Dukuritë elektrike dhe magnetike janë të lidhura ngushtë. Dhe nëse rryma gjeneron magnetizëm, atëherë duhet të ekzistojë edhe fenomeni i kundërt - shfaqja e rrymës elektrike kur një magnet lëviz. Ky është arsyetimi i shkencëtarit anglez Michael Faraday, i cili në vitin 1822 bëri shënimin e mëposhtëm në ditarin e tij laboratorik: "Konvertoni magnetizmin në energji elektrike".

Kësaj ngjarjeje i parapriu zbulimi i fenomenit të elektromagnetizmit nga fizikani danez Hans Christian Oersted, i cili zbuloi shfaqjen e një fushe magnetike rreth një përcjellësi që mbart rrymë. Për shumë vite, Faraday kreu eksperimente të ndryshme, por eksperimentet e tij të para nuk i sollën sukses. Arsyeja kryesore ishte se shkencëtari nuk e dinte se vetëm një fushë magnetike alternative mund të krijojë një rrymë elektrike. Rezultati i vërtetë u arrit vetëm në 1831.

Eksperimentet e Faradeit

Klikoni mbi foto

Në një eksperiment të kryer më 29 gusht 1931, shkencëtari mbështilli mbështjellje teli rreth anëve të kundërta të hekurit. unazë e hollë. Ai lidhi një tel me një galvanometër. Në momentin që teli i dytë u lidh me baterinë, gjilpëra e galvanometrit devijoi ndjeshëm dhe u kthye në pozicionin e saj origjinal. E njëjta pamje u vërejt kur u hap kontakti me baterinë. Kjo do të thoshte që një rrymë elektrike u shfaq në qark. Ajo u ngrit si rezultat i faktit se linjat e fushës magnetike të krijuara nga kthesat e telit të parë kaluan kthesat e telit të dytë dhe gjeneruan një rrymë në to.

Eksperimenti i Faradeit

Disa javë më vonë, u krye një eksperiment me një magnet të përhershëm. Faraday lidhi një galvanometër me një spirale me tela bakri. Pastaj, me një lëvizje të mprehtë, ai shtyu brenda një shufër magnetike cilindrike. Në këtë moment, edhe gjilpëra e galvanometrit u lëkund fuqishëm. Kur shufra u hoq nga spiralja, edhe shigjeta u lëkund, por në drejtim të kundërt. Dhe kjo ndodhte sa herë që magneti shtyhej ose shtyhej nga spiralja. Kjo do të thotë, rryma u shfaq në qark kur magneti lëvizte në të. Kjo është mënyra se si Faraday arriti të "transformojë magnetizmin në energji elektrike".

Faraday në laborator

Rryma në spirale shfaqet gjithashtu nëse, në vend të një magneti të përhershëm brenda saj, lëvizni një spirale tjetër të lidhur me një burim rrymë.

Në të gjitha këto raste ndodhi një ndryshim në fluksin magnetik që kalon nëpër qarkun e spirales, i cili çoi në shfaqjen e një rryme elektrike në një qark të mbyllur. Ky është një fenomen induksioni elektromagnetik , dhe rryma është rrymë e induktuar .

Dihet se një rrymë ekziston në një qark të mbyllur nëse ajo mbahet nga një ndryshim potencial duke përdorur një forcë elektromotore (EMF). Rrjedhimisht, kur fluksi magnetik në qark ndryshon, një EMF i tillë lind në të. Është quajtur emf i induktuar .

Ligji i Faradeit

Michael Faraday

Madhësia e induksionit elektromagnetik nuk varet nga arsyeja pse ndryshon fluksi magnetik - nëse vetë fusha magnetike ndryshon ose qarku lëviz në të. Varet nga shpejtësia e ndryshimit të fluksit magnetik që kalon nëpër qark.

Ku ε – EMF që vepron përgjatë konturit;

F V - fluksi magnetik.

Madhësia e EMF-së së një spirale në një fushë magnetike alternative ndikohet nga numri i kthesave në të dhe nga madhësia e fluksit magnetik. Ligji i Faradeit në këtë rast duket si ky:

Ku N – numri i kthesave;

F V – fluksi magnetik përmes një kthese;

Ψ – lidhja e fluksit, ose fluksi total magnetik që lidhet me të gjitha kthesat e spirales.

Ψ = N ·F i

F i – rrjedha që kalon në një kthesë.

Edhe një magnet i dobët mund të krijojë një rrymë të madhe induksioni nëse shpejtësia e lëvizjes së këtij magneti është e lartë.

Meqenëse një rrymë e induktuar shfaqet në përcjellës kur ndryshon fluksi magnetik që kalon përmes tyre, ajo do të shfaqet gjithashtu në një përcjellës që lëviz në një fushë magnetike të palëvizshme. Drejtimi i rrymës së induksionit në këtë rast varet nga drejtimi i lëvizjes së përcjellësit dhe përcaktohet nga rregulli i djathtë: " Nëse e vendosni pëllëmbën e dorës tuaj të djathtë në atë mënyrë që linjat e fushës magnetike të hyjnë në të dhe gishti i madh i përkulur me 90 0 do të tregonte drejtimin e lëvizjes së përcjellësit, atëherë 4 gishtat e zgjatur do të tregojnë drejtimin e induktuar. EMF dhe drejtimi i rrymës në përcjellës».

Rregulli i Lenz-it

Emily Khristianovich Lenz

Drejtimi i rrymës së induksionit përcaktohet nga një rregull që zbatohet në të gjitha rastet kur ndodh një rrymë e tillë. Ky rregull u formulua nga një fizikan rus me origjinë baltike Emily Khristianovich Lenz: Rryma e induktuar që lind në një qark të mbyllur ka një drejtim të tillë që fluksi magnetik që krijon kundërvepron në ndryshimin e fluksit magnetik që shkaktoi kjo rrymë.

