lenz). Jadi, inersia elektron, dan juga massanya, setidaknya sebagian berasal dari elektromagnetik. Massa tidak dapat sepenuhnya bersifat elektromagnetik, karena ada partikel netral yang bermassa (neutron, dll.)

Induktansi.

Modul B induksi magnetik yang dihasilkan oleh arus dalam rangkaian tertutup sebanding dengan kekuatan arus. Karena fluks magnet Ф sebanding dengan B, maka Ф ~ В ~ I.

Oleh karena itu dapat dikatakan demikian

Di mana L- koefisien proporsionalitas antara arus dalam rangkaian penghantar dan fluks magnet yang dihasilkannya, menembus rangkaian ini. Ukuran L disebut induktansi rangkaian atau koefisien induktansi dirinya.

Dengan menggunakan hukum induksi dan ekspresi elektromagnetik (5.7.1), kita memperoleh persamaan:

(5.7.2)

Dari rumus (5.7.2) berikut ini induktansi- ini adalah kuantitas fisik yang secara numerik sama dengan ggl induktif diri yang terjadi di sirkuit ketika arus berubah sebesar 1 A per 1 hal.

Induktansi, seperti kapasitansi listrik, bergantung pada faktor geometris: ukuran konduktor dan bentuknya, tetapi tidak bergantung langsung pada kuat arus dalam konduktor. Kecuali

geometri konduktor, induktansi tergantung pada sifat magnetik lingkungan di mana konduktor berada.

Satuan SI untuk induktansi disebut henry (H). Induktansi konduktor sama dengan 1 tahun, jika di dalamnya ketika kekuatan saat ini berubah sebesar 1 A untuk 1 detik terjadi ggl yang diinduksi sendiri 1V:

Kasus khusus lainnya dari induksi elektromagnetik adalah induksi timbal balik. Induksi timbal balik adalah terjadinya arus induksi pada suatu rangkaian tertutup(kumparan) ketika kekuatan arus berubah di sirkuit yang berdekatan(kumparan). Dalam hal ini, konturnya tidak bergerak relatif satu sama lain, seperti misalnya kumparan transformator.

Secara kuantitatif, induksi timbal balik ditandai dengan koefisien induksi timbal balik, atau induktansi timbal balik.

Gambar 5.16 menunjukkan dua rangkaian. Ketika arus I 1 berubah pada rangkaian 1 di sirkuit 2 timbul arus induksi I 2.

Fluks induksi magnet 1,2 yang ditimbulkan oleh arus pada rangkaian pertama dan menembus permukaan yang dibatasi oleh rangkaian kedua, sebanding dengan kuat arus I 1:

Koefisien proporsionalitas L 1, 2 disebut induktansi timbal balik. Ini mirip dengan induktansi L.

GGL induksi pada rangkaian kedua, menurut hukum induksi elektromagnetik, sama dengan:

Koefisien L 1.2 ditentukan oleh geometri kedua rangkaian, jarak antara keduanya, posisi relatifnya dan sifat magnetik lingkungan. Induktansi timbal balik dinyatakan L 1.2, seperti induktansi L, dalam henry.

Jika arus pada rangkaian kedua berubah, maka ggl induksi terjadi pada rangkaian pertama

Ketika kekuatan arus dalam sebuah konduktor berubah, medan listrik pusaran muncul di konduktor tersebut. Medan ini memperlambat elektron ketika arus meningkat dan dipercepat ketika arus berkurang.

Energi medan magnet saat ini.

Ketika suatu rangkaian yang mengandung sumber EMF konstan ditutup, energi dari sumber arus pada awalnya dihabiskan untuk menciptakan arus, yaitu untuk menggerakkan elektron-elektron konduktor dan pembentukan medan magnet yang berhubungan dengan arus, dan juga sebagian meningkatkan energi internal konduktor, yaitu memanaskannya. Setelah nilai arus konstan ditetapkan, energi sumber dihabiskan secara eksklusif untuk pelepasan panas. Dalam hal ini, energi saat ini tidak berubah.

