Elektriksel ve manyetik olaylar yakından ilişkilidir. Ve eğer akım manyetizma yaratıyorsa, o zaman tam tersi bir olgunun da mevcut olması gerekir - mıknatıs hareket ettiğinde elektrik akımının ortaya çıkması. Bu, 1822'de laboratuvar günlüğüne şu girişi yapan İngiliz bilim adamı Michael Faraday'ın mantığıdır: "Manyetizmayı elektriğe dönüştürün."

Bu olaydan önce, akım taşıyan bir iletkenin etrafında manyetik bir alanın ortaya çıktığını keşfeden Danimarkalı fizikçi Hans Christian Oersted tarafından elektromanyetizma olgusunun keşfi geldi. Faraday uzun yıllar boyunca çeşitli deneyler yaptı ancak ilk deneyleri ona başarı getirmedi. Bunun temel nedeni, bilim adamının yalnızca alternatif bir manyetik alanın elektrik akımı oluşturabileceğini bilmemesiydi. Gerçek sonuca ancak 1831'de ulaşıldı.

Faraday'ın deneyleri

Resme tıklayın

29 Ağustos 1931'de gerçekleştirilen bir deneyde bilim adamı, demirin karşıt taraflarına tel bobinler sardı. ince halka. Bir kabloyu galvanometreye bağladı. İkinci telin aküye bağlandığı anda galvanometre iğnesi keskin bir şekilde saptı ve orijinal konumuna geri döndü. Pille temas açıldığında da aynı resim gözlendi. Bu, devrede bir elektrik akımının ortaya çıktığı anlamına geliyordu. Birinci telin dönüşlerinin oluşturduğu manyetik alan çizgilerinin ikinci telin dönüşlerinden geçerek içlerinde bir akım oluşturması sonucu ortaya çıkmıştır.

Faraday'ın deneyi

Birkaç hafta sonra kalıcı mıknatısla bir deney gerçekleştirildi. Faraday bir galvanometreyi bakır telden oluşan bir bobine bağladı. Daha sonra keskin bir hareketle silindirik bir manyetik çubuğu içeri itti. O anda galvanometrenin iğnesi de keskin bir şekilde sallandı. Çubuk bobinden çıkarıldığında ok da sallandı, ancak ters yönde. Ve bu, mıknatısın bobinden dışarı itildiği veya dışarı itildiği her seferde oluyordu. Yani, mıknatıs içinde hareket ettiğinde devrede akım ortaya çıktı. Faraday bu şekilde "manyetizmayı elektriğe dönüştürmeyi" başardı.

Faraday laboratuvarda

Bobindeki akım, içindeki kalıcı bir mıknatıs yerine bir akım kaynağına bağlı başka bir bobini hareket ettirdiğinizde de ortaya çıkar.

Tüm bu durumlarda olmuş bobin devresinden geçen manyetik akıda, kapalı bir devrede bir elektrik akımının ortaya çıkmasına neden olan bir değişiklik. Bu bir fenomen elektromanyetik indüksiyon ve akım indüklenen akım .

Kapalı bir devrede, bir elektromotor kuvvet (EMF) kullanılarak potansiyel farkla sürdürülen bir akımın var olduğu bilinmektedir. Sonuç olarak, devredeki manyetik akı değiştiğinde, içinde böyle bir EMF ortaya çıkar. Buna denir indüklenen emk .

Faraday yasası

Michael Faraday

Elektromanyetik indüksiyonun büyüklüğü, manyetik akının değişmesinin nedenine bağlı değildir - manyetik alanın kendisinin değişmesi veya devrenin içinde hareket etmesi. Devreden geçen manyetik akının değişim hızına bağlıdır.

Nerede ε – Kontur boyunca etki eden EMF;

FV – manyetik akı.

Alternatif bir manyetik alandaki bir bobinin EMF'sinin büyüklüğü, içindeki dönüş sayısından ve manyetik akının büyüklüğünden etkilenir. Bu durumda Faraday yasası şöyle görünür:

Nerede N – dönüş sayısı;

FV – bir dönüşten geçen manyetik akı;

Ψ – akı bağlantısı veya bobinin tüm dönüşleriyle birbirine kenetlenen toplam manyetik akı.

Ψ = N F Ben

F Ben – bir dönüşten geçen akış.

Zayıf bir mıknatıs bile, eğer bu mıknatısın hareket hızı yüksekse, büyük bir endüksiyon akımı oluşturabilir.