Duhet të theksohet se ky përfundim është bërë nga shkencëtari bazuar në rezultatet e eksperimenteve. Lenz krijoi një pajisje të përbërë nga një pllakë alumini që rrotullohet lirshëm, në njërën skaj të së cilës ishte ngjitur një unazë e fortë prej alumini, dhe në anën tjetër - një unazë me një nivel.

Nëse magneti afrohej me një unazë të fortë, ai zmbrapsej dhe filloi të "ikte".

Klikoni mbi foto

Ndërsa magneti u largua, unaza u përpoq ta arrinte atë.

Klikoni mbi foto

Asgjë e tillë nuk u vërejt me unazën e prerë.

Lenz e shpjegoi këtë duke thënë se në rastin e parë, rryma e induktuar krijon një fushë magnetike, linjat e induksionit të së cilës janë të drejtuara të kundërta me linjat e induksionit të fushës magnetike të jashtme. Në rastin e dytë, linjat e induksionit të fushës magnetike të krijuara nga rryma e induktuar përkojnë në drejtim me linjat e induksionit të fushës magnetike të përhershme. Në një unazë të prerë, nuk ndodh asnjë rrymë induksioni, kështu që nuk mund të ndërveprojë me magnetin.

Sipas rregullit të Lenz-it, kur fluksi i jashtëm magnetik rritet, rryma e induktuar do të ketë një drejtim të tillë që fusha magnetike e krijuar prej saj do të parandalojë një rritje të tillë. Nëse fluksi i jashtëm magnetik zvogëlohet, atëherë fusha magnetike e rrymës së induksionit do ta mbështesë atë dhe do ta parandalojë zvogëlimin e saj.

Gjenerator i rrymës elektrike

Alternator

Zbulimi i Faradeit i induksionit elektromagnetik bëri të mundur përdorimin e këtij fenomeni në praktikë.

Çfarë ndodh nëse rrotulloni spiralen me bo më shumë rrotullime të telit metalik në një fushë magnetike të palëvizshme? Fluksi magnetik që kalon nëpër qarkun e spirales do të ndryshojë vazhdimisht. Dhe në të do të lindë një EMF e induksionit elektromagnetik. Kjo do të thotë që një dizajn i tillë mund të gjenerojë rrymë elektrike. Funksionimi i gjeneratorëve të rrymës alternative bazohet në këtë parim.

Gjeneratori përbëhet nga 2 pjesë - rotori dhe statori. Rotori është pjesa lëvizëse. Në gjeneratorët me fuqi të ulët, një magnet i përhershëm rrotullohet më shpesh. Gjeneratorët e fuqishëm përdorin një elektromagnet në vend të një magneti të përhershëm. Duke rrotulluar, rotori krijon një fluks magnetik të ndryshueshëm, i cili gjeneron një rrymë induksioni elektrik në kthesat e dredha-dredha të vendosura në brazdat e pjesës së palëvizshme të gjeneratorit - statorit. Rotori drejtohet nga një motor. Ky mund të jetë një motor me avull, një turbinë uji, etj.

Transformator

Kjo është ndoshta pajisja më e zakonshme në inxhinierinë elektrike, e krijuar për të kthyer rrymën dhe tensionin elektrike. Transformatorët përdoren në inxhinieri radio dhe elektronikë. Pa to, është e pamundur të transmetohet energjia elektrike në distanca të gjata.

Transformatori më i thjeshtë përbëhet nga dy mbështjellje që kanë një bërthamë të përbashkët metalike. Rryma alternative e furnizuar në njërën prej mbështjelljeve krijon një fushë magnetike alternative në të, e cila përforcohet nga bërthama. Fluksi magnetik i kësaj fushe, duke depërtuar në kthesat e spirales së dytë, krijon një rrymë elektrike induksioni në të. Meqenëse madhësia e emf-së së induktuar varet nga numri i rrotullimeve, duke ndryshuar raportin e tyre në mbështjellje, mund të ndryshohet edhe madhësia e rrymës. Kjo është shumë e rëndësishme, për shembull, kur transmetoni energji elektrike në distanca të gjata. Në fund të fundit, gjatë transportit ndodhin humbje të mëdha për shkak të faktit se telat nxehen. Duke reduktuar rrymën duke përdorur një transformator, këto humbje zvogëlohen. Por në të njëjtën kohë tensioni rritet. Në fazën përfundimtare, duke përdorur një transformator të uljes, voltazhi zvogëlohet dhe rryma rritet. Sigurisht, transformatorë të tillë janë shumë më kompleks.

Duhet thënë se Faraday nuk ishte i vetmi që u përpoq të krijonte një rrymë të induktuar. Eksperimente të ngjashme u kryen edhe nga fizikani i famshëm amerikan Joseph Henry. Dhe ai arriti të arrijë sukses pothuajse në të njëjtën kohë me Faraday. Por Faraday ishte përpara tij duke publikuar një mesazh për zbulimin e tij përpara Henrit.

Le të kujtojmë disa eksperimente të thjeshta në të cilat vërehet dalja e rrymës elektrike si rezultat i induksionit elektromagnetik.

Një nga këto eksperimente është paraqitur në Fig. 253. Nëse një spirale e përbërë nga një numër i madh kthesash teli vendoset shpejt në një magnet ose hiqet prej tij (Fig. 253, a), atëherë në të lind një rrymë induksioni afatshkurtër, e cila mund të zbulohet nga hedhja e gjilpërës së një galvanometri të lidhur me skajet e spirales. E njëjta gjë ndodh nëse magneti shtyhet shpejt në spirale ose tërhiqet prej saj (Fig. 253, b). Natyrisht, vetëm lëvizja relative e spirales dhe fushës magnetike ka rëndësi. Rryma ndalon kur kjo lëvizje ndalet.

