Električni in magnetni pojavi so tesno povezani. In če tok ustvarja magnetizem, potem mora obstajati tudi nasprotni pojav - pojav električnega toka, ko se magnet premika. Tako razmišlja angleški znanstvenik Michael Faraday, ki je leta 1822 v svoj laboratorijski dnevnik zapisal: »Pretvori magnetizem v elektriko.«

Pred tem dogodkom je danski fizik Hans Christian Oersted odkril pojav elektromagnetizma, ki je odkril nastanek magnetnega polja okoli prevodnika, po katerem teče tok. Dolga leta je Faraday izvajal različne poskuse, vendar mu prvi poskusi niso prinesli uspeha. Glavni razlog je bil v tem, da znanstvenik ni vedel, da lahko samo izmenično magnetno polje ustvari električni tok. Pravi rezultat je bil dosežen šele leta 1831.

Faradayevi poskusi

Kliknite na sliko

V poskusu, opravljenem 29. avgusta 1931, je znanstvenik okrog nasprotnih strani železa ovil kolute žice. tanek obroč. Eno žico je povezal z galvanometrom. V trenutku, ko je bila druga žica priključena na baterijo, je igla galvanometra močno odstopala in se vrnila v prvotni položaj. Enako sliko smo opazili, ko smo odprli kontakt z baterijo. To je pomenilo, da se je v tokokrogu pojavil električni tok. Nastala je kot posledica dejstva, da so magnetne silnice, ki jih ustvarjajo zavoji prve žice, prečkale zavoje druge žice in v njih ustvarile tok.

Faradayev poskus

Nekaj ​​tednov pozneje je bil izveden poskus s trajnim magnetom. Faraday je povezal galvanometer s tuljavo iz bakrene žice. Nato je z ostrim gibom v notranjost potisnil valjasto magnetno palico. V tem trenutku je močno zanihala tudi igla galvanometra. Ko smo palico odstranili iz tuljave, je tudi puščica zanihala, vendar v nasprotno smer. In to se je zgodilo vsakič, ko je bil magnet potisnjen ali potisnjen iz tuljave. To pomeni, da se je v tokokrogu pojavil tok, ko se je magnet v njem premaknil. Tako je Faradayu uspelo »pretvoriti magnetizem v elektriko«.

Faraday v laboratoriju

Tok v tuljavi se pojavi tudi, če namesto trajnega magneta v njej premaknete drugo tuljavo, ki je priključena na vir toka.

V vseh teh primerih zgodilo sprememba magnetnega toka, ki poteka skozi vezje tuljave, kar je povzročilo pojav električnega toka v zaprtem krogu. To je fenomen elektromagnetna indukcija , trenutni pa je inducirani tok .

Znano je, da v sklenjenem tokokrogu obstaja tok, če ga vzdržuje potencialna razlika z uporabo elektromotorne sile (EMS). Posledično, ko se spremeni magnetni tok v tokokrogu, se v njem pojavi tak EMF. Se imenuje inducirana emf .

Faradayev zakon

Michael Faraday

Velikost elektromagnetne indukcije ni odvisna od razloga, zakaj se magnetni tok spremeni - ali se spremeni samo magnetno polje ali se vezje v njem premika. Odvisno je od hitrosti spreminjanja magnetnega toka, ki prehaja skozi vezje.

Kje ε – EMF, ki deluje vzdolž konture;

F V – magnetni tok.

Na velikost EMF tuljave v izmeničnem magnetnem polju vplivata število ovojev v njej in velikost magnetnega pretoka. Faradayev zakon v tem primeru izgleda takole:

Kje n – število obratov;

F V – magnetni pretok skozi en obrat;

Ψ – pretočna povezava ali skupni magnetni pretok, ki je povezan z vsemi obrati tuljave.

Ψ = n F jaz

F jaz – pretok skozi en zavoj.

Tudi šibek magnet lahko ustvari velik indukcijski tok, če je hitrost gibanja tega magneta velika.

Ker se inducirani tok pojavi v prevodnikih, ko se spremeni magnetni tok, ki poteka skozi njih, se bo pojavil tudi v prevodniku, ki se giblje v mirujočem magnetnem polju. Smer indukcijskega toka je v tem primeru odvisna od smeri gibanja prevodnika in je določena z desnim pravilom: " Če postavite dlan desne roke tako, da vanj vstopijo črte magnetnega polja, palec, upognjen za 90 0, pa bi kazal smer gibanja prevodnika, bodo iztegnjeni 4 prsti kazali smer induciranega EMF in smer toka v prevodniku».

Lenzovo pravilo

Emily Christianovich Lenz

Smer indukcijskega toka je določena s pravilom, ki velja v vseh primerih, ko se tak tok pojavi. To pravilo je oblikoval ruski fizik baltskega porekla Emily Khristianovich Lenz: " Inducirani tok, ki nastane v zaprtem tokokrogu, ima takšno smer, da magnetni tok, ki ga ustvari, nasprotuje spremembi magnetnega toka, ki jo je povzročil ta tok.