Untuk menciptakan arus, perlu mengeluarkan energi, yaitu usaha harus dilakukan. Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa ketika rangkaian ditutup, ketika arus mulai meningkat, medan listrik pusaran muncul di konduktor, bekerja melawan medan listrik yang tercipta di konduktor karena sumber arus. Agar kuat arus menjadi sama dengan I, sumber arus harus melakukan usaha melawan gaya medan pusaran. Pekerjaan ini digunakan untuk meningkatkan energi saat ini. Bidang pusaran menghasilkan kerja negatif.

Ketika rangkaian dibuka, arus menghilang dan medan pusaran melakukan kerja positif. Energi yang tersimpan dalam arus dilepaskan. Hal ini dideteksi oleh percikan kuat yang terjadi ketika rangkaian dengan induktansi tinggi dibuka.

Ekspresi energi arus I yang mengalir melalui rangkaian dengan induktansi L dapat ditulis berdasarkan analogi antara inersia dan induksi diri.

Jika induksi diri mirip dengan inersia, maka induktansi dalam proses penciptaan arus harus memainkan peran yang sama seperti massa ketika kecepatan suatu benda meningkat dalam mekanika. Peran kecepatan suatu benda dalam elektrodinamika dimainkan oleh kuat arus I sebagai besaran yang mencirikan pergerakan muatan listrik. Jika demikian, maka energi arus W m dapat dianggap besaran yang serupa dengan energi kinetik benda - dalam mekanika, dan tuliskan dalam bentuk.

Jika suatu arus listrik yang berubah-ubah mengalir dalam suatu rangkaian, maka perubahan arus tersebut menyebabkan perubahan medan magnetnya sendiri. Pada suatu penghantar berarus yang berada dalam medan magnet yang berubah-ubah, terjadi fenomena induksi elektromagnetik yang ciri-cirinya adalah emf. induksi diri.

Medan magnet sendiri dari arus dalam rangkaian menciptakan fluks magnet Ф S melalui luas permukaan yang dibatasi oleh rangkaian itu sendiri. Fluks magnet Ф S disebut aliran induksi diri pada rangkaian . Jika rangkaian tidak berada dalam lingkungan feromagnetik, maka S sebanding dengan kuat arus I pada rangkaian: s = LI.

Nilai L disebut induktansi rangkaian dan merupakan karakteristik listriknya, seperti hambatan R kontur dan karakteristik lainnya. Arti L tergantung pada ukuran rangkaian, bentuk geometrisnya, dan permeabilitas magnetik relatif dari medium di mana rangkaian tersebut berada. Misalnya untuk solenoid yang cukup panjang aku dan luas penampang belokan S dengan jumlah lilitan total N, induksi magnet yang di dalamnya berbentuk B = mu 0 NI,

induktansi sama dengan

Di mana μ o= 4π 10 -7 H/m - konstanta magnet, μ - permeabilitas magnet relatif medium, - jumlah lilitan per satuan panjang, V = Sl- volume solenoid.

Menurut hukum induksi elektromagnetik Faraday, ggl. induksi diri ε sama dengan .

Jika rangkaian pembawa arus tidak berubah bentuk dan permeabilitas magnet relatif medium adalah konstan, maka induktansi rangkaian adalah konstan. Maka ε hanya sebanding dengan laju perubahan arus: .

Di bawah pengaruh aku s arus induksi I s muncul pada rangkaian yang menurut aturan Lenz menangkal perubahan arus pada rangkaian yang menyebabkan fenomena induksi diri. Arus I s, yang ditumpangkan pada arus utama, memperlambat kenaikannya atau mencegah penurunannya. Induktansi suatu loop adalah ukuran “kelembaman” terhadap perubahan arus dalam loop. Dalam pengertian ini, induktansi L suatu rangkaian dalam elektrodinamika memainkan peran yang sama dengan massa suatu benda dalam mekanika.