Oriz. 253. Me lëvizjen relative të bobinës dhe magnetit, në bobina lind një rrymë e induktuar: a) spiralja vihet mbi magnet; b) magneti lëviz në spirale

Le të shqyrtojmë tani disa eksperimente shtesë që do të na lejojnë të formulojmë në një formë më të përgjithshme kushtet për shfaqjen e një rryme induksioni.

Seria e parë e eksperimenteve: ndryshimi i induksionit magnetik të fushës në të cilën ndodhet laku i induksionit (spiralja ose korniza).

Spiralja vendoset në një fushë magnetike, për shembull, brenda një solenoidi (Fig. 254, a) ose midis poleve të një elektromagneti (Fig. 254, b). Le të instalojmë spiralen në mënyrë që rrafshi i kthesave të tij të jetë pingul me linjat e fushës magnetike të solenoidit ose elektromagnetit. Ne do të ndryshojmë induksionin magnetik të fushës duke ndryshuar shpejt forcën e rrymës në mbështjellje (duke përdorur një reostat) ose thjesht duke fikur dhe ndezur rrymën (me një çelës). Me çdo ndryshim në fushën magnetike, gjilpëra e galvanometrit jep një rikthim të mprehtë; kjo tregon shfaqjen e një rryme elektrike me induksion në qarkun e spirales. Kur fusha magnetike forcohet (ose shfaqet), do të shfaqet një rrymë në një drejtim, dhe kur ajo dobësohet (ose zhduket), do të shfaqet një rrymë në drejtim të kundërt. Le të kryejmë tani të njëjtin eksperiment, duke instaluar spiralen në mënyrë që rrafshi i kthesave të saj të jetë paralel me drejtimin e vijave të fushës magnetike (Fig. 255). Eksperimenti do të japë një rezultat negativ: pavarësisht se si e ndryshojmë induksionin magnetik të fushës, nuk do të zbulojmë një rrymë induksioni në qarkun e spirales.

Oriz. 254. Një rrymë e induktuar shfaqet në një spirale kur induksioni magnetik ndryshon nëse rrafshi i kthesave të tij është pingul me vijat e fushës magnetike: a) spiralja në fushën solenoide; b) një spirale në fushën e një elektromagneti. Induksioni magnetik ndryshon kur çelësi mbyllet dhe hapet ose kur ndryshon rryma në qark

Oriz. 255. Rryma e induksionit nuk ndodh nëse rrafshi i rrotullimeve të bobinës është paralel me vijat e fushës magnetike.

Seria e dytë e eksperimenteve: ndryshimi i pozicionit të një spirale të vendosur në një fushë magnetike konstante.

Le ta vendosim bobinën brenda solenoidit, ku fusha magnetike është uniforme, dhe ta rrotullojmë shpejt përmes një këndi të caktuar rreth një boshti pingul me drejtimin e fushës (Fig. 256). Me çdo rrotullim të tillë, galvanometri i lidhur me spiralen zbulon një rrymë të induktuar, drejtimi i së cilës varet nga pozicioni fillestar i spirales dhe nga drejtimi i rrotullimit. Kur spiralja rrotullohet plotësisht 360°, drejtimi i rrymës së induksionit ndryshon dy herë: çdo herë spiralja kalon një pozicion në të cilin rrafshi i saj është pingul me drejtimin e fushës magnetike. Sigurisht, nëse rrotulloni spiralen shumë shpejt, rryma e induktuar do të ndryshojë drejtimin e saj aq shpesh sa gjilpëra e një galvanometri konvencional nuk do të ketë kohë për të ndjekur këto ndryshime dhe do të nevojitet një pajisje e ndryshme, më "e bindur".

Oriz. 256. Kur një spirale rrotullohet në një fushë magnetike, në të lind një rrymë e induktuar

Sidoqoftë, nëse spiralja lëviz në mënyrë që të mos rrotullohet në lidhje me drejtimin e fushës, por vetëm lëviz paralelisht me vetveten në çdo drejtim përgjatë fushës, përgjatë saj ose në çdo kënd me drejtimin e fushës, atëherë nuk do të krijohet asnjë rrymë e induktuar. Le të theksojmë edhe një herë: eksperimenti i lëvizjes së spirales kryhet në një fushë uniforme (për shembull, brenda një solenoidi të gjatë ose në fushën magnetike të Tokës). Nëse fusha është jo uniforme (për shembull, afër polit të një magneti ose elektromagneti), atëherë çdo lëvizje e spirales mund të shoqërohet me shfaqjen e një rryme induksioni, me përjashtim të një rasti: rryma e induksionit nuk lindin nëse spiralja lëviz në atë mënyrë që rrafshi i saj të mbetet paralel me drejtimin e fushës gjatë gjithë kohës (d.m.th. asnjë linja e fushës magnetike nuk kalon nëpër mbështjellje).

Seria e tretë e eksperimenteve: ndryshimi i zonës së një qarku të vendosur në një fushë magnetike konstante.

Një eksperiment i ngjashëm mund të kryhet sipas skemës së mëposhtme (Fig. 257). Në një fushë magnetike, për shembull, midis poleve të një elektromagneti të madh, vendosim një qark të bërë nga tela fleksibël. Lëreni konturin fillimisht të ketë formën e një rrethi (Fig. 257a). Me një lëvizje të shpejtë të dorës, mund ta shtrëngoni konturin në një lak të ngushtë, duke zvogëluar kështu ndjeshëm zonën që mbulon (Fig. 257, b). Galvanometri do të tregojë shfaqjen e një rryme induksioni.