Treba je opozoriti, da je ta zaključek naredil znanstvenik na podlagi rezultatov poskusov. Lenz je ustvaril napravo, sestavljeno iz prosto vrtljive aluminijaste plošče, na enem koncu katere je bil pritrjen trden obroč iz aluminija, na drugem pa obroč z zarezo.

Če smo magnet približali trdnemu obroču, se je odbil in začel »bežati«.

Kliknite na sliko

Ko se je magnet oddaljeval, ga je prstan poskušal dohiteti.

Kliknite na sliko

Česa takega pri odrezanem prstanu ni bilo opaziti.

Lenz je to pojasnil s tem, da v prvem primeru inducirani tok ustvarja magnetno polje, katerega indukcijske črte so usmerjene nasproti indukcijskim črtam zunanjega magnetnega polja. V drugem primeru indukcijske črte magnetnega polja, ki jih ustvarja inducirani tok, sovpadajo v smeri z indukcijskimi črtami polja trajnega magneta. V razrezanem obroču ne pride do indukcijskega toka, zato ne more delovati z magnetom.

Po Lenzovem pravilu, ko se zunanji magnetni pretok poveča, bo imel inducirani tok takšno smer, da bo magnetno polje, ki ga ustvari, preprečilo takšno povečanje. Če se zunanji magnetni tok zmanjša, ga bo magnetno polje indukcijskega toka podpiralo in preprečilo, da bi se zmanjšal.

Generator električnega toka

Alternator

Faradayjevo odkritje elektromagnetne indukcije je omogočilo uporabo tega pojava v praksi.

Kaj se zgodi, če vrtite tuljavo z bo več ovojev kovinske žice v stacionarnem magnetnem polju? Magnetni tok, ki poteka skozi tokokrog tuljave, se bo nenehno spreminjal. In v njem se bo pojavil EMF elektromagnetne indukcije. To pomeni, da lahko takšna zasnova ustvarja električni tok. Na tem principu temelji delovanje generatorjev izmeničnega toka.

Generator je sestavljen iz dveh delov - rotorja in statorja. Rotor je gibljivi del. V generatorjih nizke moči se trajni magnet najpogosteje vrti. Zmogljivi generatorji namesto trajnega magneta uporabljajo elektromagnet. Rotor, ki se vrti, ustvarja spreminjajoči se magnetni tok, ki ustvarja električni indukcijski tok v zavojih navitja, ki se nahaja v utorih mirujočega dela generatorja - statorja. Rotor poganja motor. To je lahko parni stroj, vodna turbina itd.

Transformator

To je morda najpogostejša naprava v elektrotehniki, namenjena pretvorbi električnega toka in napetosti. Transformatorji se uporabljajo v radijski tehniki in elektroniki. Brez njih je prenos električne energije na velike razdalje nemogoč.

Najenostavnejši transformator je sestavljen iz dveh tuljav s skupnim kovinskim jedrom. Izmenični tok, ki se dovaja v eno od tuljav, ustvarja v njej izmenično magnetno polje, ki ga jedro ojača. Magnetni tok tega polja, ki prodira v zavoje druge tuljave, v njem ustvari indukcijski električni tok. Ker je velikost inducirane EMF odvisna od števila ovojev, lahko s spreminjanjem njihovega razmerja v tuljavah spremenimo tudi velikost toka. To je na primer zelo pomembno pri prenosu električne energije na velike razdalje. Navsezadnje med prevozom nastanejo velike izgube zaradi dejstva, da se žice segrejejo. Z zmanjšanjem toka s transformatorjem se te izgube zmanjšajo. Toda hkrati se povečuje napetost. Na zadnji stopnji se z uporabo padajočega transformatorja napetost zmanjša in tok poveča. Seveda so takšni transformatorji veliko bolj zapleteni.

Povedati je treba, da Faraday ni bil edini, ki je poskušal ustvariti induciran tok. Podobne poskuse je izvajal tudi slavni ameriški fizik Joseph Henry. In uspelo mu je doseči uspeh skoraj istočasno s Faradayem. Toda Faraday ga je prehitel z objavo sporočila o svojem odkritju pred Henryjem.

Spomnimo se nekaj preprostih poskusov, v katerih opazujemo nastanek električnega toka kot posledice elektromagnetne indukcije.

Eden od teh poskusov je prikazan na sl. 253. Če se tuljava, sestavljena iz velikega števila zavojev žice, hitro položi na magnet ali jo potegne (sl. 253, a), se v njej pojavi kratkotrajni indukcijski tok, ki ga lahko zaznamo z metom igle galvanometra, povezane s koncema tuljave. Enako se zgodi, če magnet hitro potisnemo v tuljavo ali izvlečemo iz nje (slika 253, b). Očitno je pomembno le relativno gibanje tuljave in magnetnega polja. Tok se ustavi, ko se to gibanje ustavi.

riž. 253. Z relativnim gibanjem tuljave in magneta se v tuljavi pojavi inducirani tok: a) tuljava se namesti na magnet; b) magnet se premika v tuljavo

Razmislimo zdaj o več dodatnih poskusih, ki nam bodo omogočili, da v bolj splošni obliki formuliramo pogoje za pojav indukcijskega toka.

