Elektriniai ir magnetiniai reiškiniai yra glaudžiai susiję. O jei srovė generuoja magnetizmą, tai turi egzistuoti ir priešingas reiškinys – elektros srovės atsiradimas judant magnetui. Taip samprotavo anglų mokslininkas Michaelas Faradėjus, kuris 1822 m. savo laboratorijos dienoraštyje padarė tokį įrašą: „Paversk magnetizmą elektra“.

Prieš šį įvykį elektromagnetizmo reiškinį atrado danų fizikas Hansas Christianas Oerstedas, atradęs magnetinio lauko atsiradimą aplink srovę nešantį laidininką. Daug metų Faradėjus atliko įvairius eksperimentus, tačiau pirmieji eksperimentai jam neatnešė sėkmės. Pagrindinė priežastis buvo ta, kad mokslininkas nežinojo, kad tik kintamasis magnetinis laukas gali sukurti elektros srovę. Tikrasis rezultatas buvo pasiektas tik 1831 m.

Faradėjaus eksperimentai

Spustelėkite paveikslėlį

1931 m. rugpjūčio 29 d. atliktame eksperimente mokslininkas apvyniojo vielos ritinius aplink priešingas lygintuvo puses. plonas žiedas. Jis prijungė vieną laidą prie galvanometro. Tuo metu, kai antras laidas buvo prijungtas prie akumuliatoriaus, galvanometro adata smarkiai nukrypo ir grįžo į pradinę padėtį. Tas pats vaizdas buvo pastebėtas atidarius kontaktą su akumuliatoriumi. Tai reiškė, kad grandinėje atsirado elektros srovė. Jis atsirado dėl to, kad pirmojo laido posūkių sukurtos magnetinio lauko linijos kirto antrojo laido posūkius ir juose generavo srovę.

Faradėjaus eksperimentas

Po kelių savaičių buvo atliktas eksperimentas su nuolatiniu magnetu. Faradėjus prijungė galvanometrą prie varinės vielos ritės. Tada aštriu judesiu įstūmė į vidų cilindrinį magnetinį strypą. Šiuo metu galvanometro adata taip pat smarkiai siūbavo. Nuėmus strypą nuo ritės, rodyklė taip pat pasisuko, bet priešinga kryptimi. Ir tai atsitiko kiekvieną kartą, kai magnetas buvo stumiamas arba išstumtas iš ritės. Tai yra, srovė atsirado grandinėje, kai joje judėjo magnetas. Taip Faradėjus sugebėjo „magnetizmą paversti elektra“.

Faradėjus laboratorijoje

Srovė ritėje taip pat atsiranda, jei vietoj nuolatinio magneto perkeliate kitą ritę, prijungtą prie srovės šaltinio.

Visais šiais atvejais atsitiko magnetinio srauto, einančio per ritės grandinę, pasikeitimas, dėl kurio uždaroje grandinėje atsirado elektros srovė. Tai reiškinys elektromagnetinė indukcija , o srovė yra indukuota srovė .

Yra žinoma, kad srovė egzistuoja uždaroje grandinėje, jei ją palaiko potencialų skirtumas naudojant elektrovaros jėgą (EMF). Vadinasi, pasikeitus magnetiniam srautui grandinėje, joje atsiranda toks EML. Tai vadinama sukeltas emf .

Faradėjaus dėsnis

Michaelas Faradėjus

Elektromagnetinės indukcijos dydis nepriklauso nuo priežasties, kodėl keičiasi magnetinis srautas – ar keičiasi pats magnetinis laukas, ar jame juda grandinė. Tai priklauso nuo magnetinio srauto, einančio per grandinę, kitimo greičio.

Kur ε – EML, veikiantis išilgai kontūro;

F V – magnetinis srautas.

Ritės EML kintamajame magnetiniame lauke dydžiui įtakos turi apsisukimų skaičius joje ir magnetinio srauto dydis. Faradėjaus įstatymas šiuo atveju atrodo taip:

Kur N – posūkių skaičius;

F V – magnetinis srautas per vieną apsisukimą;

Ψ – srauto jungtis arba bendras magnetinis srautas, susiliejantis su visais ritės posūkiais.

Ψ = N ·F i

F i – srautas, einantis per vieną posūkį.

Net silpnas magnetas gali sukurti didelę indukcijos srovę, jei šio magneto judėjimo greitis yra didelis.

Kadangi indukuota srovė atsiranda laidininkuose, kai keičiasi per juos einantis magnetinis srautas, ji atsiras ir laidininke, kuris juda stacionariame magnetiniame lauke. Indukcijos srovės kryptis šiuo atveju priklauso nuo laidininko judėjimo krypties ir nustatoma pagal dešinės rankos taisyklę: “ Jei dešinės rankos delną pastatysite taip, kad į jį patektų magnetinio lauko linijos, o 90 0 sulenktas nykštys rodytų laidininko judėjimo kryptį, tai ištiesti 4 pirštai parodys indukuojamo judėjimo kryptį. EMF ir srovės kryptis laidininke».

Lenzo taisyklė

Emily Christianovič Lenz

Indukcinės srovės kryptis nustatoma pagal taisyklę, kuri galioja visais atvejais, kai atsiranda tokia srovė. Šią taisyklę suformulavo baltų kilmės rusų fizikas Emily Khristianovič Lenz: " Indukuota srovė, atsirandanti uždaroje grandinėje, turi tokią kryptį, kad jos sukuriamas magnetinis srautas neutralizuoja šios srovės sukeltą magnetinio srauto pokytį.