Oriz. 257. Një rrymë e induktuar shfaqet në një spirale nëse zona e qarkut të saj, e vendosur në një fushë magnetike konstante dhe e vendosur pingul me linjat e fushës magnetike, ndryshon (fusha magnetike drejtohet larg vëzhguesit)

Është edhe më i përshtatshëm për të kryer një eksperiment me ndryshimin e zonës së konturit sipas skemës së treguar në Fig. 258. Në një fushë magnetike ekziston një qark, njëra nga anët e të cilit (në figurën 258) është e lëvizshme. Sa herë që lëviz, galvanometri zbulon shfaqjen e një rryme induksioni në qark. Për më tepër, kur lëvizni në të majtë (zona në rritje), rryma e induksionit ka një drejtim, dhe kur lëviz në të djathtë (zona në rënie) - në drejtim të kundërt. Sidoqoftë, edhe në këtë rast, ndryshimi i zonës së qarkut nuk prodhon ndonjë rrymë të induktuar nëse rrafshi i qarkut është paralel me drejtimin e fushës magnetike.

Oriz. 258. Kur shufra lëviz dhe, si rezultat, zona e qarkut të vendosur në një fushë magnetike ndryshon, një rrymë lind në qark.

Duke krahasuar të gjitha eksperimentet e përshkruara, ne mund të formulojmë kushtet për shfaqjen e një rryme të induktuar në një formë të përgjithshme. Në të gjitha rastet e shqyrtuara, ne kishim një qark të vendosur në një fushë magnetike dhe rrafshi i qarkut mund të bënte një ose një kënd tjetër me drejtimin e induksionit magnetik. Le të shënojmë zonën e kufizuar nga kontura me , induksionin magnetik të fushës me , dhe këndin ndërmjet drejtimit të induksionit magnetik dhe rrafshit të konturit me . Në këtë rast, komponenti i induksionit magnetik pingul me rrafshin e qarkut do të jetë i barabartë në madhësi (Fig. 259)

Oriz. 259. Zbërthimi i induksionit magnetik në një komponent pingul me rrafshin e lakut të induksionit dhe një komponent paralel me këtë rrafsh

Produktin do ta quajmë fluksi i induksionit magnetik, ose shkurt, fluksi magnetik nëpër qark; Këtë sasi do ta shënojmë me shkronjën . Kështu,

. (138.1) nëpër këtë kontur mbetet i pandryshuar. Pra:

Sa herë që ka një ndryshim në fluksin magnetik përmes një qarku përcjellës, një rrymë elektrike lind në këtë qark.

Ky është një nga ligjet më të rëndësishme të natyrës - ligji i induksionit elektromagnetik, i zbuluar nga Faraday në 1831.

138.1. Bobinat I dhe II janë të vendosura njëra brenda tjetrës (Fig. 260). Qarku i parë përfshin një bateri, qarku i dytë përmban një galvanometër. Nëse një shufër hekuri shtyhet brenda ose jashtë bobinës së parë, galvanometri do të zbulojë shfaqjen e një rryme induksioni në spiralen e dytë. Shpjegoni këtë përvojë.

Oriz. 260. Për ushtrimin 138.1

138.2. Korniza e telit rrotullohet në një fushë magnetike uniforme rreth një boshti paralel me induksionin magnetik. A do të shfaqet një rrymë e induktuar në të?

138.3. A e. d.s. induksion në skajet e boshtit të çelikut të një makine kur ajo lëviz? Në çfarë drejtimi lëviz makina? d.s. më e madhja dhe në cilën pikë është më e vogla? A varet? d.s. induksion nga shpejtësia e makinës?

138.4. Shasia e makinës, së bashku me dy boshtet e saj, formon një qark të mbyllur përçues. A induktohet rryma në të kur makina lëviz? Si mund të përputhet përgjigja e këtij problemi me rezultatet e problemit 138.3?

138.5. Pse rrufeja shkakton ndonjëherë dëmtim të instrumenteve matëse elektrike të ndjeshme disa metra nga pika e goditjes dhe shkrirjen e siguresave në rrjetin e ndriçimit?

Le të kujtojmë disa eksperimente të thjeshta në të cilat vërehet dalja e rrymës elektrike si rezultat i induksionit elektromagnetik.

Një nga këto eksperimente është paraqitur në Fig. 253. Nëse një spirale e përbërë nga një numër i madh kthesash teli vendoset shpejt në një magnet ose hiqet prej tij (Fig. 253, a), atëherë në të lind një rrymë induksioni afatshkurtër, e cila mund të zbulohet nga hedhja e gjilpërës së një galvanometri të lidhur me skajet e spirales. E njëjta gjë ndodh nëse magneti shtyhet shpejt në spirale ose tërhiqet prej saj (Fig. 253, b). Natyrisht, vetëm lëvizja relative e spirales dhe fushës magnetike ka rëndësi. Rryma ndalon kur kjo lëvizje ndalet.

Oriz. 253. Me lëvizjen relative të bobinës dhe magnetit, në bobina lind një rrymë e induktuar: a) spiralja vihet në magnet; b) magneti lëviz në spirale

Le të shqyrtojmë tani disa eksperimente shtesë që do të na lejojnë të formulojmë në një formë më të përgjithshme kushtet për shfaqjen e një rryme induksioni.

Seria e parë e eksperimenteve: ndryshimi i induksionit magnetik të fushës në të cilën ndodhet laku i induksionit (spiralja ose korniza).

Spiralja vendoset në një fushë magnetike, për shembull, brenda një solenoidi (Fig. 254, a) ose midis poleve të një elektromagneti (Fig. 254, b). Le të instalojmë spiralen në mënyrë që rrafshi i kthesave të tij të jetë pingul me linjat e fushës magnetike të solenoidit ose elektromagnetit. Ne do të ndryshojmë induksionin magnetik të fushës duke ndryshuar shpejt forcën e rrymës në mbështjellje (duke përdorur një reostat) ose thjesht duke fikur dhe ndezur rrymën (me një çelës). Me çdo ndryshim në fushën magnetike, gjilpëra e galvanometrit jep një rikthim të mprehtë; kjo tregon shfaqjen e një rryme elektrike me induksion në qarkun e spirales. Kur fusha magnetike forcohet (ose shfaqet), do të shfaqet një rrymë në një drejtim, dhe kur ajo dobësohet (ose zhduket), do të shfaqet një rrymë në drejtim të kundërt. Le të kryejmë tani të njëjtin eksperiment, duke instaluar spiralen në mënyrë që rrafshi i kthesave të saj të jetë paralel me drejtimin e vijave të fushës magnetike (Fig. 255). Eksperimenti do të japë një rezultat negativ: pavarësisht se si e ndryshojmë induksionin magnetik të fushës, nuk do të zbulojmë një rrymë induksioni në qarkun e spirales.