Prva serija poskusov: spreminjanje magnetne indukcije polja, v katerem se nahaja indukcijski krog (tuljava ali okvir).

Tuljava je nameščena v magnetnem polju, na primer znotraj solenoida (slika 254, a) ali med poloma elektromagneta (slika 254, b). Tuljavo namestimo tako, da je ravnina njenih zavojev pravokotna na silnice magnetnega polja solenoida ali elektromagneta. Magnetno indukcijo polja bomo spreminjali s hitrim spreminjanjem jakosti toka v navitju (z reostatom) ali preprostim izklopom in vklopom toka (s tipko). Z vsako spremembo magnetnega polja se igla galvanometra močno odbije; to kaže na pojav indukcijskega električnega toka v tokokrogu tuljave. Ko se magnetno polje okrepi (ali pojavi), se pojavi tok v eni smeri, ko pa oslabi (ali izgine), se pojavi tok v nasprotni smeri. Izvedimo zdaj enak poskus in tuljavo namestimo tako, da je ravnina njenih zavojev vzporedna s smerjo silnic magnetnega polja (slika 255). Poskus bo dal negativen rezultat: ne glede na to, kako spremenimo magnetno indukcijo polja, ne bomo zaznali indukcijskega toka v tokokrogu tuljave.

riž. 254. Inducirani tok se pojavi v tuljavi, ko se magnetna indukcija spremeni, če je ravnina njenih zavojev pravokotna na magnetne silnice: a) tuljava v solenoidnem polju; b) tuljava v polju elektromagneta. Magnetna indukcija se spremeni, ko se stikalo zapre in odpre ali ko se spremeni tok v tokokrogu

riž. 255. Indukcijski tok se ne pojavi, če je ravnina zavoja tuljave vzporedna s silnicami magnetnega polja

Druga serija poskusov: spreminjanje položaja tuljave, ki se nahaja v stalnem magnetnem polju.

Tuljavo postavimo v notranjost solenoida, kjer je magnetno polje enakomerno, in jo hitro zavrtimo za določen kot okoli osi, pravokotne na smer polja (slika 256). Pri vsakem takem vrtenju galvanometer, priključen na tuljavo, zazna induciran tok, katerega smer je odvisna od začetnega položaja tuljave in od smeri vrtenja. Ko se tuljava popolnoma zavrti za 360°, se smer indukcijskega toka dvakrat spremeni: vsakič, ko tuljava prečka položaj, v katerem je njena ravnina pravokotna na smer magnetnega polja. Seveda, če vrtite tuljavo zelo hitro, bo inducirani tok spremenil svojo smer tako pogosto, da igla običajnega galvanometra ne bo imela časa slediti tem spremembam in bo potrebna drugačna, bolj "poslušna" naprava.

riž. 256. Ko se tuljava vrti v magnetnem polju, se v njej pojavi induciran tok

Če pa tuljavo premaknemo tako, da se ne vrti glede na smer polja, temveč le vzporedno s seboj v kateri koli smeri vzdolž polja, čez njega ali pod katerim koli kotom na smer polja, potem ne bo prišlo do induciranega toka. Naj še enkrat poudarimo: poskus premikanja tuljave se izvaja v enakomernem polju (na primer znotraj dolgega solenoida ali v zemeljskem magnetnem polju). Če je polje neenakomerno (na primer blizu pola magneta ali elektromagneta), lahko vsako gibanje tuljave spremlja pojav indukcijskega toka, z izjemo enega primera: indukcijski tok ne nastanejo, če se tuljava giblje tako, da ostane njena ravnina ves čas vzporedna s smerjo polja (tj. skozi tuljavo ne poteka nobena magnetna silnica).

Tretja serija poskusov: spreminjanje območja vezja, ki se nahaja v stalnem magnetnem polju.