İçlerinden geçen manyetik akı değiştiğinde iletkenlerde indüklenen bir akım ortaya çıkacağından, sabit bir manyetik alanda hareket eden bir iletkende de indüklenen bir akım ortaya çıkacaktır. Bu durumda endüksiyon akımının yönü iletkenin hareket yönüne bağlıdır ve sağ el kuralına göre belirlenir: " Sağ elinizin ayasını manyetik alan çizgileri içine girecek şekilde konumlandırırsanız ve 90 0 bükülmüş başparmak iletkenin hareket yönünü gösterecektir, o zaman uzatılmış 4 parmak indüklenen akımın yönünü gösterecektir. EMF ve iletkendeki akımın yönü».

Lenz'in kuralı

Emily Khristianovich Lenz

İndüksiyon akımının yönü, böyle bir akımın meydana geldiği her durumda geçerli olan bir kuralla belirlenir. Bu kural Baltık kökenli bir Rus fizikçi tarafından formüle edildi. Emilius Khristianovich Lenz: “ Kapalı bir devrede ortaya çıkan indüklenen akım öyle bir yöne sahiptir ki yarattığı manyetik akı, bu akımın neden olduğu manyetik akıdaki değişime karşı koyar.

Bu sonucun bilim adamı tarafından deney sonuçlarına dayanarak yapıldığı belirtilmelidir. Lenz, bir ucuna sağlam bir alüminyum halkanın tutturulduğu serbestçe dönen bir alüminyum plakadan ve diğer ucunda çentikli bir halkadan oluşan bir cihaz yarattı.

Mıknatıs katı bir halkaya yaklaştırılırsa itiliyor ve "kaçmaya" başlıyordu.

Resme tıklayın

Mıknatıs uzaklaşırken yüzük de ona yetişmeye çalıştı.

Resme tıklayın

Kesilen halkada böyle bir şey gözlemlenmedi.

Lenz bunu, ilk durumda indüklenen akımın, indüksiyon hatlarının dış manyetik alanın indüksiyon hatlarına ters yönde yönlendirilen bir manyetik alan oluşturduğunu söyleyerek açıkladı. İkinci durumda, indüklenen akımın oluşturduğu manyetik alanın endüksiyon çizgileri, kalıcı mıknatıs alanının endüksiyon çizgileriyle aynı doğrultuda çakışır. Kesilmiş bir halkada endüksiyon akımı oluşmaz, dolayısıyla mıknatısla etkileşime giremez.

Lenz kuralına göre dış manyetik akı arttığında indüklenen akım öyle bir yöne sahip olacaktır ki yarattığı manyetik alan bu artışı önleyecektir. Dış manyetik akı azalırsa, indüklenen akımın manyetik alanı onu destekleyecek ve azalmasını önleyecektir.

Elektrik akımı jeneratörü

Alternatör

Faraday'ın elektromanyetik indüksiyonu keşfetmesi bu olgunun pratikte kullanılmasını mümkün kıldı.

Bobini bo ile döndürürseniz ne olur? sabit bir manyetik alanda daha fazla metal tel dönüşü olur mu? Bobin devresinden geçen manyetik akı sürekli değişecektir. Ve içinde bir elektromanyetik indüksiyon EMF'si ortaya çıkacak. Bu, böyle bir tasarımın elektrik akımı üretebileceği anlamına gelir. Alternatif akım jeneratörlerinin çalışması bu prensibe dayanmaktadır.

Jeneratör 2 parçadan oluşur: rotor ve stator. Rotor hareketli kısımdır. Düşük güçlü jeneratörlerde, kalıcı bir mıknatıs çoğunlukla döner. Güçlü jeneratörler kalıcı mıknatıs yerine elektromıknatıs kullanır. Dönen rotor, jeneratörün sabit kısmının - statorun oluklarında bulunan sargının dönüşlerinde bir elektrik endüksiyon akımı üreten değişen bir manyetik akı yaratır. Rotor bir motor tarafından tahrik edilir. Bu bir buhar motoru, bir su türbini vb. olabilir.

Trafo

Bu belki de elektrik mühendisliğinde elektrik akımını ve voltajı dönüştürmek için tasarlanmış en yaygın cihazdır. Transformatörler radyo mühendisliği ve elektronikte kullanılır. Onlar olmadan elektriğin uzak mesafelere iletilmesi imkansızdır.

En basit transformatör, ortak bir metal çekirdeğe sahip iki bobinden oluşur. Bobinlerden birine sağlanan alternatif akım, içinde çekirdek tarafından güçlendirilen alternatif bir manyetik alan yaratır. İkinci bobinin dönüşlerine nüfuz eden bu alanın manyetik akısı, içinde bir endüksiyon elektrik akımı yaratır. İndüklenen emk'nin büyüklüğü sarım sayısına bağlı olduğundan, bobinlerdeki oranları değiştirilerek akımın büyüklüğü de değiştirilebilir. Bu, örneğin elektriğin uzun mesafelere iletilmesi durumunda çok önemlidir. Sonuçta taşıma sırasında tellerin ısınması nedeniyle büyük kayıplar meydana geliyor. Bir transformatör kullanılarak akımın azaltılmasıyla bu kayıplar azaltılır. Ama aynı zamanda gerilim de artıyor. Son aşamada, düşürücü bir transformatör kullanılarak voltaj azaltılır ve akım artırılır. Elbette bu tür transformatörler çok daha karmaşıktır.