Pažymėtina, kad tokią išvadą mokslininkas padarė remdamasis eksperimentų rezultatais. Lencas sukūrė įrenginį, susidedantį iš laisvai besisukančios aliuminio plokštės, kurios viename gale buvo pritvirtintas vientisas aliuminio žiedas, o kitame – žiedas su įpjova.

Jei magnetas buvo priartintas prie kieto žiedo, jis buvo atstumtas ir pradėjo „bėgti“.

Spustelėkite paveikslėlį

Magnetui tolstant, žiedas bandė jį pasivyti.

Spustelėkite paveikslėlį

Su nupjautu žiedu nieko panašaus nepastebėta.

Lencas tai paaiškino sakydamas, kad pirmuoju atveju indukuota srovė sukuria magnetinį lauką, kurio indukcijos linijos nukreiptos priešingai išorinio magnetinio lauko indukcijos linijoms. Antruoju atveju indukuotos srovės sukuriamo magnetinio lauko indukcijos linijos sutampa su nuolatinio magneto lauko indukcijos linijomis. Nupjautame žiede nevyksta indukcijos srovė, todėl ji negali sąveikauti su magnetu.

Pagal Lenco taisyklę, padidėjus išoriniam magnetiniam srautui, indukuota srovė turės tokią kryptį, kad jos sukurtas magnetinis laukas neleis tokiam padidėjimui. Jei išorinis magnetinis srautas mažėja, tai indukuotos srovės magnetinis laukas jį palaikys ir neleis jam mažėti.

Elektros srovės generatorius

Kintamosios srovės generatorius

Faradėjaus elektromagnetinės indukcijos atradimas leido šį reiškinį panaudoti praktiškai.

Kas atsitiks, jei suksite ritę su bo daugiau metalinės vielos apsisukimų stacionariame magnetiniame lauke? Magnetinis srautas, einantis per ritės grandinę, nuolat keisis. Ir jame atsiras elektromagnetinės indukcijos EML. Tai reiškia, kad tokia konstrukcija gali generuoti elektros srovę. Šiuo principu paremtas kintamosios srovės generatorių veikimas.

Generatorius susideda iš 2 dalių – rotoriaus ir statoriaus. Rotorius yra judanti dalis. Mažos galios generatoriuose nuolatinis magnetas dažniausiai sukasi. Galingi generatoriai naudoja elektromagnetą, o ne nuolatinį magnetą. Besisukdamas rotorius sukuria kintantį magnetinį srautą, kuris generatoriaus stacionarios dalies – statoriaus – grioveliuose esančiuose apvijos posūkiuose sukuria elektros indukcijos srovę. Rotorių varo variklis. Tai gali būti garo variklis, vandens turbina ir kt.

Transformatorius

Tai bene labiausiai paplitęs elektrotechnikos prietaisas, skirtas elektros srovei ir įtampai konvertuoti. Transformatoriai naudojami radijo inžinerijoje ir elektronikoje. Be jų neįmanoma perduoti elektros energijos dideliais atstumais.

Paprasčiausias transformatorius susideda iš dviejų ritių, turinčių bendrą metalinę šerdį. Kintamoji srovė, tiekiama į vieną iš ritių, sukuria joje kintamąjį magnetinį lauką, kurį sustiprina šerdis. Šio lauko magnetinis srautas, prasiskverbęs į antrosios ritės posūkius, sukuria joje indukcinę elektros srovę. Kadangi sukeltos emf dydis priklauso nuo apsisukimų skaičiaus, keičiant jų santykį ritėse, galima keisti ir srovės didumą. Tai labai svarbu, pavyzdžiui, perduodant elektrą dideliais atstumais. Juk transportuojant dideli nuostoliai atsiranda dėl to, kad laidai įkaista. Sumažinus srovę naudojant transformatorių, šie nuostoliai sumažėja. Tačiau tuo pačiu didėja įtampa. Paskutiniame etape, naudojant žeminamąjį transformatorių, įtampa sumažinama ir srovė padidinama. Žinoma, tokie transformatoriai yra daug sudėtingesni.

Reikia pasakyti, kad Faradėjus nebuvo vienintelis, kuris bandė sukurti indukuotą srovę. Panašius eksperimentus atliko ir garsus amerikiečių fizikas Džozefas Henris. Ir jam pavyko pasiekti sėkmės beveik kartu su Faraday. Tačiau Faradėjus aplenkė jį, paskelbdamas pranešimą apie savo atradimą prieš Henriką.

Prisiminkime keletą paprastų eksperimentų, kuriuose stebimas elektros srovės atsiradimas dėl elektromagnetinės indukcijos.

Vienas iš šių eksperimentų parodytas Fig. 253. Jei ritė, susidedanti iš daugybės vielos apsisukimų, greitai uždedama ant magneto arba nuo jo nutraukiama (253 pav., a), tai joje atsiranda trumpalaikė indukcijos srovė, kurią galima aptikti metimu. galvanometro, prijungto prie ritės galų, adatos. Tas pats atsitinka, jei magnetas greitai įstumiamas į ritę arba ištraukiamas iš jos (253 pav., b). Akivaizdu, kad svarbus tik santykinis ritės ir magnetinio lauko judėjimas. Srovė sustoja, kai šis judėjimas sustoja.