Podoben poskus lahko izvedemo po naslednji shemi (slika 257). V magnetno polje, na primer, med pole velikega elektromagneta postavimo vezje iz prožne žice. Kontura naj ima na začetku obliko kroga (slika 257a). S hitrim gibanjem roke lahko zategnete konturo v ozko zanko in tako znatno zmanjšate površino, ki jo pokriva (slika 257, b). Galvanometer bo pokazal pojav indukcijskega toka.

riž. 257. Inducirani tok se pojavi v tuljavi, če se spremeni območje njegovega vezja, ki se nahaja v stalnem magnetnem polju in se nahaja pravokotno na črte magnetnega polja (magnetno polje je usmerjeno stran od opazovalca)

Še bolj priročno je izvesti poskus s spreminjanjem območja konture po shemi, prikazani na sl. 258. V magnetnem polju je vezje, katerega ena od strani (na sliki 258) je gibljiva. Vsakič, ko se premakne, galvanometer zazna pojav indukcijskega toka v tokokrogu. Poleg tega ima indukcijski tok pri premikanju v levo (povečanje območja) eno smer, pri premikanju v desno (zmanjšanje območja) pa v nasprotni smeri. Vendar tudi v tem primeru spreminjanje območja vezja ne povzroči induciranega toka, če je ravnina vezja vzporedna s smerjo magnetnega polja.

riž. 258. Ko se palica premakne in se posledično spremeni območje vezja, ki se nahaja v magnetnem polju, se v vezju pojavi tok.

S primerjavo vseh opisanih poskusov lahko v splošni obliki oblikujemo pogoje za pojav induciranega toka. V vseh obravnavanih primerih smo imeli vezje postavljeno v magnetno polje, ravnina vezja pa je lahko tvorila tak ali drugačen kot s smerjo magnetne indukcije. Površino, ki jo omejuje obris, označimo z , magnetno indukcijo polja z , kot med smerjo magnetne indukcije in ravnino obrisa pa z . V tem primeru bo komponenta magnetne indukcije, pravokotna na ravnino vezja, enaka velikosti (sl. 259)

riž. 259. Razgradnja magnetne indukcije na komponento, ki je pravokotna na ravnino indukcijske zanke, in komponento, ki je vzporedna s to ravnino

Produkt bomo imenovali tok magnetne indukcije ali na kratko magnetni tok skozi vezje; To količino bomo označili s črko . torej

. (138.1) skozi to konturo ostane nespremenjena. Torej:

Kadarkoli pride do spremembe magnetnega pretoka skozi prevodno vezje, nastane v tem vezju električni tok.

To je eden najpomembnejših zakonov narave - zakon elektromagnetne indukcije, ki ga je leta 1831 odkril Faraday.

138.1. Tuljavi I in II se nahajata druga v drugi (slika 260). Prvi krog vključuje baterijo, drugi krog vsebuje galvanometer. Če v prvo tuljavo ali iz nje potisnemo železno palico, bo galvanometer zaznal pojav indukcijskega toka v drugi tuljavi. Pojasnite to izkušnjo.

riž. 260. Za vajo 138.1

138.2. Žični okvir se vrti v enakomernem magnetnem polju okoli osi, ki je vzporedna z magnetno indukcijo. Se bo v njem pojavil inducirani tok?

138.3. Ali e. d.s. indukcija na koncih jeklene osi avtomobila, ko se premika? V katero smer se giblje avto? d.s. največji in na kateri točki najmanjši? Ali je odvisno? d.s. indukcija iz hitrosti avtomobila?

138.4. Šasija avtomobila skupaj z obema osema tvori sklenjen prevodni krog. Ali se v njem inducira tok, ko se avto premika? Kako je mogoče odgovor na to težavo uskladiti z rezultati naloge 138.3?

138.5. Zakaj so včasih udari strele poškodovali občutljive električne merilne instrumente nekaj metrov od mesta udara in talili varovalke v omrežju razsvetljave?

Spomnimo se nekaj preprostih poskusov, v katerih opazujemo nastanek električnega toka kot posledice elektromagnetne indukcije.

Eden od teh poskusov je prikazan na sl. 253. Če se tuljava, sestavljena iz velikega števila zavojev žice, hitro položi na magnet ali jo potegne (sl. 253, a), se v njej pojavi kratkotrajni indukcijski tok, ki ga lahko zaznamo z metom igle galvanometra, povezane s koncema tuljave. Enako se zgodi, če magnet hitro potisnemo v tuljavo ali izvlečemo iz nje (slika 253, b). Očitno je pomembno le relativno gibanje tuljave in magnetnega polja. Tok se ustavi, ko se to gibanje ustavi.

riž. 253. Z relativnim gibanjem tuljave in magneta se v tuljavi pojavi inducirani tok: a) tuljava se namesti na magnet; b) magnet se premika v tuljavo

Razmislimo zdaj o več dodatnih poskusih, ki nam bodo omogočili, da v bolj splošni obliki formuliramo pogoje za pojav indukcijskega toka.

Prva serija poskusov: spreminjanje magnetne indukcije polja, v katerem se nahaja indukcijska zanka (tuljava ali okvir).