İndüklenmiş bir akım yaratmaya çalışan tek kişinin Faraday olmadığını söylemek gerekir. Benzer deneyler ünlü Amerikalı fizikçi Joseph Henry tarafından da yapıldı. Ve Faraday ile neredeyse aynı anda başarıya ulaşmayı başardı. Ancak Faraday, Henry'den önce keşfiyle ilgili bir mesaj yayınlayarak ondan öndeydi.

Elektromanyetik indüksiyon sonucu elektrik akımının ortaya çıkışının gözlemlendiği bazı basit deneyleri hatırlayalım.

Bu deneylerden biri Şekil 2'de gösterilmektedir. 253. Çok sayıda tel dönüşünden oluşan bir bobin hızlı bir şekilde mıknatısın üzerine konursa veya çekilirse (Şekil 253, a), içinde atışla tespit edilebilecek kısa süreli bir endüksiyon akımı ortaya çıkar. bobinin uçlarına bağlı bir galvanometrenin iğnesinin. Aynı şey, mıknatıs hızlı bir şekilde bobine itildiğinde veya bobinden çekildiğinde de olur (Şekil 253, b). Açıkçası, yalnızca bobinin göreceli hareketi ve manyetik alan önemlidir. Bu hareket durduğunda akım da durur.

Pirinç. 253. Bobin ve mıknatısın göreceli hareketi ile bobinde indüklenen bir akım ortaya çıkar: a) bobin mıknatısın üzerine yerleştirilir; b) mıknatıs bobinin içine doğru hareket eder

Şimdi bir indüksiyon akımının oluşma koşullarını daha genel bir biçimde formüle etmemizi sağlayacak birkaç ek deneyi ele alalım.

İlk deney dizisi: indüksiyon döngüsünün (bobin veya çerçeve) bulunduğu alanın manyetik indüksiyonunun değiştirilmesi.

Bobin, örneğin bir solenoidin içine (Şekil 254, a) veya bir elektromıknatısın kutupları arasına (Şekil 254, b) manyetik bir alana yerleştirilir. Bobini, dönüşlerinin düzlemi solenoidin veya elektromıknatısın manyetik alan çizgilerine dik olacak şekilde yerleştirelim. Sargıdaki akım gücünü hızlı bir şekilde değiştirerek (bir reostat kullanarak) veya basitçe akımı kapatıp açarak (bir anahtarla) alanın manyetik indüksiyonunu değiştireceğiz. Manyetik alandaki her değişiklikte galvanometrenin iğnesi keskin bir geri tepme sağlar; bu, bobin devresinde bir endüksiyon elektrik akımının oluştuğunu gösterir. Manyetik alan güçlendiğinde (veya göründüğünde), bir yönde bir akım ortaya çıkacak ve zayıfladığında (veya kaybolduğunda) ters yönde bir akım görünecektir. Şimdi aynı deneyi, bobini dönüşlerinin düzlemi manyetik alan çizgilerinin yönüne paralel olacak şekilde yerleştirerek gerçekleştirelim (Şekil 255). Deney olumsuz bir sonuç verecektir: Alanın manyetik indüksiyonunu nasıl değiştirirsek değiştirelim, bobin devresinde bir indüksiyon akımı tespit etmeyeceğiz.

Pirinç. 254. Dönüş düzlemi manyetik alan çizgilerine dik ise, manyetik indüksiyon değiştiğinde bobinde indüklenen bir akım ortaya çıkar: a) solenoid alanındaki bobin; b) bir elektromıknatıs alanındaki bir bobin. Anahtar kapatılıp açıldığında veya devredeki akım değiştiğinde manyetik indüksiyon değişir.

Pirinç. 255. Bobin dönüşlerinin düzlemi manyetik alan çizgilerine paralel ise endüksiyon akımı oluşmaz.

İkinci deney dizisi: Sabit bir manyetik alanda bulunan bir bobinin konumunun değiştirilmesi.

Bobini, manyetik alanın düzgün olduğu solenoidin içine yerleştirelim ve alanın yönüne dik bir eksen etrafında belirli bir açıyla hızla döndürelim (Şekil 256). Böyle bir dönüşte, bobine bağlı galvanometre, yönü bobinin başlangıç ​​konumuna ve dönüş yönüne bağlı olan bir indüklenen akımı tespit eder. Bobin tamamen 360° döndüğünde, indüksiyon akımının yönü iki kez değişir: bobin, düzleminin manyetik alanın yönüne dik olduğu bir konumdan geçtiğinde. Tabii ki, bobini çok hızlı döndürürseniz, indüklenen akım yönünü o kadar sık ​​​​değiştirecektir ki, geleneksel bir galvanometrenin iğnesinin bu değişiklikleri takip edecek zamanı olmayacak ve farklı, daha "itaatkar" bir cihaza ihtiyaç duyulacaktır.