Ryžiai. 253. Ritės ir magneto santykiniam judėjimui ritėje atsiranda indukuota srovė: a) ritė uždedama ant magneto; b) magnetas juda į ritę

Dabar panagrinėkime keletą papildomų eksperimentų, kurie leis mums bendresne forma suformuluoti indukcijos srovės atsiradimo sąlygas.

Pirmoji eksperimentų serija: lauko, kuriame yra indukcijos kilpa (ritė arba rėmas), magnetinės indukcijos keitimas.

Ritė dedama į magnetinį lauką, pavyzdžiui, solenoido viduje (254 pav., a) arba tarp elektromagneto polių (254 pav., b). Sumontuosime ritę taip, kad jos posūkių plokštuma būtų statmena solenoido arba elektromagneto magnetinio lauko linijoms. Lauko magnetinę indukciją pakeisime greitai keisdami srovės stiprumą apvijoje (reostatu) arba tiesiog išjungdami ir įjungdami srovę (raktu). Su kiekvienu magnetinio lauko pasikeitimu galvanometro adata staigiai atsimuša; tai rodo indukcinės elektros srovės atsiradimą ritės grandinėje. Magnetiniam laukui sustiprėjus (ar atsiradus), atsiras vienos krypties srovė, o susilpnėjus (arba išnykus) – priešinga. Dabar atlikime tą patį eksperimentą, sumontuodami ritę taip, kad jos posūkių plokštuma būtų lygiagreti magnetinio lauko linijų krypčiai (255 pav.). Eksperimentas duos neigiamą rezultatą: kad ir kaip keistume lauko magnetinę indukciją, indukcijos srovės ritės grandinėje neaptiksime.

Ryžiai. 254. Ritėje atsiranda indukuota srovė, kai keičiasi magnetinė indukcija, jei jos posūkių plokštuma yra statmena magnetinio lauko linijoms: a) ritė solenoido lauke; b) ritė elektromagneto lauke. Magnetinė indukcija pasikeičia, kai jungiklis uždaromas ir atidaromas arba keičiasi srovės stiprumas grandinėje

Ryžiai. 255. Indukcijos srovė neatsiranda, jei ritės posūkių plokštuma lygiagreti magnetinio lauko linijoms

Antroji eksperimentų serija: ritės, esančios pastoviame magnetiniame lauke, padėties keitimas.

Įstatykime ritę į solenoido vidų, kur magnetinis laukas vienodas, ir greitai pasukime tam tikru kampu aplink lauko krypčiai statmeną ašį (256 pav.). Esant tokiam sukimui, galvanometras, prijungtas prie ritės, nustato indukuotą srovę, kurios kryptis priklauso nuo pradinės ritės padėties ir sukimosi krypties. Ritei visiškai pasisukus 360°, indukcinės srovės kryptis pasikeičia du kartus: kiekvieną kartą, kai ritė praeina tokią padėtį, kurioje jos plokštuma yra statmena magnetinio lauko krypčiai. Žinoma, jei ritę suksite labai greitai, indukuojama srovė taip dažnai keis savo kryptį, kad įprasto galvanometro adata nespės sekti šių pokyčių ir prireiks kitokio, „paklusnesnio“ prietaiso.

Ryžiai. 256. Ritei sukantis magnetiniame lauke, joje atsiranda indukuota srovė

Tačiau jei ritė judinama taip, kad ji nesisuka lauko krypties atžvilgiu, o tik juda lygiagrečiai sau bet kuria kryptimi palei lauką, skersai jį arba bet kokiu kampu lauko kryptimi, tada indukuotos srovės neatsiras. Dar kartą pabrėžkime: ritės judėjimo eksperimentas atliekamas vienodame lauke (pavyzdžiui, ilgojo solenoido viduje arba Žemės magnetiniame lauke). Jei laukas yra netolygus (pavyzdžiui, šalia magneto ar elektromagneto poliaus), tada bet kokį ritės judėjimą gali lydėti indukcijos srovė, išskyrus vieną atvejį: indukcijos srovė neveikia atsiranda, jei ritė juda taip, kad jos plokštuma visą laiką liktų lygiagreti lauko krypčiai (t. y. per ritę nepraeina magnetinio lauko linijos).

Trečioji eksperimentų serija: grandinės, esančios pastoviame magnetiniame lauke, ploto keitimas.

Panašų eksperimentą galima atlikti pagal šią schemą (257 pav.). Magnetiniame lauke, pavyzdžiui, tarp didelio elektromagneto polių dedame grandinę iš lanksčios vielos. Tegul kontūras iš pradžių turi apskritimo formą (257a pav.). Greitu rankos judesiu galite suveržti kontūrą į siaurą kilpą ir taip žymiai sumažinti jos dengiamą plotą (257 pav., b). Galvanometras parodys indukcinės srovės atsiradimą.