Oriz. 254. Një rrymë e induktuar lind në një spirale kur induksioni magnetik ndryshon nëse rrafshi i rrotullimeve të tij është pingul me vijat e fushës magnetike: a) spiralja në fushën solenoide; b) një spirale në fushën e një elektromagneti. Induksioni magnetik ndryshon kur çelësi mbyllet dhe hapet ose kur ndryshon rryma në qark

Oriz. 255. Rryma e induksionit nuk ndodh nëse rrafshi i rrotullimeve të bobinës është paralel me vijat e fushës magnetike.

Seria e dytë e eksperimenteve: ndryshimi i pozicionit të një spirale të vendosur në një fushë magnetike konstante.

Le ta vendosim bobinën brenda solenoidit, ku fusha magnetike është uniforme, dhe ta rrotullojmë shpejt përmes një këndi të caktuar rreth një boshti pingul me drejtimin e fushës (Fig. 256). Me çdo rrotullim të tillë, galvanometri i lidhur me spiralen zbulon një rrymë të induktuar, drejtimi i së cilës varet nga pozicioni fillestar i spirales dhe nga drejtimi i rrotullimit. Kur spiralja rrotullohet plotësisht 360°, drejtimi i rrymës së induksionit ndryshon dy herë: çdo herë spiralja kalon një pozicion në të cilin rrafshi i saj është pingul me drejtimin e fushës magnetike. Sigurisht, nëse rrotulloni spiralen shumë shpejt, rryma e induktuar do të ndryshojë drejtimin e saj aq shpesh sa gjilpëra e një galvanometri konvencional nuk do të ketë kohë për të ndjekur këto ndryshime dhe do të nevojitet një pajisje e ndryshme, më "e bindur".

Oriz. 256. Kur një spirale rrotullohet në një fushë magnetike, në të lind një rrymë e induktuar

Sidoqoftë, nëse spiralja lëviz në mënyrë që të mos rrotullohet në lidhje me drejtimin e fushës, por vetëm lëviz paralelisht me vetveten në çdo drejtim përgjatë fushës, përgjatë saj ose në çdo kënd me drejtimin e fushës, atëherë nuk do të krijohet asnjë rrymë e induktuar. Le të theksojmë edhe një herë: eksperimenti i lëvizjes së spirales kryhet në një fushë uniforme (për shembull, brenda një solenoidi të gjatë ose në fushën magnetike të Tokës). Nëse fusha është jo uniforme (për shembull, afër polit të një magneti ose elektromagneti), atëherë çdo lëvizje e spirales mund të shoqërohet me shfaqjen e një rryme induksioni, me përjashtim të një rasti: rryma e induksionit nuk lindin nëse spiralja lëviz në atë mënyrë që rrafshi i saj të mbetet paralel me drejtimin e fushës gjatë gjithë kohës (d.m.th. asnjë linja e fushës magnetike nuk kalon nëpër mbështjellje).

Seria e tretë e eksperimenteve: ndryshimi i zonës së një qarku të vendosur në një fushë magnetike konstante.

Një eksperiment i ngjashëm mund të kryhet sipas skemës së mëposhtme (Fig. 257). Në një fushë magnetike, për shembull, midis poleve të një elektromagneti të madh, vendosim një qark të bërë nga tela fleksibël. Lëreni konturin fillimisht të ketë formën e një rrethi (Fig. 257, a). Me një lëvizje të shpejtë të dorës, mund ta shtrëngoni konturin në një lak të ngushtë, duke zvogëluar kështu ndjeshëm zonën që mbulon (Fig. 257, b). Galvanometri do të tregojë shfaqjen e një rryme induksioni.

Oriz. 257. Një rrymë e induktuar shfaqet në një spirale nëse zona e qarkut të saj, e vendosur në një fushë magnetike konstante dhe e vendosur pingul me linjat e fushës magnetike, ndryshon (fusha magnetike drejtohet larg vëzhguesit)

Është edhe më i përshtatshëm për të kryer një eksperiment me ndryshimin e zonës së konturit sipas skemës së treguar në Fig. 258. Në një fushë magnetike ekziston një qark, njëra nga anët e të cilit (në figurën 258) është e lëvizshme. Sa herë që lëviz, galvanometri zbulon shfaqjen e një rryme induksioni në qark. Për më tepër, kur lëvizni në të majtë (zona në rritje), rryma e induksionit ka një drejtim, dhe kur lëviz në të djathtë (zona në rënie) - në drejtim të kundërt. Sidoqoftë, edhe në këtë rast, ndryshimi i zonës së qarkut nuk prodhon ndonjë rrymë të induktuar nëse rrafshi i qarkut është paralel me drejtimin e fushës magnetike.

Oriz. 258. Kur shufra lëviz dhe, si rezultat, zona e qarkut të vendosur në një fushë magnetike ndryshon, një rrymë lind në qark.