Pirinç. 256. Bir bobin manyetik alanda döndüğünde, içinde indüklenen bir akım ortaya çıkar.

Bununla birlikte, bobin alanın yönüne göre dönmeyecek şekilde hareket ettirilirse ve yalnızca alan boyunca herhangi bir yönde, alan boyunca veya alan yönüne herhangi bir açıda kendisine paralel hareket ederse, o zaman indüklenmiş akım ortaya çıkmayacaktır. Bir kez daha vurgulayalım: Bobini hareket ettirme deneyi düzgün bir alanda (örneğin uzun bir solenoidin içinde veya Dünyanın manyetik alanında) gerçekleştirilir. Alan düzgün değilse (örneğin, bir mıknatısın veya elektromıknatısın kutbunun yakınında), o zaman bobinin herhangi bir hareketine, bir durum dışında, bir endüksiyon akımının ortaya çıkması eşlik edebilir: endüksiyon akımı Bobin, düzlemi her zaman alanın yönüne paralel kalacak şekilde hareket ederse (yani bobinden hiçbir manyetik alan çizgisi geçmezse) ortaya çıkar.

Üçüncü deney dizisi: sabit bir manyetik alanda bulunan bir devrenin alanının değiştirilmesi.

Benzer bir deney aşağıdaki şemaya göre yapılabilir (Şekil 257). Örneğin manyetik bir alanda, büyük bir elektromıknatısın kutupları arasına esnek telden yapılmış bir devre yerleştiririz. Konturun başlangıçta daire şeklinde olmasına izin verin (Şekil 257a). Elinizi hızlı bir şekilde hareket ettirerek konturu dar bir ilmek halinde sıkabilirsiniz, böylece kapladığı alanı önemli ölçüde azaltabilirsiniz (Şekil 257, b). Galvanometre bir endüksiyon akımının oluşumunu gösterecektir.

Pirinç. 257. Sabit bir manyetik alanda bulunan ve manyetik alan çizgilerine dik olarak yerleştirilen devresinin alanı değişirse (manyetik alan gözlemciden uzağa yönlendirilirse) bir bobinde indüklenen bir akım ortaya çıkar.

Şekil 2'de gösterilen şemaya göre kontur alanını değiştirerek bir deney yapmak daha da uygundur. 258. Bir manyetik alanda, yanlarından biri (Şekil 258'de) hareketli hale getirilmiş bir devre vardır. Galvanometre her hareket ettiğinde devrede bir endüksiyon akımının varlığını tespit eder. Ayrıca, sola doğru hareket ederken (artan alan), indüksiyon akımının bir yönü vardır ve sağa doğru hareket ederken (alan azalmaktadır) - ters yönde. Ancak bu durumda bile devrenin alanının değiştirilmesi, devrenin düzlemi manyetik alan yönüne paralel ise herhangi bir indüklenen akım üretmez.

Pirinç. 258. Çubuk hareket ettiğinde ve bunun sonucunda manyetik alanda bulunan devrenin alanı değiştiğinde devrede bir akım ortaya çıkar.

Açıklanan tüm deneyleri karşılaştırarak, indüklenen akımın ortaya çıkması için koşulları genel bir biçimde formüle edebiliriz. Ele alınan tüm durumlarda, manyetik alana yerleştirilmiş bir devremiz vardı ve devrenin düzlemi, manyetik indüksiyon yönüyle şu veya bu açıyı yapabiliyordu. Kontur tarafından sınırlanan alanı ile, alanın manyetik indüksiyonunu ve manyetik indüksiyonun yönü ile kontur düzlemi arasındaki açıyı ile gösterelim. Bu durumda, devre düzlemine dik manyetik indüksiyon bileşeni büyüklük olarak eşit olacaktır (Şekil 259).

Pirinç. 259. Manyetik indüksiyonun, indüksiyon döngüsünün düzlemine dik bir bileşene ve bu düzleme paralel bir bileşene ayrıştırılması

Ürüne manyetik indüksiyon akısı veya kısaca devreden geçen manyetik akı adını vereceğiz; Bu miktarı harfle göstereceğiz. Böylece,

. (138.1) bu kontur boyunca değişmeden kalır. Bu yüzden:

İletken bir devredeki manyetik akıda bir değişiklik olduğunda, bu devrede bir elektrik akımı ortaya çıkar.