Ryžiai. 257. Ritėje atsiranda indukuota srovė, jei kinta jos grandinės, esančios pastoviame magnetiniame lauke ir esančios statmenai magnetinio lauko linijoms, plotas (magnetinis laukas nukreiptas nuo stebėtojo)

Dar patogiau atlikti eksperimentą keičiant kontūro plotą pagal schemą, parodytą pav. 258. Magnetiniame lauke yra grandinė, kurios viena iš kraštinių (258 pav.) yra judama. Kiekvieną kartą, kai jis juda, galvanometras nustato indukcijos srovės atsiradimą grandinėje. Be to, judant į kairę (didėjantis plotas), indukcijos srovė turi vieną kryptį, o judant į dešinę (mažėjanti sritis) - priešinga kryptimi. Tačiau net ir šiuo atveju keičiant grandinės plotą nesukeliama indukuota srovė, jei grandinės plokštuma lygiagreti magnetinio lauko krypčiai.

Ryžiai. 258. Kai strypas juda ir dėl to keičiasi magnetiniame lauke esančios grandinės plotas, grandinėje atsiranda srovė.

Palyginus visus aprašytus eksperimentus, galime suformuluoti indukuotos srovės atsiradimo sąlygas bendra forma. Visais nagrinėjamais atvejais turėjome grandinę, įdėtą į magnetinį lauką, o grandinės plokštuma galėjo sudaryti vienokį ar kitokį kampą su magnetinės indukcijos kryptimi. Kontūro ribojamą plotą pažymėkime , lauko magnetinę indukciją – , o kampą tarp magnetinės indukcijos krypties ir kontūro plokštumos – . Šiuo atveju magnetinės indukcijos dedamoji, statmena grandinės plokštumai, bus vienodo dydžio (259 pav.)

Ryžiai. 259. Magnetinės indukcijos skaidymas į dedamąją, statmeną indukcijos kilpos plokštumai, ir dedamąją, lygiagrečią šiai plokštumai

Gaminį vadinsime magnetinės indukcijos srautu arba, trumpai tariant, magnetiniu srautu per grandinę; Šį kiekį pažymėsime raide . Taigi,

. (138.1) per šį kontūrą lieka nepakitęs. Taigi:

Kai pasikeičia magnetinis srautas laidžioje grandinėje, šioje grandinėje atsiranda elektros srovė.

Tai vienas svarbiausių gamtos dėsnių – elektromagnetinės indukcijos dėsnis, kurį Faradėjus atrado 1831 m.

138.1. I ir II ritės yra viena kitos viduje (260 pav.). Pirmoje grandinėje yra baterija, antroje grandinėje yra galvanometras. Jei geležinis strypas įstumiamas į pirmąją ritę arba iš jos išeina, galvanometras aptiks indukcinės srovės atsiradimą antroje ritėje. Paaiškinkite šią patirtį.

Ryžiai. 260. Pratimui 138.1

138.2. Vielos rėmas sukasi vienodame magnetiniame lauke aplink ašį, lygiagrečią magnetinei indukcijai. Ar jame atsiras indukuota srovė?

138.3. Ar e. d.s. indukcija plieninės automobilio ašies galuose jam judant? Kokia kryptimi juda automobilis? d.s. didžiausias ir kuriame taške yra mažiausias? Ar tai priklauso? d.s. indukcija nuo automobilio greičio?

138.4. Automobilio važiuoklė kartu su dviem ašimis sudaro uždarą laidžią grandinę. Ar automobiliui judant jame sukeliama srovė? Kaip šios problemos atsakymą galima suderinti su 138.3 uždavinio rezultatais?

138.5. Kodėl žaibo smūgiai kartais apgadindavo jautrius elektros matavimo prietaisus, esančius kelis metrus nuo smūgio taško, ir kodėl apšvietimo tinkle ištirpdavo saugikliai?

Prisiminkime keletą paprastų eksperimentų, kuriuose stebimas elektros srovės atsiradimas dėl elektromagnetinės indukcijos.

Vienas iš šių eksperimentų parodytas Fig. 253. Jei ritė, susidedanti iš daugybės vielos apsisukimų, greitai uždedama ant magneto arba nuo jo nutraukiama (253 pav., a), tai joje atsiranda trumpalaikė indukcijos srovė, kurią galima aptikti metimu. galvanometro, prijungto prie ritės galų, adatos. Tas pats atsitinka, jei magnetas greitai įstumiamas į ritę arba ištraukiamas iš jos (253 pav., b). Akivaizdu, kad svarbus tik santykinis ritės ir magnetinio lauko judėjimas. Srovė sustoja, kai šis judėjimas sustoja.

Ryžiai. 253. Ritės ir magneto santykiniam judėjimui ritėje atsiranda indukuota srovė: a) ritė uždedama ant magneto; b) magnetas juda į ritę

Dabar panagrinėkime keletą papildomų eksperimentų, kurie leis mums bendresne forma suformuluoti indukcijos srovės atsiradimo sąlygas.

Pirmoji eksperimentų serija: lauko, kuriame yra indukcijos kilpa (ritė arba rėmas), magnetinės indukcijos keitimas.