Tuljava je nameščena v magnetnem polju, na primer znotraj solenoida (slika 254, a) ali med poloma elektromagneta (slika 254, b). Tuljavo namestimo tako, da je ravnina njenih zavojev pravokotna na silnice magnetnega polja solenoida ali elektromagneta. Magnetno indukcijo polja bomo spreminjali s hitrim spreminjanjem jakosti toka v navitju (z reostatom) ali preprostim izklopom in vklopom toka (s tipko). Z vsako spremembo magnetnega polja se igla galvanometra močno odbije; to kaže na pojav indukcijskega električnega toka v tokokrogu tuljave. Ko se magnetno polje okrepi (ali pojavi), se pojavi tok v eni smeri, ko pa oslabi (ali izgine), se pojavi tok v nasprotni smeri. Izvedimo zdaj enak poskus in tuljavo namestimo tako, da je ravnina njenih zavojev vzporedna s smerjo silnic magnetnega polja (slika 255). Poskus bo dal negativen rezultat: ne glede na to, kako spremenimo magnetno indukcijo polja, ne bomo zaznali indukcijskega toka v tokokrogu tuljave.

riž. 254. Inducirani tok se pojavi v tuljavi, ko se magnetna indukcija spremeni, če je ravnina njenih zavojev pravokotna na magnetne silnice: a) tuljava v solenoidnem polju; b) tuljava v polju elektromagneta. Magnetna indukcija se spremeni, ko se stikalo zapre in odpre ali ko se spremeni tok v tokokrogu

riž. 255. Indukcijski tok se ne pojavi, če je ravnina zavoja tuljave vzporedna s silnicami magnetnega polja

Druga serija poskusov: spreminjanje položaja tuljave, ki se nahaja v stalnem magnetnem polju.

Tuljavo postavimo v notranjost solenoida, kjer je magnetno polje enakomerno, in jo hitro zavrtimo za določen kot okoli osi, pravokotne na smer polja (slika 256). Pri vsakem takem vrtenju galvanometer, priključen na tuljavo, zazna induciran tok, katerega smer je odvisna od začetnega položaja tuljave in od smeri vrtenja. Ko se tuljava popolnoma zavrti za 360°, se smer indukcijskega toka dvakrat spremeni: vsakič, ko tuljava prečka položaj, v katerem je njena ravnina pravokotna na smer magnetnega polja. Seveda, če vrtite tuljavo zelo hitro, bo inducirani tok spremenil svojo smer tako pogosto, da igla običajnega galvanometra ne bo imela časa slediti tem spremembam in bo potrebna drugačna, bolj "poslušna" naprava.

riž. 256. Ko se tuljava vrti v magnetnem polju, se v njej pojavi induciran tok

Če pa tuljavo premaknemo tako, da se ne vrti glede na smer polja, temveč le vzporedno s seboj v kateri koli smeri vzdolž polja, čez njega ali pod katerim koli kotom na smer polja, potem ne bo prišlo do induciranega toka. Naj še enkrat poudarimo: poskus premikanja tuljave se izvaja v enakomernem polju (na primer znotraj dolgega solenoida ali v zemeljskem magnetnem polju). Če je polje neenakomerno (na primer blizu pola magneta ali elektromagneta), lahko vsako gibanje tuljave spremlja pojav indukcijskega toka, z izjemo enega primera: indukcijski tok ne nastanejo, če se tuljava giblje tako, da ostane njena ravnina ves čas vzporedna s smerjo polja (tj. skozi tuljavo ne poteka nobena magnetna silnica).

Tretja serija poskusov: spreminjanje območja vezja, ki se nahaja v stalnem magnetnem polju.

Podoben poskus lahko izvedemo po naslednji shemi (slika 257). V magnetno polje, na primer, med pole velikega elektromagneta postavimo vezje iz prožne žice. Naj ima kontura na začetku obliko kroga (slika 257, a). S hitrim gibanjem roke lahko zategnete konturo v ozko zanko in tako znatno zmanjšate površino, ki jo pokriva (slika 257, b). Galvanometer bo pokazal pojav indukcijskega toka.

riž. 257. Inducirani tok se pojavi v tuljavi, če se spremeni območje njegovega vezja, ki se nahaja v stalnem magnetnem polju in se nahaja pravokotno na črte magnetnega polja (magnetno polje je usmerjeno stran od opazovalca)

Še bolj priročno je izvesti poskus s spreminjanjem območja konture po shemi, prikazani na sl. 258. V magnetnem polju je vezje, katerega ena od strani (na sliki 258) je gibljiva. Vsakič, ko se premakne, galvanometer zazna pojav indukcijskega toka v tokokrogu. Poleg tega ima indukcijski tok pri premikanju v levo (povečanje območja) eno smer, pri premikanju v desno (zmanjšanje območja) pa v nasprotni smeri. Vendar tudi v tem primeru spreminjanje območja vezja ne povzroči induciranega toka, če je ravnina vezja vzporedna s smerjo magnetnega polja.

riž. 258. Ko se palica premakne in se posledično spremeni območje vezja, ki se nahaja v magnetnem polju, se v vezju pojavi tok.