Bu, doğanın en önemli yasalarından biridir - Faraday tarafından 1831'de keşfedilen elektromanyetik indüksiyon yasası.

138.1. Bobin I ve II iç içe yerleştirilmiştir (Şekil 260). İlk devre bir pil içerir, ikinci devre ise bir galvanometre içerir. Birinci bobinin içine veya dışına bir demir çubuk itilirse, galvanometre ikinci bobinde bir endüksiyon akımının meydana geldiğini tespit edecektir. Bu deneyimi açıklayın.

Pirinç. 260. Alıştırma 138.1 için

138.2. Tel çerçeve, manyetik indüksiyona paralel bir eksen etrafında düzgün bir manyetik alan içinde döner. İçinde indüklenmiş bir akım görünecek mi?

138.3. E mi? d.s. Hareket halindeyken bir arabanın çelik aksının uçlarında indüksiyon var mı? Araba hangi yönde hareket ediyor? d.s. en büyüğü ve hangi noktada en küçüğüdür? Buna bağlı mı? d.s. araba hızından kaynaklanan indüksiyon?

138.4. Araç şasisi iki aksıyla birlikte kapalı bir iletken devre oluşturur. Araba hareket ettiğinde akım indükleniyor mu? Bu sorunun cevabı Problem 138.3'ün sonuçlarıyla nasıl bağdaştırılabilir?

138.5. Neden yıldırım çarpması bazen darbe noktasından birkaç metre uzaktaki hassas elektrikli ölçüm cihazlarına zarar veriyor ve aydınlatma ağındaki sigortaları eritiyor?

Elektromanyetik indüksiyon sonucu elektrik akımının ortaya çıkışının gözlemlendiği bazı basit deneyleri hatırlayalım.

Bu deneylerden biri Şekil 2'de gösterilmektedir. 253. Çok sayıda tel dönüşünden oluşan bir bobin hızlı bir şekilde mıknatısın üzerine konursa veya çekilirse (Şekil 253, a), içinde atışla tespit edilebilecek kısa süreli bir endüksiyon akımı ortaya çıkar. bobinin uçlarına bağlı bir galvanometrenin iğnesinin. Aynı şey, mıknatıs hızlı bir şekilde bobine itildiğinde veya bobinden çekildiğinde de olur (Şekil 253, b). Açıkçası, yalnızca bobinin ve manyetik alanın göreceli hareketi önemlidir. Bu hareket durduğunda akım da durur.

Pirinç. 253. Bobin ve mıknatısın göreceli hareketi ile bobinde indüklenen bir akım ortaya çıkar: a) bobin mıknatısın üzerine yerleştirilir; b) mıknatıs bobinin içine doğru hareket eder

Şimdi bir indüksiyon akımının oluşma koşullarını daha genel bir biçimde formüle etmemizi sağlayacak birkaç ek deneyi ele alalım.

İlk deney dizisi: indüksiyon döngüsünün (bobin veya çerçeve) bulunduğu alanın manyetik indüksiyonunun değiştirilmesi.

Bobin, örneğin bir solenoidin içine (Şekil 254, a) veya bir elektromıknatısın kutupları arasına (Şekil 254, b) manyetik bir alana yerleştirilir. Bobini, dönüşlerinin düzlemi solenoidin veya elektromıknatısın manyetik alan çizgilerine dik olacak şekilde yerleştirelim. Sargıdaki akım gücünü hızlı bir şekilde değiştirerek (bir reostat kullanarak) veya basitçe akımı kapatıp açarak (bir anahtarla) alanın manyetik indüksiyonunu değiştireceğiz. Manyetik alandaki her değişiklikte galvanometrenin iğnesi keskin bir geri tepme sağlar; bu, bobin devresinde bir endüksiyon elektrik akımının oluştuğunu gösterir. Manyetik alan güçlendiğinde (veya göründüğünde), bir yönde bir akım ortaya çıkacak ve zayıfladığında (veya kaybolduğunda) ters yönde bir akım görünecektir. Şimdi aynı deneyi, bobini dönüşlerinin düzlemi manyetik alan çizgilerinin yönüne paralel olacak şekilde yerleştirerek gerçekleştirelim (Şekil 255). Deney olumsuz bir sonuç verecektir: Alanın manyetik indüksiyonunu nasıl değiştirirsek değiştirelim, bobin devresinde bir indüksiyon akımı tespit etmeyeceğiz.

Pirinç. 254. Dönüş düzlemi manyetik alan çizgilerine dik ise, manyetik indüksiyon değiştiğinde bobinde indüklenen bir akım ortaya çıkar: a) solenoid alanındaki bobin; b) bir elektromıknatıs alanındaki bir bobin. Anahtar kapatılıp açıldığında veya devredeki akım değiştiğinde manyetik indüksiyon değişir.