Untuk menghasilkan arus I pada rangkaian dengan induktansi L, perlu dilakukan usaha untuk mengatasi ggl. induksi diri. Energi sendiri W m. gaya saat ini I adalah besaran yang secara numerik sama dengan usaha ini:

Energi arus itu sendiri terkonsentrasi di medan magnet yang diciptakan oleh konduktor pembawa arus. Oleh karena itu, mereka berbicara tentang energi medan magnet, dan diyakini bahwa energi diri arus didistribusikan ke seluruh ruang di mana terdapat medan magnet. Energi medan magnet sama dengan energi intrinsik arus. Energi medan magnet seragam yang terkonsentrasi pada volume V medium isotropik dan non-feromagnetik, ,

Di mana DI DALAM- induksi medan magnet.

Kerapatan energi volumetrik ω m medan magnet adalah energi yang terkandung dalam satuan volume medan:

Untuk medan magnet dalam media isotropik dan non-feromagnetik.

Ungkapan ini berlaku tidak hanya untuk medan seragam, tetapi juga untuk medan magnet yang berubah-ubah, termasuk yang berubah terhadap waktu.

Selain itu, Anda perlu mengetahui rumus berikut: menghitung induksi magnet suatu penghantar lurus

dimana r adalah jarak dari konduktor ke titik medan

Induksi medan magnet arus melingkar (r-radius putaran)

Prinsip superposisi medan magnet

Modul vektor B:

Fenomena induksi diri

Hal ini mengarah pada fakta bahwa ketika rangkaian yang berisi sumber EMF konstan ditutup, nilai arus tertentu tidak segera ditetapkan, tetapi secara bertahap seiring waktu (Gbr. 9). Sebaliknya, ketika sumber dimatikan, arus pada rangkaian tertutup tidak langsung berhenti. GGL induktif diri yang timbul dalam hal ini dapat melebihi ggl sumber, karena perubahan arus dan medan magnetnya terjadi sangat cepat ketika sumber dimatikan.

Fenomena induksi diri dapat diamati pada percobaan sederhana. Gambar 10 menunjukkan rangkaian untuk menghubungkan dua lampu identik secara paralel. Salah satunya dihubungkan ke sumber melalui resistor R, dan yang lainnya seri dengan kumparan L dengan inti besi. Saat kunci ditutup, lampu pertama langsung berkedip, dan lampu kedua dengan penundaan yang nyata. GGL induktif diri pada rangkaian lampu ini besar, dan kuat arus tidak serta merta mencapai nilai maksimumnya.

Munculnya ggl induktif diri pada saat pembukaan dapat diamati secara eksperimental dengan rangkaian yang ditunjukkan secara skematis pada Gambar 11. Saat membuka kunci pada kumparan L GGL yang diinduksi sendiri muncul, mempertahankan arus awal. Akibatnya, pada saat pembukaan, arus mengalir melalui galvanometer (panah putus-putus), berlawanan arah dengan arus awal sebelum pembukaan (panah padat). Selain itu kuat arus pada saat rangkaian dibuka melebihi kuat arus yang melewati galvanometer pada saat saklar ditutup. Ini berarti ggl yang diinduksi sendiri E lebih banyak ggl E elemen baterai.

Induktansi

Nilai induksi magnetik B, yang dihasilkan oleh arus dalam rangkaian tertutup mana pun, sebanding dengan kuat arus. Sejak fluks magnet F sebanding DI DALAM, maka kita dapat mengatakan itu

\(~\Phi = L \cdot I\) ,

Di mana L– koefisien proporsionalitas antara arus dalam rangkaian penghantar dan fluks magnet yang dihasilkannya, menembus rangkaian ini. Nilai L disebut induktansi rangkaian atau koefisien induktansi diri.

Dengan menggunakan hukum induksi elektromagnetik, kita memperoleh persamaan:

\(~E_(is) = - \frac(\Delta \Phi)(\Delta t) = - L \cdot \frac(\Delta I)(\Delta t)\) ,

Dari rumus yang dihasilkan berikut ini

induktansi adalah besaran fisis yang secara numerik sama dengan ggl induktif diri yang terjadi pada rangkaian ketika arus berubah sebesar 1 A dalam 1 s.

Induktansi, seperti kapasitansi listrik, bergantung pada faktor geometris: ukuran konduktor dan bentuknya, tetapi tidak bergantung langsung pada kuat arus dalam konduktor. Selain geometri konduktor, induktansi bergantung pada sifat magnetik lingkungan di mana konduktor berada.