S primerjavo vseh opisanih poskusov lahko v splošni obliki oblikujemo pogoje za pojav induciranega toka. V vseh obravnavanih primerih smo imeli vezje postavljeno v magnetno polje, ravnina vezja pa je lahko tvorila tak ali drugačen kot s smerjo magnetne indukcije. Površino, ki jo omejuje obris, označimo z , magnetno indukcijo polja z , kot med smerjo magnetne indukcije in ravnino obrisa pa z . V tem primeru bo komponenta magnetne indukcije, pravokotna na ravnino vezja, enaka velikosti (sl. 259)

riž. 259. Razgradnja magnetne indukcije na komponento, ki je pravokotna na ravnino indukcijske zanke, in komponento, ki je vzporedna s to ravnino

Produkt bomo imenovali tok magnetne indukcije ali na kratko magnetni tok skozi vezje; To količino bomo označili s črko . torej

. (138.1)

V vseh obravnavanih primerih smo brez izjeme tako ali drugače spremenili magnetni pretok. V nekaterih primerih smo to naredili s spreminjanjem magnetne indukcije (slika 254); v drugih primerih se je kot spremenil (slika 256); tretjič, območje (slika 257). V splošnem primeru je seveda možno hkrati spreminjati vse te količine, ki določajo magnetni pretok skozi vezje. Natančen pregled številnih indukcijskih poskusov pokaže, da se inducirani tok pojavi, če in samo če se spremeni magnetni tok; do induciranega toka nikoli ne pride, če magnetni pretok skozi dano vezje ostane nespremenjen. Torej:

Kadarkoli pride do spremembe magnetnega pretoka skozi prevodno vezje, nastane v tem vezju električni tok.

To je eden najpomembnejših zakonov narave - zakon elektromagnetne indukcije, ki ga je leta 1831 odkril Faraday.

138.1. Tuljavi I in II se nahajata druga v drugi (slika 260). Prvi krog vključuje baterijo, drugi krog vsebuje galvanometer. Če v prvo tuljavo ali iz nje potisnemo železno palico, bo galvanometer zaznal pojav indukcijskega toka v drugi tuljavi. Pojasnite to izkušnjo.

riž. 260. Za vajo 138.1

138.2. Žični okvir se vrti v enakomernem magnetnem polju okoli osi, ki je vzporedna z magnetno indukcijo. Se bo v njem pojavil inducirani tok?

138.3. Ali e. d.s. indukcija na koncih jeklene osi avtomobila, ko se premika? V katero smer se giblje avto? d.s. največji in na kateri točki najmanjši? Ali je odvisno? d.s. indukcija iz hitrosti avtomobila?

138.4. Šasija avtomobila skupaj z obema osema tvori sklenjen prevodni krog. Ali se v njem inducira tok, ko se avto premika? Kako je mogoče odgovor na to težavo uskladiti z rezultati naloge 138.3?

138.5. Zakaj so včasih udari strele poškodovali občutljive električne merilne instrumente nekaj metrov od mesta udara in talili varovalke v omrežju razsvetljave?

Tema 11. POJAV ELEKTROMAGNETNE INDUKCIJE.

11.1. Faradayevi poskusi. Indukcijski tok. Lenzovo pravilo. 11.2. Velikost inducirane emf.

11.3. Narava inducirane emf.

11.4. Kroženje vektorja vrtinčne električne poljske jakosti.

11.5. Betatron.

11.6. Toki Fuko.

11.7. Učinek kože.

11.1. Faradayevi poskusi. Indukcijski tok. Lenzovo pravilo.

Z Od odkritja povezave med magnetnim poljem in tokom (kar potrjuje simetrijo naravnih zakonov) so bili številni poskusi pridobiti tok z uporabo magnetnega polja. Problem je leta 1831 rešil Michael Faraday. (Odkril je tudi Američan Joseph Henry, vendar ni imel časa objaviti svojih rezultatov. Tudi Ampere je zahteval odkritje, vendar svojih rezultatov ni mogel predstaviti).

Michael Faraday (1791 - 1867) - slavni angleški fizik. Raziskave na področju elektrike, magnetizma, magnetooptike, elektrokemije. Ustvaril laboratorijski model elektromotorja. Odpiral je dodatne tokove pri zapiranju in odpiranju tokokroga in ugotavljal njihovo smer. Odkril je zakone elektrolize, prvi uvedel pojma polja in dielektrične konstante ter leta 1845 uporabil izraz »magnetno polje«.

M. Faraday je med drugim odkril pojava dia in paramagnetizma. Ugotovil je, da se vsi materiali v magnetnem polju obnašajo različno: usmerjeni so vzdolž polja (para in feromagneti) ali prečno.

polja so diamagnetna.

Faradayevi poskusi so dobro znani iz šolskega tečaja fizike: tuljava in trajni magnet (slika 11.1)

riž. 11.1 Sl. 11.2

Če približate magnet tuljavi ali obratno, bo v tuljavi nastal električni tok. Enako z dvema tesno razmaknjenima tuljavama: če je vir izmeničnega toka priključen na eno od tuljav, se bo izmenični tok pojavil tudi v drugi

(slika 11.2), vendar se ta učinek najbolje pokaže, če sta dve tuljavi povezani z jedrom (slika 11.3).