Duke krahasuar të gjitha eksperimentet e përshkruara, ne mund të formulojmë kushtet për shfaqjen e një rryme të induktuar në një formë të përgjithshme. Në të gjitha rastet e shqyrtuara, ne kishim një qark të vendosur në një fushë magnetike dhe rrafshi i qarkut mund të bënte një ose një kënd tjetër me drejtimin e induksionit magnetik. Le të shënojmë zonën e kufizuar nga kontura me , induksionin magnetik të fushës me , dhe këndin ndërmjet drejtimit të induksionit magnetik dhe rrafshit të konturit me . Në këtë rast, komponenti i induksionit magnetik pingul me rrafshin e qarkut do të jetë i barabartë në madhësi (Fig. 259)

Oriz. 259. Zbërthimi i induksionit magnetik në një komponent pingul me rrafshin e lakut të induksionit dhe një komponent paralel me këtë rrafsh

Produktin do ta quajmë fluksi i induksionit magnetik, ose shkurt, fluksi magnetik nëpër qark; Këtë sasi do ta shënojmë me shkronjën . Kështu,

. (138.1)

Në të gjitha rastet e shqyrtuara, pa përjashtim, ne ndryshuam fluksin magnetik në një mënyrë ose në një tjetër. Në disa raste këtë e bëmë duke ndryshuar induksionin magnetik (Fig. 254); në raste të tjera këndi ndryshonte (Fig. 256); së treti, zona (Fig. 257). Në rastin e përgjithshëm, natyrisht, është e mundur që njëkohësisht të ndryshohen të gjitha këto sasi që përcaktojnë fluksin magnetik përmes qarkut. Një ekzaminim i kujdesshëm i një shumëllojshmërie të gjerë eksperimentesh me induksion tregon se një rrymë e induktuar ndodh nëse dhe vetëm nëse ndryshon fluksi magnetik; një rrymë e induktuar nuk ndodh kurrë nëse fluksi magnetik nëpër një qark të caktuar mbetet i pandryshuar. Pra:

Sa herë që ka një ndryshim në fluksin magnetik përmes një qarku përcjellës, një rrymë elektrike lind në këtë qark.

Ky është një nga ligjet më të rëndësishme të natyrës - ligji i induksionit elektromagnetik, i zbuluar nga Faraday në 1831.

138.1. Bobinat I dhe II janë të vendosura njëra brenda tjetrës (Fig. 260). Qarku i parë përfshin një bateri, qarku i dytë përmban një galvanometër. Nëse një shufër hekuri shtyhet brenda ose jashtë bobinës së parë, galvanometri do të zbulojë shfaqjen e një rryme induksioni në spiralen e dytë. Shpjegoni këtë përvojë.

Oriz. 260. Për ushtrimin 138.1

138.2. Korniza e telit rrotullohet në një fushë magnetike uniforme rreth një boshti paralel me induksionin magnetik. A do të shfaqet një rrymë e induktuar në të?

138.3. A e. d.s. induksion në skajet e boshtit të çelikut të një makine kur ajo lëviz? Në çfarë drejtimi lëviz makina? d.s. më e madhja dhe në cilën pikë është më e vogla? A varet? d.s. induksion nga shpejtësia e makinës?

138.4. Shasia e makinës, së bashku me dy boshtet e saj, formon një qark të mbyllur përçues. A induktohet rryma në të kur makina lëviz? Si mund të përputhet përgjigja e këtij problemi me rezultatet e problemit 138.3?

138.5. Pse rrufeja shkakton ndonjëherë dëmtim të instrumenteve matëse elektrike të ndjeshme disa metra nga pika e goditjes dhe shkrirjen e siguresave në rrjetin e ndriçimit?

Tema 11. FENOMENI I INDUKSIONIT ELEKTROMAGNETIK.

11.1. Eksperimentet e Faradeit. Rryma e induksionit. Rregulli i Lenz-it. 11.2. Madhësia e emf-së së induktuar.

11.3. Natyra e emf të induktuar.

11.4. Qarkullimi i vektorit të forcës së fushës elektrike të vorbullës.

11.5. Betatron.

11.6. Toki Fuko.

11.7. Efekti i lëkurës.

11.1. Eksperimentet e Faradeit. Rryma e induksionit. Rregulli i Lenz-it.

ME Që nga zbulimi i lidhjes ndërmjet fushës magnetike dhe rrymës (që konfirmon simetrinë e ligjeve të natyrës), janë bërë përpjekje të shumta për të marrë rrymë duke përdorur një fushë magnetike. Problemi u zgjidh nga Michael Faraday në 1831. (Amerikani Joseph Henry gjithashtu zbuloi, por nuk pati kohë të publikonte rezultatet e tij. Ampere gjithashtu pretendoi zbulimin, por nuk ishte në gjendje të paraqiste rezultatet e tij).

Michael Faraday (1791 - 1867) - fizikan i famshëm anglez. Kërkime në fushën e elektricitetit, magnetizmit, magnetooptikës, elektrokimisë. Krijoi një model laboratorik të një motori elektrik. Zbulova rrymat shtesë kur mbyllja dhe hapja qarkun dhe vendosa drejtimin e tyre. Ai zbuloi ligjet e elektrolizës, ishte i pari që prezantoi konceptet e fushës dhe konstantës dielektrike, dhe në 1845 ai përdori termin "fushë magnetike".

Ndër të tjera, M. Faraday zbuloi dukuritë e dia dhe paramagnetizmit. Ai zbuloi se të gjitha materialet në një fushë magnetike sillen ndryshe: ato janë të orientuara përgjatë fushës (avulli dhe ferromagnetët) ose përgjatë

fushat janë diamagnetike.

Eksperimentet e Faradeit janë të njohura nga kursi i fizikës shkollore: një spirale dhe një magnet i përhershëm (Fig. 11.1)

Oriz. 11.1 Fig. 11.2

Nëse afroni një magnet pranë spirales ose anasjelltas, një rrymë elektrike do të lindë në spirale. E njëjta gjë me dy mbështjellje të ndara ngushtë: nëse një burim i rrymës alternative është i lidhur me njërën nga mbështjelljet, atëherë rryma alternative do të shfaqet edhe në tjetrën.