Satuan SI untuk induktansi disebut henry (H). Induktansi suatu konduktor adalah 1 H jika, ketika kuat arus berubah sebesar 1 A dalam 1 s, ggl induktif diri sebesar 1 V terjadi di dalamnya:

1 H = 1 V / (1 A/s) = 1 V s/A = 1 Ohm s

Energi medan magnet

Mari kita cari energi yang dimiliki oleh arus listrik dalam suatu konduktor. Menurut hukum kekekalan energi, energi arus sama dengan energi yang harus dikeluarkan oleh sumber arus (sel galvanik, generator di pembangkit listrik, dll.) untuk menghasilkan arus. Ketika arus berhenti, energi ini dilepaskan dalam satu atau lain bentuk.

Energi arus yang akan dibahas sekarang mempunyai sifat yang sama sekali berbeda dengan energi yang dilepaskan oleh arus searah pada suatu rangkaian dalam bentuk panas, yang besarnya ditentukan oleh hukum Joule-Lenz.

Ketika suatu rangkaian yang mengandung sumber EMF konstan ditutup, energi dari sumber arus pada awalnya dihabiskan untuk menciptakan arus, yaitu untuk menggerakkan elektron-elektron konduktor dan pembentukan medan magnet yang berhubungan dengan arus, dan juga sebagian pada peningkatan energi internal konduktor, yaitu. untuk memanaskannya. Setelah nilai arus konstan ditetapkan, energi sumber dihabiskan secara eksklusif untuk pelepasan panas. Dalam hal ini, energi saat ini tidak berubah.

Sekarang mari kita cari tahu mengapa perlu mengeluarkan energi untuk menciptakan arus, yaitu. pekerjaan perlu dilakukan. Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa ketika rangkaian ditutup, ketika arus mulai meningkat, medan listrik pusaran muncul di konduktor, bekerja melawan medan listrik yang tercipta di konduktor karena sumber arus. Agar arusnya menjadi sama SAYA, sumber arus harus melakukan usaha melawan gaya medan pusaran. Pekerjaan ini digunakan untuk meningkatkan energi saat ini. Bidang pusaran menghasilkan kerja negatif.

Mari kita cari ekspresi energi saat ini SAYA L.

Pekerjaan A, dilakukan oleh sumber dengan EMF E dalam waktu singkat Δ T, sama dengan:

\(~A = E \cdot I \cdot \Delta t\) . (1)

Menurut hukum kekekalan energi, usaha ini sama dengan jumlah pertambahan energi arus Δ W m dan jumlah kalor yang dilepaskan \(~Q = I^2 \cdot R \cdot \Delta t\):

\(~A = \Delta W_m + Q\) . (2)

Oleh karena itu peningkatan energi saat ini

\(~\Delta W_m = A - Q = I \cdot \Delta t \cdot (E - I \cdot R)\) . (3)

Menurut hukum Ohm untuk rangkaian lengkap

\(~Saya \cdot R = E + E_(adalah)\) . (4)

dimana \(~E_(is) = - L \cdot \frac(\Delta I)(\Delta t)\) adalah ggl induksi diri. Menggantikan persamaan (3) produk saya∙R nilainya (4), kita peroleh:

\(~\Delta W_m = I \cdot \Delta t \cdot (E - E - E_(adalah)) = - E_(adalah) \cdot I \cdot \Delta t = L \cdot I \cdot \Delta I\ ) . (5)

Pada grafik ketergantungan L∙I dari SAYA(Gbr. 12) peningkatan energi Δ W m secara numerik sama dengan luas persegi panjang abcd dengan para pihak L∙I dan Δ SAYA. Perubahan total energi seiring bertambahnya arus dari nol menjadi SAYA 1 secara numerik sama dengan luas segitiga OBC dengan para pihak SAYA 1 dan L∙SAYA 1. Karena itu,

\(~W_m = \frac(L \cdot I^2_1)(2)\) .

Energi saat ini SAYA, mengalir melalui rangkaian dengan induktansi L, sama

\(~W_m = \frac(L \cdot I^2)(2)\) .