Ritė dedama į magnetinį lauką, pavyzdžiui, solenoido viduje (254 pav., a) arba tarp elektromagneto polių (254 pav., b). Sumontuosime ritę taip, kad jos posūkių plokštuma būtų statmena solenoido arba elektromagneto magnetinio lauko linijoms. Lauko magnetinę indukciją pakeisime greitai keisdami srovės stiprumą apvijoje (reostatu) arba tiesiog išjungdami ir įjungdami srovę (raktu). Su kiekvienu magnetinio lauko pasikeitimu galvanometro adata staigiai atsimuša; tai rodo indukcinės elektros srovės atsiradimą ritės grandinėje. Magnetiniam laukui sustiprėjus (ar atsiradus), atsiras vienos krypties srovė, o susilpnėjus (arba išnykus) – priešinga. Dabar atlikime tą patį eksperimentą, sumontuodami ritę taip, kad jos posūkių plokštuma būtų lygiagreti magnetinio lauko linijų krypčiai (255 pav.). Eksperimentas duos neigiamą rezultatą: kad ir kaip keistume lauko magnetinę indukciją, indukcijos srovės ritės grandinėje neaptiksime.

Ryžiai. 254. Ritėje atsiranda indukuota srovė, kai keičiasi magnetinė indukcija, jei jos posūkių plokštuma yra statmena magnetinio lauko linijoms: a) ritė solenoido lauke; b) ritė elektromagneto lauke. Magnetinė indukcija pasikeičia, kai jungiklis uždaromas ir atidaromas arba keičiasi srovės stiprumas grandinėje

Ryžiai. 255. Indukcinė srovė neatsiranda, jei ritės posūkių plokštuma lygiagreti magnetinio lauko linijoms

Antroji eksperimentų serija: ritės, esančios pastoviame magnetiniame lauke, padėties keitimas.

Įstatykime ritę į solenoido vidų, kur magnetinis laukas vienodas, ir greitai pasukime tam tikru kampu aplink lauko krypčiai statmeną ašį (256 pav.). Esant tokiam sukimui, galvanometras, prijungtas prie ritės, nustato indukuotą srovę, kurios kryptis priklauso nuo pradinės ritės padėties ir sukimosi krypties. Ritei visiškai pasisukus 360°, indukcinės srovės kryptis pasikeičia du kartus: kiekvieną kartą, kai ritė praeina tokią padėtį, kurioje jos plokštuma yra statmena magnetinio lauko krypčiai. Žinoma, jei ritę suksite labai greitai, indukuojama srovė taip dažnai keis savo kryptį, kad įprasto galvanometro adata nespės sekti šių pokyčių ir prireiks kitokio, „paklusnesnio“ prietaiso.

Ryžiai. 256. Ritei sukantis magnetiniame lauke, joje atsiranda indukuota srovė

Tačiau jei ritė judinama taip, kad ji nesisuka lauko krypties atžvilgiu, o tik juda lygiagrečiai sau bet kuria kryptimi palei lauką, skersai jį arba bet kokiu kampu lauko kryptimi, tada indukuotos srovės neatsiras. Dar kartą pabrėžkime: ritės judėjimo eksperimentas atliekamas vienodame lauke (pavyzdžiui, ilgojo solenoido viduje arba Žemės magnetiniame lauke). Jei laukas yra netolygus (pavyzdžiui, šalia magneto ar elektromagneto poliaus), tada bet kokį ritės judėjimą gali lydėti indukcijos srovė, išskyrus vieną atvejį: indukcijos srovė neveikia atsiranda, jei ritė juda taip, kad jos plokštuma visą laiką liktų lygiagreti lauko krypčiai (t. y. per ritę nepraeina magnetinio lauko linijos).

Trečioji eksperimentų serija: grandinės, esančios pastoviame magnetiniame lauke, ploto keitimas.

Panašų eksperimentą galima atlikti pagal šią schemą (257 pav.). Magnetiniame lauke, pavyzdžiui, tarp didelio elektromagneto polių dedame grandinę iš lanksčios vielos. Tegul kontūras iš pradžių būna apskritimo formos (257 pav., a). Greitu rankos judesiu galite suveržti kontūrą į siaurą kilpą ir taip žymiai sumažinti jos dengiamą plotą (257 pav., b). Galvanometras parodys indukcinės srovės atsiradimą.

Ryžiai. 257. Ritėje atsiranda indukuota srovė, jei kinta jos grandinės, esančios pastoviame magnetiniame lauke ir esančios statmenai magnetinio lauko linijoms, plotas (magnetinis laukas nukreiptas nuo stebėtojo)

Dar patogiau atlikti eksperimentą keičiant kontūro plotą pagal schemą, parodytą pav. 258. Magnetiniame lauke yra grandinė, kurios viena iš kraštinių (258 pav.) yra judama. Kiekvieną kartą, kai jis juda, galvanometras nustato indukcijos srovės atsiradimą grandinėje. Be to, judant į kairę (didėjantis plotas), indukcijos srovė turi vieną kryptį, o judant į dešinę (mažėjanti sritis) - priešinga kryptimi. Tačiau net ir šiuo atveju keičiant grandinės plotą nesukeliama indukuota srovė, jei grandinės plokštuma lygiagreti magnetinio lauko krypčiai.

Ryžiai. 258. Kai strypas juda ir dėl to keičiasi magnetiniame lauke esančios grandinės plotas, grandinėje atsiranda srovė.

Palyginus visus aprašytus eksperimentus, galime suformuluoti indukuotos srovės atsiradimo sąlygas bendra forma. Visais nagrinėjamais atvejais turėjome grandinę, įdėtą į magnetinį lauką, o grandinės plokštuma galėjo sudaryti vienokį ar kitokį kampą su magnetinės indukcijos kryptimi. Kontūro ribojamą plotą pažymėkime , lauko magnetinę indukciją – , o kampą tarp magnetinės indukcijos krypties ir kontūro plokštumos – . Šiuo atveju magnetinės indukcijos dedamoji, statmena grandinės plokštumai, bus vienodo dydžio (259 pav.)