Pirinç. 255. Bobin dönüşlerinin düzlemi manyetik alan çizgilerine paralel ise endüksiyon akımı oluşmaz.

İkinci deney dizisi: Sabit bir manyetik alanda bulunan bir bobinin konumunun değiştirilmesi.

Bobini, manyetik alanın düzgün olduğu solenoidin içine yerleştirelim ve alanın yönüne dik bir eksen etrafında belirli bir açıyla hızla döndürelim (Şekil 256). Böyle bir dönüşte, bobine bağlı galvanometre, yönü bobinin başlangıç ​​konumuna ve dönüş yönüne bağlı olan bir indüklenen akımı tespit eder. Bobin tamamen 360° döndüğünde, indüksiyon akımının yönü iki kez değişir: bobin, düzleminin manyetik alanın yönüne dik olduğu bir konumdan geçtiğinde. Tabii ki, bobini çok hızlı döndürürseniz, indüklenen akım yönünü o kadar sık ​​​​değiştirecektir ki, geleneksel bir galvanometrenin iğnesinin bu değişiklikleri takip edecek zamanı olmayacak ve farklı, daha "itaatkar" bir cihaza ihtiyaç duyulacaktır.

Pirinç. 256. Bir bobin manyetik alanda döndüğünde, içinde indüklenen bir akım ortaya çıkar.

Bununla birlikte, bobin alanın yönüne göre dönmeyecek şekilde hareket ettirilirse ve yalnızca alan boyunca herhangi bir yönde, alan boyunca veya alan yönüne herhangi bir açıda kendisine paralel hareket ederse, o zaman indüklenmiş akım ortaya çıkmayacaktır. Bir kez daha vurgulayalım: Bobini hareket ettirme deneyi düzgün bir alanda (örneğin uzun bir solenoidin içinde veya Dünyanın manyetik alanında) gerçekleştirilir. Alan düzgün değilse (örneğin, bir mıknatısın veya elektromıknatısın kutbunun yakınında), o zaman bobinin herhangi bir hareketine, bir durum dışında, bir endüksiyon akımının ortaya çıkması eşlik edebilir: endüksiyon akımı Bobin, düzlemi her zaman alanın yönüne paralel kalacak şekilde hareket ederse (yani bobinden hiçbir manyetik alan çizgisi geçmezse) ortaya çıkar.

Üçüncü deney dizisi: sabit bir manyetik alanda bulunan bir devrenin alanının değiştirilmesi.

Benzer bir deney aşağıdaki şemaya göre yapılabilir (Şekil 257). Örneğin manyetik bir alanda, büyük bir elektromıknatısın kutupları arasına esnek telden yapılmış bir devre yerleştiririz. Konturun başlangıçta daire şeklinde olmasına izin verin (Şekil 257, a). Elinizi hızlı bir şekilde hareket ettirerek konturu dar bir ilmek halinde sıkabilirsiniz, böylece kapladığı alanı önemli ölçüde azaltabilirsiniz (Şekil 257, b). Galvanometre bir endüksiyon akımının oluşumunu gösterecektir.

Pirinç. 257. Sabit bir manyetik alanda bulunan ve manyetik alan çizgilerine dik olarak yerleştirilmiş devresinin alanı değişirse (manyetik alan gözlemciden uzağa yönlendirilirse) bobinde indüklenen bir akım ortaya çıkar.

Şekil 2'de gösterilen şemaya göre kontur alanını değiştirerek bir deney yapmak daha da uygundur. 258. Bir manyetik alanda, yanlarından biri (Şekil 258'de) hareketli hale getirilmiş bir devre vardır. Galvanometre her hareket ettiğinde devrede bir endüksiyon akımının varlığını tespit eder. Ayrıca, sola doğru hareket ederken (artan alan), indüksiyon akımının bir yönü vardır ve sağa doğru hareket ederken (alan azalmaktadır) - ters yönde. Ancak bu durumda bile devrenin alanının değiştirilmesi, devrenin düzlemi manyetik alan yönüne paralel ise herhangi bir indüklenen akım üretmez.

Pirinç. 258. Çubuk hareket ettiğinde ve bunun sonucunda manyetik alanda bulunan devrenin alanı değiştiğinde devrede bir akım ortaya çıkar.

Açıklanan tüm deneyleri karşılaştırarak, indüklenen akımın ortaya çıkması için koşulları genel bir biçimde formüle edebiliriz. Ele alınan tüm durumlarda, manyetik alana yerleştirilmiş bir devremiz vardı ve devrenin düzlemi, manyetik indüksiyon yönüyle şu veya bu açıyı yapabiliyordu. Kontur tarafından sınırlanan alanı ile, alanın manyetik indüksiyonunu ve manyetik indüksiyonun yönü ile kontur düzlemi arasındaki açıyı ile gösterelim. Bu durumda, devre düzlemine dik manyetik indüksiyon bileşeni büyüklük olarak eşit olacaktır (Şekil 259).