(Fig. 11.2), por ky efekt manifestohet më së miri nëse dy mbështjellje lidhen me një bërthamë (Fig. 11.3).

Sipas përkufizimit të Faradeit, e përbashkëta e këtyre eksperimenteve është se: nëse rrjedha

Ndërsa vektori i induksionit që depërton në qarkun e mbyllur, përcjellës ndryshon, një rrymë elektrike lind në qark.

Ky fenomen quhet fenomeni i induksionit elektromagnetik, dhe rryma është induksion . Për më tepër, fenomeni është plotësisht i pavarur nga metoda e ndryshimit të fluksit të vektorit të induksionit magnetik.

Pra, rezulton se ngarkesat lëvizëse (rryma) krijojnë një fushë magnetike, dhe një fushë magnetike lëvizëse krijon një fushë elektrike (vorbull) dhe, në fakt, një rrymë të induktuar.

Për çdo rast specifik, Faraday tregoi drejtimin e rrymës së induksionit. Në 1833 Lenz krijoi një gjeneral Rregulli për gjetjen e drejtimit të rrymës:

rryma e induktuar drejtohet gjithmonë në atë mënyrë që fusha magnetike e kësaj rryme të pengojë ndryshimin e fluksit magnetik duke shkaktuar rrymën e induktuar. Kjo deklaratë quhet rregulli i Lenz-it.

Mbushja e të gjithë hapësirës me një magnet homogjen çon, duke qenë të barabarta gjërat e tjera, në një rritje të induksionit me μ herë. Ky fakt e vërteton këtë

Rryma e induktuar shkaktohet nga një ndryshim në fluksin e vektorit të induksionit magnetik B, dhe jo nga fluksi i vektorit të intensitetit H.

11.2. Madhësia e emf-së së induktuar.

Për të krijuar rrymë në një qark, duhet të jetë e pranishme një forcë elektromotore. Prandaj, dukuria e induksionit elektromagnetik tregon se kur fluksi magnetik ndryshon në qark, lind një forcë elektromotore e induksionit E i. Jonë

detyrë, duke përdorur ligjet e ruajtjes së energjisë, gjeni vlerën E i dhe zbuloni atë

Le të shqyrtojmë lëvizjen e seksionit lëvizës 1 - 2 të qarkut me rrymë në një fushë magnetike

B (Fig. 11.4).

Së pari le të mos ketë fushë magnetike B. Krijon një bateri me një emf të barabartë me E 0

aktuale I 0 . Gjatë kohës dt, bateria funksionon

dA = E I0 dt (11.2.1)

– kjo punë do të kthehet në nxehtësi, e cila mund të gjendet sipas ligjit Joule-Lenz:

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

këtu I 0 = E R 0, R është rezistenca totale e të gjithë qarkut.

Le ta vendosim qarkun në një fushë magnetike uniforme me induksion B. LinjatB ||n dhe janë të lidhura me drejtimin e rrymës sipas rregullit të gimletit. Fluksi F i lidhur me qarkun është pozitiv.r

Çdo element konturor përjeton një forcë mekanike d F. Ana lëvizëse e kornizës do të përjetojë një forcë F 0 . Nën ndikimin e kësaj force, seksioni 1 – 2

do të lëvizë me shpejtësi υ = dx dt. Në këtë rast, fluksi magnetik gjithashtu do të ndryshojë.

induksioni.

Pastaj, si rezultat i induksionit elektromagnetik, rryma në qark do të ndryshojë dhe do të bëhet

që rezulton). Kjo forcë do të prodhojë punë dA në kohën dt: dA = Fdx = IdФ.

Ashtu si në rastin kur të gjithë elementët e kornizës janë të palëvizshëm, burimi i punës është E 0.

Me një qark të palëvizshëm, kjo punë u reduktua vetëm në lëshimin e nxehtësisë. Në rastin tonë, nxehtësia gjithashtu do të lirohet, por në një sasi të ndryshme, pasi rryma ka ndryshuar. Përveç kësaj, kryhet punë mekanike. Puna totale e kryer gjatë kohës dt është e barabartë me:

Ne kemi të drejtë të konsiderojmë shprehjen që rezulton si ligj i Ohm-it për një qark në të cilin, përveç burimit E 0, vepron edhe E i, që është e barabartë me:

induksioni që kalon nëpër këtë qark.

Kjo shprehje për emf-në e induktuar të një qarku është plotësisht universale, e pavarur nga metoda e ndryshimit të fluksit të induksionit magnetik dhe quhet

Ligji i Faradeit.

Shenja (-) – shprehje matematikore Rregullat e Lenz për drejtimin e rrymës së induksionit: rryma e induktuar drejtohet gjithmonë ashtu që fusha e saj

kundërvënien e ndryshimit të fushës magnetike fillestare.

Drejtimi i rrymës së induksionit dhe drejtimi d dt Ф janë të lidhura rregull gimlet(Fig. 11.5).

Dimensioni i emf-së së induktuar: [ E i ] =[ Ф ] =B c =B .t c

Nëse qarku përbëhet nga disa kthesa, atëherë duhet të përdorim konceptin

lidhja e fluksit (fluksi total magnetik):

Ψ = Ф·N,

ku N është numri i rrotullimeve. Pra, nëse

11.3. Natyra e emf të induktuar.

Le t'i përgjigjemi pyetjes: cila është arsyeja e lëvizjes së ngarkesave, arsyeja e shfaqjes së rrymës së induksionit? Merrni parasysh figurën 11.6.

1) Nëse lëvizni një përcjellës në një fushë magnetike uniforme B, atëherë nën ndikimin e forcës Lorentz, elektronet do të devijohen poshtë, dhe ngarkesat pozitive lart - lind një ndryshim potencial. Kjo do të jetë forca E i-anësore, nën ndikim

cila rrymë rrjedh. Siç e dimë, për ngarkesat pozitive

F l = q + ; për elektronet F l = –e - .