Ryžiai. 259. Magnetinės indukcijos skaidymas į dedamąją, statmeną indukcijos kilpos plokštumai, ir dedamąją, lygiagrečią šiai plokštumai

Gaminį vadinsime magnetinės indukcijos srautu arba, trumpai tariant, magnetiniu srautu per grandinę; Šį kiekį pažymėsime raide . Taigi,

. (138.1)

Visais nagrinėtais atvejais be išimties vienaip ar kitaip keitėme magnetinį srautą. Kai kuriais atvejais tai darydavome keisdami magnetinę indukciją (254 pav.); kitais atvejais kampas pakito (256 pav.); trečia, plotas (257 pav.). Bendru atveju, žinoma, galima vienu metu keisti visus šiuos dydžius, kurie lemia magnetinį srautą grandinėje. Kruopštus įvairių indukcijos eksperimentų tyrimas rodo, kad indukuota srovė atsiranda tada ir tik tada, kai keičiasi magnetinis srautas; indukuota srovė niekada nevyksta, jei magnetinis srautas per tam tikrą grandinę išlieka nepakitęs. Taigi:

Kai pasikeičia magnetinis srautas laidžioje grandinėje, šioje grandinėje atsiranda elektros srovė.

Tai vienas svarbiausių gamtos dėsnių – elektromagnetinės indukcijos dėsnis, kurį Faradėjus atrado 1831 m.

138.1. I ir II ritės yra viena kitos viduje (260 pav.). Pirmoje grandinėje yra baterija, antroje grandinėje yra galvanometras. Jei geležinis strypas įstumiamas į pirmąją ritę arba iš jos išeina, galvanometras aptiks indukcinės srovės atsiradimą antroje ritėje. Paaiškinkite šią patirtį.

Ryžiai. 260. Pratimui 138.1

138.2. Vielos rėmas sukasi vienodame magnetiniame lauke aplink ašį, lygiagrečią magnetinei indukcijai. Ar jame atsiras indukuota srovė?

138.3. Ar e. d.s. indukcija plieninės automobilio ašies galuose jam judant? Kokia kryptimi juda automobilis? d.s. didžiausias ir kuriame taške yra mažiausias? Ar tai priklauso? d.s. indukcija nuo automobilio greičio?

138.4. Automobilio važiuoklė kartu su dviem ašimis sudaro uždarą laidžią grandinę. Ar automobiliui judant jame sukeliama srovė? Kaip šios problemos atsakymą galima suderinti su 138.3 uždavinio rezultatais?

138.5. Kodėl žaibo smūgiai kartais apgadindavo jautrius elektros matavimo prietaisus, esančius kelis metrus nuo smūgio taško, ir kodėl apšvietimo tinkle ištirpdavo saugikliai?

11 tema. ELEKTROMAGNETINĖS INDUKCIJOS REIKŠINIS.

11.1. Faradėjaus eksperimentai. Indukcinė srovė. Lenzo taisyklė. 11.2. Sukeltos emf dydis.

11.3. Sukeltos emf pobūdis.

11.4. Sūkurinio elektrinio lauko stiprumo vektoriaus cirkuliacija.

11.5. Betatronas.

11.6. Toki Fuko.

11.7. Odos poveikis.

11.1. Faradėjaus eksperimentai. Indukcinė srovė. Lenzo taisyklė.

SU Nuo tada, kai buvo atrastas ryšys tarp magnetinio lauko ir srovės (tai patvirtina gamtos dėsnių simetriją), buvo daug bandymų pasiekti srovė naudojant magnetinį lauką. Problemą išsprendė Michaelas Faradėjus 1831 m. (Amerikietis Josephas Henry taip pat atrado, bet neturėjo laiko paskelbti savo rezultatų. Ampere'as taip pat tvirtino atradimą, tačiau negalėjo pateikti savo rezultatų).

Michaelas Faradėjus (1791–1867) – garsus anglų fizikas. Moksliniai tyrimai elektros, magnetizmo, magnetooptikos, elektrochemijos srityse. Sukūrė laboratorinį elektros variklio modelį. Atradau papildomas sroves uždarant ir atidarant grandinę ir nustačiau jų kryptį. Jis atrado elektrolizės dėsnius, pirmasis pristatė lauko ir dielektrinės konstantos sąvokas, o 1845 m. pavartojo terminą „magnetinis laukas“.

Be kita ko, M. Faradėjus atrado dia ir paramagnetizmo reiškinius. Jis nustatė, kad visos medžiagos magnetiniame lauke elgiasi skirtingai: jos yra orientuotos išilgai lauko (garai ir feromagnetai) arba skersai.

laukai yra diamagnetiniai.

Faradėjaus eksperimentai gerai žinomi iš mokyklos fizikos kurso: ritė ir nuolatinis magnetas (11.1 pav.)

Ryžiai. 11.1 pav. 11.2

Jei priartinsite magnetą prie ritės arba atvirkščiai, ritėje atsiras elektros srovė. Tas pats su dviem glaudžiai išdėstytomis ritėmis: jei kintamosios srovės šaltinis yra prijungtas prie vienos iš ritių, tada kintamoji srovė atsiras ir kitoje

(11.2 pav.), tačiau šis efektas geriausiai pasireiškia, jei du ritės yra sujungtos su šerdimi (11.3 pav.).