Pirinç. 259. Manyetik indüksiyonun, indüksiyon döngüsünün düzlemine dik bir bileşene ve bu düzleme paralel bir bileşene ayrıştırılması

Ürüne manyetik indüksiyon akısı veya kısaca devreden geçen manyetik akı adını vereceğiz; Bu miktarı harfle göstereceğiz. Böylece,

. (138.1)

İncelenen tüm durumlarda, istisnasız, manyetik akıyı şu veya bu şekilde değiştirdik. Bazı durumlarda bunu manyetik indüksiyonu değiştirerek yaptık (Şekil 254); diğer durumlarda açı değişti (Şekil 256); üçüncüsü ise alan (Şekil 257). Genel durumda elbette devredeki manyetik akıyı belirleyen tüm bu miktarları aynı anda değiştirmek mümkündür. Çok çeşitli indüksiyon deneylerinin dikkatli bir incelemesi, indüklenen akımın ancak ve ancak manyetik akı değiştiğinde meydana geldiğini gösterir; Belirli bir devredeki manyetik akı değişmeden kalırsa indüklenen akım asla oluşmaz. Bu yüzden:

İletken bir devredeki manyetik akıda bir değişiklik olduğunda, bu devrede bir elektrik akımı ortaya çıkar.

Bu, doğanın en önemli yasalarından biridir - Faraday tarafından 1831'de keşfedilen elektromanyetik indüksiyon yasası.

138.1. Bobin I ve II iç içe yerleştirilmiştir (Şekil 260). İlk devre bir pil içerir, ikinci devre ise bir galvanometre içerir. Birinci bobinin içine veya dışına bir demir çubuk itilirse, galvanometre ikinci bobinde bir endüksiyon akımının meydana geldiğini tespit edecektir. Bu deneyimi açıklayın.

Pirinç. 260. Alıştırma 138.1 için

138.2. Tel çerçeve, manyetik indüksiyona paralel bir eksen etrafında düzgün bir manyetik alan içinde döner. İçinde indüklenmiş bir akım görünecek mi?

138.3. E mi? d.s. Hareket halindeyken bir arabanın çelik aksının uçlarında indüksiyon var mı? Araba hangi yönde hareket ediyor? d.s. en büyüğü ve hangi noktada en küçüğüdür? Buna bağlı mı? d.s. araba hızından kaynaklanan indüksiyon?

138.4. Araç şasisi iki aksıyla birlikte kapalı bir iletken devre oluşturur. Araba hareket ettiğinde akım indükleniyor mu? Bu sorunun cevabı Problem 138.3'ün sonuçlarıyla nasıl bağdaştırılabilir?

138.5. Neden yıldırım çarpması bazen darbe noktasından birkaç metre uzaktaki hassas elektrikli ölçüm cihazlarına zarar veriyor ve aydınlatma ağındaki sigortaları eritiyor?

Konu 11. ELEKTROMANYETİK İNDÜKSİYON OLAYI.

11.1. Faraday'ın deneyleri. İndüksiyon akımı. Lenz'in kuralı. 11.2. İndüklenen emk'nin büyüklüğü.

11.3. İndüklenen emk'nin doğası.

11.4. Girdap elektrik alanı kuvveti vektörünün dolaşımı.

11.5. Betatron.

11.6. Toki Fuko.

11.7. Cilt etkisi.

11.1. Faraday'ın deneyleri. İndüksiyon akımı. Lenz'in kuralı.

İLE Manyetik alan ile akım arasındaki bağlantının (doğa yasalarının simetrisini doğrulayan) keşfedilmesinden bu yana, bu bağlantıyı elde etmek için çok sayıda girişimde bulunulmuştur. manyetik alan kullanarak akım. Sorun 1831'de Michael Faraday tarafından çözüldü. (Amerikalı Joseph Henry de keşfetti ancak sonuçlarını yayınlamaya zamanı olmadı. Ampere de keşfi üstlendi ancak sonuçlarını sunamadı).

Michael Faraday (1791 - 1867) - ünlü İngiliz fizikçi. Elektrik, manyetizma, manyetooptik, elektrokimya alanında araştırma. Bir elektrik motorunun laboratuvar modelini oluşturduk. Devreyi kapatıp açarken oluşan ekstra akımları keşfettim ve yönlerini belirledim. Elektroliz yasalarını keşfetti, alan ve dielektrik sabiti kavramlarını ilk ortaya atan kişi oldu ve 1845'te "manyetik alan" terimini kullandı.