Energi medan magnet yang terkandung dalam satuan volume ruang yang ditempati medan tersebut disebut kerapatan energi medan magnet volumetrik ω m:

\(~\omega_m = \frac(W_m)(V)\) .

Jika medan magnet tercipta di dalam solenoida yang panjangnya aku dan daerah kumparan S, maka dengan memperhitungkan induktansi solenoid \(~L = \frac(\mu_0 \cdot N^2 \cdot S)(l)\) dan besar vektor induksi medan magnet di dalam solenoid \( ~B = \frac(\mu_0 \cdot N \cdot I)(l)\) , kita peroleh

\(~I = \frac(B \cdot l)(\mu_0 \cdot N) ; W_m = \frac(L \cdot I^2)(2) = \frac(1)(2) \cdot \frac( \mu_0 \cdot N^2 \cdot S)(l) \cdot \kiri (\frac(B \cdot l)(\mu_0 \cdot N) \kanan)^2 = \frac(B^2)(2 \ cdot \mu_0) \cdot S \cdot l\) .

Karena V = S∙l, maka rapat energi medan magnet

\(~\omega_m = \frac(B^2)(2 \cdot \mu_0)\) .

Medan magnet yang ditimbulkan oleh arus listrik mempunyai energi yang berbanding lurus dengan kuadrat arus. Kerapatan energi medan magnet sebanding dengan kuadrat induksi magnet.

Literatur

Zhilko V.V. Fisika: Buku Teks. tunjangan untuk kelas 10. pendidikan umum sekolah dari bahasa Rusia bahasa pelatihan / V.V. Zhilko, A.V. Lavrinenko, L.G. Markovich. – Mn.: Nar. Asveta, 2001. – 319 hal.
Myakishev, G.Ya. Fisika: Elektrodinamika. kelas 10-11 : buku teks untuk studi mendalam tentang fisika / G.Ya. Myakishev, A.3. Sinyakov, V.A. Slobodskov. – M.: Bustard, 2005. – 476 hal.

Arus listrik yang melewati suatu rangkaian tertutup menimbulkan medan magnet pada ruang sekitarnya, beberapa garisnya memotong permukaan yang dibatasi oleh rangkaian yang sama. Jadi, ternyata rangkaian tersebut ditembus oleh alirannya sendiri. Besarnya fluks sebanding dengan besarnya induksi magnet, yang selanjutnya sebanding dengan kuat arus yang mengalir melalui rangkaian. Oleh karena itu, besarnya fluks berbanding lurus dengan kuat arus.

Ф~Saya, Ф=LI

dimana koefisien proporsionalitas L disebut induktansi rangkaian.

Induktansi bergantung pada ukuran dan bentuk konduktor, pada sifat magnetik lingkungan di mana konduktor berada.

Induktansi– besaran fisis skalar sama dengan fluks magnet intrinsik yang menembus rangkaian, dengan kuat arus dalam rangkaian 1 A.

Karena modul induksi magnet medan magnet di dalam solenoid
Tanda “-” sesuai dengan aturan Lenz.

Oleh karena itu, induktansi secara numerik sama dengan ggl induktif diri yang terjadi pada rangkaian ketika arus berubah sebesar 1 A dalam 1 s.

Mari kita sambungkan rangkaian ke sumber arus. Dalam rangkaian, karena perbedaan potensial pada terminal sumber, pergerakan muatan dimulai. Arus dalam rangkaian meningkat. Akibatnya, EMF induksi diri muncul di sirkuit, mencegah peningkatan arus. Kerja sumber arus untuk mengatasi ggl induktif diri dan membentuk arus digunakan untuk menciptakan medan magnet.

Medan magnet, seperti medan listrik, adalah pembawa energi. Energi medan magnet sama dengan kerja gaya luar sumber terhadap ggl induktif diri.

Kepadatan energi volumetrik disebut energi yang terkandung dalam satuan volume

Tiket 14

Osilasi elektromagnetik gratis. Amplitudo, frekuensi dan periode osilasi. Fase osilasi. Transformasi energi selama osilasi.

Keraguan adalah proses di mana besaran fisis mengambil nilai yang sama secara berkala.