Pagal Faradėjaus apibrėžimą, šie eksperimentai turi bendro: jei srautas

Kai keičiasi indukcijos vektorius, prasiskverbiantis į uždarą laidžiąją grandinę, grandinėje atsiranda elektros srovė.

Šis reiškinys vadinamas elektromagnetinės indukcijos reiškinys, o srovė yra indukcija . Be to, reiškinys visiškai nepriklauso nuo magnetinės indukcijos vektoriaus srauto keitimo metodo.

Taigi, pasirodo, kad judantys krūviai (srovė) sukuria magnetinį lauką, o judantis magnetinis laukas sukuria (sūkurinį) elektrinį lauką ir, tiesą sakant, indukuotą srovę.

Kiekvienu konkrečiu atveju Faradėjus nurodė indukcijos srovės kryptį. 1833 m. Lencas įsteigė generolą srovės krypties nustatymo taisyklė:

indukuota srovė visada nukreipta taip, kad šios srovės magnetinis laukas neleistų keistis magnetinio srauto, sukeliančio indukuotą srovę. Šis teiginys vadinamas Lenco taisykle.

Visą erdvę užpildžius homogeniniu magnetu, indukcija padidėja µ kartų, jei kiti dalykai yra vienodi. Šis faktas tai patvirtina

indukuotą srovę sukelia magnetinės indukcijos vektoriaus B srauto pokytis, o ne intensyvumo vektoriaus H srautas.

11.2. Sukeltos emf dydis.

Norint sukurti srovę grandinėje, turi būti elektrovaros jėga. Todėl elektromagnetinės indukcijos reiškinys rodo, kad grandinėje pasikeitus magnetiniam srautui, atsiranda indukcijos elektrovaros jėga E i. Mūsų

užduotį, naudodami energijos tvermės dėsnius, raskite reikšmę E i ir ją išsiaiškinkite

Panagrinėkime judančios grandinės 1 - 2 dalies judėjimą su srove magnetiniame lauke

B (11.4 pav.).

Pirmiausia tegul nėra magnetinio lauko B. Sukuriama baterija, kurios emf lygi E 0

srovė I 0 . Per laiką dt baterija veikia

dA = E I0 dt(11.2.1)

– šis darbas pavirs šiluma, kurią galima rasti pagal Džaulio-Lenco dėsnį:

Q = dA = E 0 I0 dt = I0 2 Rdt,

čia I 0 = E R 0, R yra visos grandinės bendra varža.

Pastatykime grandinę į vienodą magnetinį lauką su indukcija B. LinijosB ||n ir yra susietos su srovės kryptimi pagal gimlet taisyklę. Su grandine susietas FluxF yra teigiamas.r

Kiekvienas kontūro elementas patiria mechaninę jėgą d F . Judančioji rėmo pusė patirs jėgą F 0 . Veikiant šiai jėgai, 1–2 skyrius

judės greičiu υ = dx dt. Tokiu atveju pasikeis ir magnetinis srautas.

indukcija.

Tada dėl elektromagnetinės indukcijos srovė grandinėje pasikeis ir taps

gautas). Ši jėga sukurs darbą dA per laiką dt: dA = Fdx = IdФ.

Kaip ir tuo atveju, kai visi rėmo elementai yra nejudantys, darbo šaltinis yra E 0 .

Naudojant stacionarią grandinę, šis darbas buvo sumažintas tik iki šilumos išsiskyrimo. Mūsų atveju taip pat bus išleista šiluma, bet kitokiu kiekiu, nes pasikeitė srovė. Be to, atliekami mechaniniai darbai. Visas darbas, atliktas per laiką dt, yra lygus:

Turime teisę gautą išraišką laikyti Omo dėsniu grandinei, kurioje, be šaltinio E 0, veikia E i, kuris yra lygus:

indukcija, einanti per šią grandinę.

Ši grandinės indukuoto emf išraiška yra visiškai universali, nepriklausoma nuo magnetinės indukcijos srauto keitimo metodo ir vadinama

Faradėjaus dėsnis.

Pasirašykite (-) – matematinė išraiška Lenco taisyklės dėl indukcijos srovės krypties: indukuota srovė visada nukreipta taip, kad jos laukas

neutralizuoti pradinio magnetinio lauko pokytį.

Indukcijos srovės kryptis ir kryptis d dt Ф yra susijusios gimlet taisyklė(11.5 pav.).

Indukuotos emf matmenys: [ E i ] =[ Ф ] =B c =B .t c

Jei grandinė susideda iš kelių posūkių, turime naudoti koncepciją

srauto jungtis (bendras magnetinis srautas):

Ψ = Ф·N,

kur N yra apsisukimų skaičius. Taigi, jei

11.3. Sukeltos emf pobūdis.

Atsakykime į klausimą: kokia yra krūvių judėjimo priežastis, indukcinės srovės atsiradimo priežastis? Apsvarstykite 11.6 pav.

1) Jei perkeliate laidininką vienodame magnetiniame lauke B, tada, veikiant Lorenco jėgai, elektronai bus nukreipti žemyn, o teigiami krūviai - aukštyn - atsiranda potencialų skirtumas. Tai bus E i pusės jėga, veikiama

kuria srovė teka. Kaip žinome, už teigiamus krūvius

Fl = q +; elektronams F l = –e - .