Po Faradayevi definiciji je tem poskusom skupno to, da: če tok

Ko se vektor indukcije, ki prodira skozi zaprto prevodno vezje, spremeni, v vezju nastane električni tok.

Ta pojav se imenuje pojav elektromagnetne indukcije, tok pa je indukcija . Poleg tega je pojav popolnoma neodvisen od načina spreminjanja pretoka vektorja magnetne indukcije.

Tako se izkaže, da gibljivi naboji (tok) ustvarjajo magnetno polje, gibljivo magnetno polje pa ustvarja (vrtinčno) električno polje in pravzaprav induciran tok.

Za vsak konkreten primer je Faraday navedel smer indukcijskega toka. Leta 1833 je Lenz ustanovil general pravilo za iskanje smeri toka:

inducirani tok je vedno usmerjen tako, da magnetno polje tega toka prepreči spremembo magnetnega pretoka, ki povzroča inducirani tok. Ta izjava se imenuje Lenzovo pravilo.

Polnjenje celotnega prostora s homogenim magnetom vodi, če so druge stvari enake, do povečanja indukcije za µ-krat. To dejstvo potrjuje

inducirani tok nastane zaradi spremembe pretoka vektorja magnetne indukcije B in ne pretoka vektorja jakosti H.

11.2. Velikost inducirane emf.

Za ustvarjanje toka v tokokrogu mora biti prisotna elektromotorna sila. Zato pojav elektromagnetne indukcije kaže, da ko se spremeni magnetni tok v vezju, nastane elektromotorna sila indukcije E i. Naš

naloga, s pomočjo zakonov o ohranitvi energije poiščite vrednost E i in jo ugotovite

Oglejmo si gibanje gibljivega odseka 1 - 2 vezja s tokom v magnetnem polju

B (slika 11.4).

Najprej predpostavimo, da magnetnega polja B ni. Baterija z emf enako E 0 ustvarja

tok I 0 . V času dt baterija deluje

dA = E I0 dt(11.2.1)

– to delo se bo spremenilo v toploto, ki jo lahko najdemo po zakonu Joule-Lenz:

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

tukaj I 0 = E R 0, R je skupni upor celotnega vezja.

Vezje postavimo v enakomerno magnetno polje z indukcijo B. ČrteB ||n in so povezane s smerjo toka s pravilom gimleta. FluxF, povezan z vezjem, je pozitiven.r

Na vsak konturni element deluje mehanska sila d F . Na gibljivo stran okvirja deluje sila F 0 . Pod vplivom te sile se odsek 1 – 2

se bo gibal s hitrostjo υ = dx dt. V tem primeru se bo spremenil tudi magnetni tok.

indukcija.

Nato se bo zaradi elektromagnetne indukcije tok v vezju spremenil in postal

posledično). Ta sila bo proizvedla delo dA v času dt: dA = Fdx = IdФ.

Kot v primeru, ko vsi elementi okvirja mirujejo, je vir dela E 0 .

Pri stacionarnem krogu se je to delo zmanjšalo le na sproščanje toplote. V našem primeru se bo sprostila tudi toplota, vendar v drugačni količini, saj se je tok spremenil. Poleg tega se izvaja mehansko delo. Skupno delo, opravljeno v času dt, je enako:

Dobljeni izraz imamo pravico obravnavati kot Ohmov zakon za vezje, v katerem poleg vira E 0 deluje E i, ki je enak:

indukcija, ki teče skozi to vezje.

Ta izraz za inducirano emf vezja je popolnoma univerzalen, neodvisen od načina spreminjanja pretoka magnetne indukcije in se imenuje

Faradayev zakon.

znak (-) – matematično izražanje Lenzova pravila o smeri indukcijskega toka: inducirani tok je vedno usmerjen tako, da njegovo polje

prepreči spremembo začetnega magnetnega polja.

Smer indukcijskega toka in smer d dt Ф sta povezani gimlet pravilo(slika 11.5).

Dimenzija inducirane emf: [ E i ] = [ Ф ] =B c =B .t c

Če je vezje sestavljeno iz več obratov, potem moramo uporabiti koncept

pretočna povezava (skupni magnetni pretok):

Ψ = Ф·N,

kjer je N število obratov. Torej če

11.3. Narava inducirane emf.

Odgovorimo na vprašanje: kaj je razlog za gibanje nabojev, razlog za pojav indukcijskega toka? Oglejte si sliko 11.6.

1) Če premaknete prevodnik v enakomernem magnetnem polju B, se bodo pod vplivom Lorentzove sile elektroni odklonili navzdol, pozitivni naboji pa navzgor - nastane potencialna razlika. To bo E i-stranska sila pod vplivom

kateri tok teče. Kot vemo, za pozitivne naboje

F l = q + ; za elektrone F l = –e - .