Osilasi dicirikan oleh periode dan frekuensi.

Periode T– durasi satu osilasi.

Frekuensi n- jumlah osilasi per satuan waktu.

Harmonis osilasi adalah osilasi yang terjadi perubahan besaran fisis menurut hukum sinus atau kosinus.

x(t)=Аcos(wt+j 0) atau x(t)=Аsin(wt+j 0), dimana x(t) adalah simpangan besaran yang berfluktuasi dari posisi setimbang; A – deviasi maksimum dari posisi setimbang atau amplitudo; a- frekuensi siklik atau melingkar, yang dihubungkan dengan periode dan frekuensi dengan rasio w=2p/T, w=2pn; j=(berat+j 0) – fase osilasi, menunjukkan berapa lama periode yang telah berlalu sejak awal osilasi; j 0 - fase awal.

Satuan pengukuran[n]=s -1 , [w]=rad/s, [j]=rad.

Rangkaian listrik yang terdiri dari kumparan induktansi dan kapasitansi disebut rangkaian osilasi, karena osilasi elektromagnetik bebas dapat terjadi di dalamnya.

Osilasi elektromagnetik bebas pada rangkaian- ini adalah perubahan periodik muatan pada kapasitor, arus dalam rangkaian dan tegangan pada kedua elemen rangkaian, yang terjadi tanpa mengonsumsi energi dari sumber eksternal.

Misalkan terdapat muatan q 0 pada kapasitor pada saat awal, dan akibatnya, tegangan pada kapasitor dan energi medan listrik di dalam kapasitor. Seiring waktu, kapasitor mulai kosong. Arus muncul di sirkuit. Muatan kapasitor, tegangan dan energi medan listrik berkurang. Kenaikan arus pada kumparan menyebabkan munculnya ggl induktif sendiri pada kumparan, oleh karena itu kenaikan arus dan pelepasan kapasitor tidak terjadi secara instan, melainkan menurut hukum harmonik.

Pada saat kapasitor benar-benar habis, kekuatan arus dan akibatnya energi medan magnet dalam kumparan mencapai nilai maksimumnya.

Sejak kapasitor habis, arus mulai berkurang. Penurunan arus pada kumparan menyebabkan munculnya ggl induksi sendiri yang cenderung mendukung penurunan arus. Oleh karena itu, penurunan arus tidak terjadi secara instan, tetapi menurut hukum harmonik, ketika kapasitor diisi ulang.

Pada saat arus dalam rangkaian menjadi nol, maka muatan pada kapasitor, tegangan dan energi medan listrik pada kapasitor adalah maksimum. Polaritas muatan pelat kapasitor berlawanan dengan aslinya.

Periode osilasi elektromagnetik bebas ditentukan oleh rumus Thomson

T=2pÖLC.

Muatan pada kapasitor, arus dalam rangkaian, dan tegangan pada kedua elemen rangkaian berubah menurut hukum harmonik.

q=q 0 biaya; U=U 0 biaya; Saya=-Saya 0 dosa

Karena tidak ada kehilangan panas, energi total rangkaian ideal, sama dengan jumlah energi medan listrik di kapasitor dan medan magnet di kumparan, tetap konstan.

W=W el +W mag =CU 2 /2 + LI 2 /2

Pada saat tidak ada arus pada rangkaian, seluruh energi terkonsentrasi pada kapasitor dan sama dengan CU 2 maks/2.

Ketika kapasitor dilepaskan, seluruh energi terkonsentrasi pada kumparan dan sama dengan LI 2 maks/2.

Akibat osilasi elektromagnetik bebas pada rangkaian, terjadi transisi konstan energi listrik menjadi energi magnet dan sebaliknya, sedangkan energi total tetap konstan.

Terjadinya osilasi bebas pada rangkaian disebabkan oleh fenomena induksi diri.

Konversi AC. Transformator step-up dan step-down, struktur dan prinsip operasinya. Perpindahan energi listrik dalam jarak jauh.

Trafo adalah perangkat listrik yang digunakan untuk mengubah (menambah atau menurunkan) tegangan bolak-balik.

Transformator terdiri dari dua belitan - primer dan sekunder, yang dililitkan pada inti yang sama.