2) Jei laidininkas stovi ir magnetinis laukas kinta, kokia jėga šiuo atveju sužadina indukuotą srovę? Paimkime įprastą transformatorių (11.7 pav.).

Kai tik uždarome pirminės apvijos grandinę, antrinėje apvijoje iš karto atsiranda srovė. Bet Lorenco jėga su tuo neturi nieko bendra, nes ji veikia judančius krūvius, o pradžioje jie buvo ramybės būsenoje (jie buvo šiluminiame judėjime – chaotiškai, bet čia reikia nukreipto judėjimo).

Atsakymą pateikė J. Maxwell 1860 m. Bet koks kintamasis magnetinis laukas sužadina elektrinį lauką (E") supančioje erdvėje. Tai yra indukcinės srovės atsiradimo laidininke priežastis. Tai yra, E" atsiranda tik esant kintamam magnetiniam laukui (transformatorius neveikia nuolatine srove).

Elektromagnetinės indukcijos reiškinio esmė visai neatrodo indukcinė srovė (srovė atsiranda, kai yra įkrovimų ir grandinė uždaryta), o atsiradus sūkuriniam elektriniam laukui (ne tik laidininke, bet ir supančioje erdvėje, vakuume).

Šis laukas turi visiškai kitokią struktūrą nei laukas, kurį sukuria krūviai. Kadangi jis nėra sukurtas dėl krūvių, jėgos linijos negali prasidėti ir baigtis nuo krūvių, kaip tai darėme elektrostatikos srityje. Šis laukas yra sūkurys, jo jėgos linijos uždaros.

Kadangi šis laukas judina krūvius, jis turi jėgą. Supažindinkime

sūkurio elektrinio lauko stiprumo vektorius E". Jėga, kuria šis laukas veikia krūvį

F "= q E".

Bet kai krūvis juda magnetiniame lauke, jį veikia Lorenco jėga

INDUKCINĖ SROVĖ – elektros srovė, atsirandanti, kai uždaroje laidžioje grandinėje keičiasi magnetinės indukcijos srautas. Šis reiškinys vadinamas elektromagnetine indukcija. Ar norite sužinoti, kuria kryptimi yra indukcijos srovė? Rosinductor yra prekybos informacijos portalas, kuriame rasite informacijos apie dabartinę.

Taisyklė, nustatanti indukcinės srovės kryptį, yra tokia: „Indukcijos srovė nukreipta taip, kad jos magnetiniu lauku neutralizuotų jį sukeliantį magnetinio srauto pokytį“. Dešinė ranka pasukta delnu link magnetinių jėgos linijų, nykščiu nukreipta į laidininko judėjimą, o keturi pirštai rodo, kuria kryptimi tekės indukuota srovė. Judindami laidininką kartu su laidininku judame ir visus jame esančius elektronus, o judinant elektros krūvius magnetiniame lauke juos veiks jėga pagal kairės rankos taisyklę.

Indukcinės srovės kryptis, taip pat jos dydis, nustatomas pagal Lenco taisyklę, kuri teigia, kad indukcijos srovės kryptis visada susilpnina faktoriaus, kuris sužadino srovę, poveikį. Pasikeitus magnetinio lauko srautui grandinėje, indukuotos srovės kryptis bus tokia, kad kompensuotų šiuos pokyčius. Kai magnetinis laukas sužadina srovę grandinėje kitoje grandinėje, indukcijos srovės kryptis priklauso nuo pokyčių pobūdžio: kai išorinė srovė didėja, indukcijos srovė turi priešingą kryptį, kai ji mažėja nukreiptas ta pačia kryptimi ir linkęs didinti srautą.

Indukcinės srovės ritė turi du polius (šiaurės ir pietų), kurie nustatomi priklausomai nuo srovės krypties: indukcijos linijos išeina iš šiaurinio poliaus. Magnetui priartėjus prie ritės, atsiranda srovė tokia kryptimi, kuri atstumia magnetą. Nuėmus magnetą, srovė ritėje turi tokią kryptį, kuri skatina magneto pritraukimą.

Indukcinė srovė atsiranda uždaroje grandinėje, esančioje kintamajame magnetiniame lauke. Grandinė gali būti stacionari (įdėta į kintantį magnetinės indukcijos srautą) arba judanti (grandinės judėjimas sukelia magnetinio srauto pasikeitimą). Indukcinės srovės atsiradimas sukelia sūkurinį elektrinį lauką, kuris sužadinamas veikiant magnetiniam laukui.

Iš mokyklos fizikos kurso galite išmokti sukurti trumpalaikę indukuotą srovę.

Yra keli būdai tai padaryti:

• - nuolatinio magneto arba elektromagneto judėjimas ritės atžvilgiu,
• - šerdies judėjimas į ritę įdėto elektromagneto atžvilgiu,
• - grandinės uždarymas ir atidarymas,
• - srovės reguliavimas grandinėje.

Pagrindinis elektrodinamikos dėsnis (Faradėjaus dėsnis) teigia, kad bet kurios grandinės indukuotos srovės stipris yra lygus grandine einančio magnetinio srauto kitimo greičiui, paimtam su minuso ženklu. Indukcinės srovės stiprumas vadinamas elektrovaros jėga.