2) Če prevodnik miruje in se magnetno polje spreminja, kakšna sila v tem primeru vzbuja inducirani tok? Vzemimo navaden transformator (slika 11.7).

Takoj ko sklenemo vezje primarnega navitja, se v sekundarnem navitju takoj pojavi tok. A Lorentzova sila nima nič s tem, ker deluje na gibajoče se naboje, ti pa so na začetku mirovali (bili so v toplotnem gibanju - kaotično, tukaj pa rabimo usmerjeno gibanje).

Odgovor je dal J. Maxwell leta 1860: Vsako izmenično magnetno polje vzbudi električno polje (E") v okoliškem prostoru. To je razlog za nastanek indukcijskega toka v prevodniku. To pomeni, da se E" pojavi samo v prisotnosti izmeničnega magnetnega polja (transformator ne deluje pri enosmernem toku).

Bistvo pojava elektromagnetne indukcije sploh ne v videzu indukcijskega toka (tok se pojavi, ko so naboji in je tokokrog sklenjen), in v nastanku vrtinčnega električnega polja (ne samo v prevodniku, ampak tudi v okoliškem prostoru, v vakuumu).

To polje ima popolnoma drugačno strukturo kot polje, ki ga ustvarjajo naboji. Ker je ne ustvarjajo naboji, se silnice ne morejo začeti in končati na nabojih, kot smo to storili v elektrostatiki. To polje je vrtinec, njegove silnice so zaprte.

Ker to polje premika naboje, ima torej moč. Predstavimo se

vektor vrtinčne električne poljske jakosti E ". Sila, s katero to polje deluje na naboj

F "= q E ".

Ko pa se naboj premika v magnetnem polju, nanj deluje Lorentzova sila

INDUKCIJSKI TOK je električni tok, ki nastane ob spremembi toka magnetne indukcije v zaprtem prevodnem krogu. Ta pojav imenujemo elektromagnetna indukcija. Ali želite vedeti, v katero smer teče indukcijski tok? Rosinductor je trgovinski informacijski portal, kjer boste našli informacije o trenutnih.

Pravilo, ki določa smer indukcijskega toka, je naslednje: "Indukcijski tok je usmerjen tako, da s svojim magnetnim poljem nasprotuje spremembi magnetnega pretoka, ki ga povzroča." Desna roka je z dlanjo obrnjena proti magnetnim silnicam, s palcem usmerjena proti gibanju vodnika, štirje prsti pa kažejo, v katero smer bo tekel inducirani tok. S premikanjem prevodnika premikamo skupaj z vodnikom vse elektrone, ki jih vsebuje, in pri premikanju električnih nabojev v magnetnem polju bo nanje delovala sila po pravilu leve roke.

Smer indukcijskega toka in njegova velikost sta določena z Lenzovim pravilom, ki pravi, da smer indukcijskega toka vedno oslabi učinek dejavnika, ki je tok vzbudil. Ko se pretok magnetnega polja skozi tokokrog spremeni, bo smer induciranega toka takšna, da kompenzira te spremembe. Ko se v drugem vezju ustvari magnetno polje, ki vzbuja tok, je smer indukcijskega toka odvisna od narave sprememb: ko se zunanji tok poveča, ima indukcijski tok nasprotno smer; ko se zmanjša, je usmerjen v isto smer in teži k povečanju pretoka.

Indukcijska tuljava ima dva pola (severni in južni), ki sta določena glede na smer toka: indukcijski vodi izhajajo iz severnega pola. Približevanje magneta tuljavi povzroči, da se pojavi tok v smeri, ki odbija magnet. Ko je magnet odstranjen, ima tok v tuljavi smer, ki daje prednost privlačnosti magneta.

Indukcijski tok nastane v zaprtem krogu, ki se nahaja v izmeničnem magnetnem polju. Vezje je lahko mirujoče (postavljeno v spreminjajoči se tok magnetne indukcije) ali gibljivo (gibanje vezja povzroči spremembo magnetnega pretoka). Pojav indukcijskega toka povzroči vrtinčno električno polje, ki se vzbuja pod vplivom magnetnega polja.

Kako ustvariti kratkotrajni inducirani tok, se lahko naučite iz šolskega tečaja fizike.

To lahko storite na več načinov:

• - gibanje trajnega magneta ali elektromagneta glede na tuljavo,
• - premikanje jedra glede na elektromagnet, vstavljen v tuljavo,
• - zapiranje in odpiranje tokokroga,
• - regulacija toka v tokokrogu.

Osnovni zakon elektrodinamike (Faradayev zakon) pravi, da je jakost induciranega toka za katero koli vezje enaka hitrosti spremembe magnetnega pretoka, ki prehaja skozi vezje, vzeto s predznakom minus. Jakost indukcijskega toka imenujemo elektromotorna sila.