2) Nëse përcjellësi është i palëvizshëm dhe fusha magnetike ndryshon, çfarë force e ngacmon rrymën e induktuar në këtë rast? Le të marrim një transformator të zakonshëm (Fig. 11.7).

Sapo mbyllim qarkun e mbështjelljes parësore, menjëherë lind një rrymë në mbështjelljen dytësore. Por forca Lorentz nuk ka të bëjë me të, sepse ajo vepron në ngarkesa lëvizëse, dhe në fillim ata ishin në qetësi (ata ishin në lëvizje termike - kaotike, por këtu na duhet lëvizje e drejtuar).

Përgjigja u dha nga J. Maxwell në 1860: Çdo fushë magnetike e alternuar ngacmon një fushë elektrike (E") në hapësirën përreth. Kjo është arsyeja e shfaqjes së rrymës së induksionit në përcjellës. Kjo do të thotë, E" ndodh vetëm në prani të një fushe magnetike alternative (transformatori nuk funksionon në rrymë të drejtpërdrejtë).

Thelbi i fenomenit të induksionit elektromagnetik aspak në pamjen e rrymës së induksionit (rryma shfaqet kur ka ngarkesa dhe qarku është i mbyllur), dhe në shfaqjen e një fushe elektrike vorbull (jo vetëm në përcjellës, por edhe në hapësirën përreth, në vakum).

Kjo fushë ka një strukturë krejtësisht të ndryshme nga fusha e krijuar nga ngarkesat. Meqenëse nuk krijohet nga ngarkesat, linjat e forcës nuk mund të fillojnë dhe të përfundojnë në ngarkesa, siç bëmë në elektrostatikë. Kjo fushë është një vorbull, linjat e saj të forcës janë të mbyllura.

Meqenëse kjo fushë lëviz ngarkesat, prandaj ka forcë. Le të prezantojmë

vektori i fuqisë së fushës elektrike të vorbullës E ". Forca me të cilën kjo fushë vepron mbi ngarkesën

F "= q E".

Por kur një ngarkesë lëviz në një fushë magnetike, ajo ndikohet nga forca e Lorencit

RRYMA INDUKTIVE është një rrymë elektrike që ndodh kur fluksi i induksionit magnetik ndryshon në një qark të mbyllur përçues. Ky fenomen quhet induksion elektromagnetik. Dëshironi të dini se në cilin drejtim është rryma e induksionit? Rosinductor është një portal informacioni tregtar ku do të gjeni informacione rreth aktuale.

Rregulli që përcakton drejtimin e rrymës së induksionit është si më poshtë: "Rryma e induksionit drejtohet në mënyrë që të kundërveprojë me fushën e saj magnetike ndryshimin e fluksit magnetik që e shkakton atë." Dora e djathtë është e kthyer me pëllëmbë drejt vijave magnetike të forcës, me gishtin e madh të drejtuar nga lëvizja e përcjellësit dhe katër gishtat tregojnë se në cilin drejtim do të rrjedhë rryma e induktuar. Duke lëvizur një përcjellës, ne lëvizim së bashku me përcjellësin të gjitha elektronet që përmbahen në të, dhe kur lëvizim ngarkesat elektrike në një fushë magnetike, një forcë do të veprojë mbi to sipas rregullit të dorës së majtë.

Drejtimi i rrymës së induksionit, si dhe madhësia e saj, përcaktohet nga rregulli i Lenz-it, i cili thotë se drejtimi i rrymës së induksionit gjithmonë dobëson efektin e faktorit që ngacmoi rrymën. Kur fluksi i fushës magnetike nëpër qark ndryshon, drejtimi i rrymës së induktuar do të jetë i tillë që të kompensojë këto ndryshime. Kur një fushë magnetike që ngacmon një rrymë në një qark krijohet në një qark tjetër, drejtimi i rrymës së induksionit varet nga natyra e ndryshimeve: kur rryma e jashtme rritet, rryma e induksionit ka drejtim të kundërt kur zvogëlohet; drejtuar në të njëjtin drejtim dhe tenton të rrisë rrjedhën.

Një spirale e rrymës së induksionit ka dy pole (veri dhe jug), të cilët përcaktohen në varësi të drejtimit të rrymës: linjat e induksionit dalin nga poli verior. Afrimi i një magneti në një spirale bën që një rrymë të shfaqet në një drejtim që zmbraps magnetin. Kur hiqet magneti, rryma në spirale ka një drejtim që favorizon tërheqjen e magnetit.

Rryma e induksionit ndodh në një qark të mbyllur të vendosur në një fushë magnetike alternative. Qarku mund të jetë ose i palëvizshëm (i vendosur në një fluks të ndryshueshëm të induksionit magnetik) ose i lëvizshëm (lëvizja e qarkut shkakton një ndryshim në fluksin magnetik). Shfaqja e një rryme induksioni shkakton një fushë elektrike vorbull, e cila ngacmohet nën ndikimin e një fushe magnetike.

Ju mund të mësoni se si të krijoni një rrymë të nxitur afatshkurtër nga një kurs i fizikës shkollore.

Ka disa mënyra për ta bërë këtë:

• - lëvizja e një magneti të përhershëm ose elektromagneti në lidhje me spiralen,
• - lëvizja e bërthamës në lidhje me elektromagnetin e futur në spirale,
• - mbyllja dhe hapja e qarkut,
• - rregullimi i rrymës në qark.

Ligji bazë i elektrodinamikës (ligji i Faradeit) thotë se forca e rrymës së induktuar për çdo qark është e barabartë me shpejtësinë e ndryshimit të fluksit magnetik që kalon nëpër qark, marrë me shenjën minus. Forca e rrymës së induksionit quhet forcë elektromotore.