Pengoperasian transformator didasarkan pada fenomena induksi elektromagnetik.

Tegangan bolak-balik yang dikonversi disuplai ke belitan primer. Fluks magnet bolak-balik menginduksi ggl induksi diri pada setiap putaran belitan primer. Jika fluks magnet ini, karena adanya inti, praktis tidak hilang dan menembus belitan sekunder, maka ggl induksi e i = e si muncul di setiap belitan belitan sekunder. Nilai ggl yang timbul pada belitan primer dan sekunder masing-masing sama dengan E 1 =n 1 e si dan E 2 =n 2 e i. Oleh karena itu, perbandingan ggl pada belitan sama dengan perbandingan jumlah lilitan n 1 / n 2.

Perbandingan jumlah lilitan pada belitan primer dengan jumlah lilitan pada belitan sekunder disebut rasio transformasi k. Jika k>1, maka trafo tersebut step-down; jika k<1, то – повышающий.

Mode tanpa beban transformator adalah mode dengan belitan sekunder terbuka. Maka tegangan pada belitan sekunder adalah U 2 = n 2 e i., dan pada belitan primer U 1 = E 1.

Perbandingan tegangan pada belitan primer dan sekunder sama dengan perbandingan jumlah lilitan belitan tersebut U 1 /U 2 =n 1 /n 2.

Mode operasi transformator adalah mode di mana beban dihubungkan ke rangkaian belitan sekundernya. Kemudian belitan U 2 =Ei- I 2 R, dimana I 2 adalah arus yang mengalir pada belitan sekunder.

Efisiensi trafo modern adalah 95-99,5%. Kehilangan energi terjadi karena timbulnya panas pada belitan transformator, disipasi fluks magnet, dan pembalikan magnetisasi inti.

Transformator banyak digunakan ketika mentransmisikan listrik dalam jarak jauh, karena kehilangan panas sebanding dengan kuadrat arus, maka lebih menguntungkan untuk mentransmisikan listrik pada arus rendah.

Trafo step-up dipasang di pembangkit listrik, yang mengurangi arus, dan trafo step-down dipasang di gardu induk, dari mana energi mengalir ke konsumen.

TIKET 18

Teori cahaya elektromagnetik dan kuantum. rumus Planck. Dualitas gelombang-partikel. Energi, momentum, dan massa foton.

Setelah menciptakan teori elektromagnetik, Maxwell menarik perhatian pada fakta bahwa kecepatan rambat cahaya dalam ruang hampa bertepatan dengan kecepatan rambat gelombang elektromagnetik. Dia mengajukan hipotesis tentang sifat elektromagnetik cahaya, yang dikonfirmasi melalui eksperimen. Menurut teori cahaya elektromagnetik, semua radiasi cahaya adalah gelombang elektromagnetik. Frekuensi gelombang cahaya berkisar antara 4 · 10 14 hingga 7,5 · 10 14 Hz.

Teori gelombang menjelaskan dengan baik fenomena yang berhubungan dengan perambatan cahaya. Misalnya interferensi, difraksi, polarisasi, pemantulan, pembiasan. Namun fenomena yang berhubungan dengan interaksi cahaya dengan materi, emisi dan penyerapan cahaya, tidak dapat dijelaskan berdasarkan teori ini.

Max Planck mengemukakan bahwa cahaya dipancarkan bukan dalam bentuk gelombang, melainkan dalam bentuk bagian energi tertentu dan tidak dapat dibagi-bagi, yang disebutnya kuanta. .

Porsi energi terkecil yang dibawa oleh radiasi dengan frekuensi n ditentukan oleh rumus Planck

dimana h=6.63 10 -34 J s adalah konstanta Planck, ħ=1.05 10 -34 J s, n dan w adalah frekuensi dan frekuensi siklik radiasi.

Mengembangkan teori Planck, Einstein mengemukakan bahwa cahaya menyebar dan juga diserap dalam bagian yang terpisah, yaitu. cahaya yang merambat adalah “kumpulan” partikel elementer yang bergerak - foton . Beginilah cara hal itu dibuat teori kuantum cahaya .