M. Faraday, diğer şeylerin yanı sıra dia ve paramanyetizma olaylarını keşfetti. Manyetik alandaki tüm malzemelerin farklı davrandığını buldu: alan boyunca (buhar ve ferromıknatıslar) veya manyetik alan boyunca yönlendirilmişlerdir.

alanlar diyamanyetiktir.

Faraday'ın deneyleri okuldaki fizik dersinden iyi bilinmektedir: bir bobin ve kalıcı bir mıknatıs (Şekil 11.1).

Pirinç. 11.1 Şek. 11.2

Bir mıknatısı bobine yaklaştırdığınızda veya tam tersi durumda bobinde bir elektrik akımı oluşacaktır. Yakın aralıklı iki bobin için de aynı şey geçerlidir: Bobinlerden birine alternatif bir akım kaynağı bağlanırsa, diğerinde de alternatif akım görünecektir.

(Şekil 11.2), ancak bu etki en iyi şekilde iki bobin bir çekirdeğe bağlandığında ortaya çıkar (Şekil 11.3).

Faraday'ın tanımına göre bu deneylerin ortak noktası şudur: Eğer akış

Kapalı iletken devreye giren indüksiyon vektörü değiştikçe devrede bir elektrik akımı ortaya çıkar.

Bu fenomene denir elektromanyetik indüksiyon olgusu ve akım indüksiyondur . Üstelik olay, manyetik indüksiyon vektörünün akısını değiştirme yönteminden tamamen bağımsızdır.

Böylece, hareketli yüklerin (akım) bir manyetik alan oluşturduğu ve hareketli bir manyetik alanın (girdap) bir elektrik alanı ve aslında indüklenmiş bir akım oluşturduğu ortaya çıktı.

Faraday, her özel durum için indüksiyon akımının yönünü belirtti. 1833'te Lenz bir general kurdu. Akımın yönünü bulma kuralı:

indüklenen akım her zaman bu akımın manyetik alanı indüklenen akıma neden olan manyetik akıdaki değişikliği önleyecek şekilde yönlendirilir. Bu ifadeye Lenz kuralı denir.

Tüm uzayın homojen bir mıknatısla doldurulması, diğer koşullar eşit olmak üzere, indüksiyonun µ kat artmasına neden olur. Bu gerçek şunu doğruluyor

indüklenen akım, yoğunluk vektörü H'nin akışından değil, manyetik indüksiyon vektörü B'nin akışındaki bir değişiklikten kaynaklanır.

11.2. İndüklenen emk'nin büyüklüğü.

Bir devrede akım oluşturmak için bir elektromotor kuvvetin mevcut olması gerekir. Bu nedenle, elektromanyetik indüksiyon olgusu, devredeki manyetik akı değiştiğinde, E i'nin elektromotor indüksiyon kuvvetinin ortaya çıktığını gösterir. Bizim

görev, enerjinin korunumu yasalarını kullanarak E i değerini bulun ve bulun

Devrenin 1 - 2 numaralı hareketli bölümünün manyetik alanda akımla hareketini düşünelim

B (Şekil 11.4).

Öncelikle B manyetik alanının olmadığını varsayalım. EMF'ye eşit bir pil 0 oluşturur

mevcut ben 0 . Dt süresi boyunca pil çalışır

dA = E I0 dt(11.2.1)

– bu iş Joule-Lenz yasasına göre bulunabilecek ısıya dönüşecektir:

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

burada I 0 = E R 0, R tüm devrenin toplam direncidir.

Devreyi B indüksiyonlu düzgün bir manyetik alana yerleştirelim. ÇizgilerB ||n ve gimlet kuralına göre akımın yönü ile ilişkilidir. Devreyle ilişkili FluxF pozitiftir.r

Her kontur elemanı bir mekanik kuvvet d F'ye maruz kalır. Çerçevenin hareketli tarafı F 0 kuvvetine maruz kalacaktır. Bu kuvvetin etkisi altında bölüm 1 – 2

υ = dx dt hızıyla hareket edecektir. Bu durumda manyetik akı da değişecektir.

indüksiyon.

Daha sonra elektromanyetik indüksiyonun bir sonucu olarak devredeki akım değişecek ve

sonuçlanan). Bu kuvvet dt zamanında dA işini üretecektir: dA = Fdx = IdФ.

Çerçevenin tüm elemanlarının sabit olduğu durumda işin kaynağı E 0'dır.

Sabit bir devre ile bu çalışma yalnızca ısının salınmasına indirgendi. Bizim durumumuzda ısı da açığa çıkacak, ancak akım değiştiği için farklı bir miktarda. Ayrıca mekanik işler de yapılmaktadır. dt zamanında yapılan toplam iş şuna eşittir:

Ortaya çıkan ifadeyi, E 0 kaynağına ek olarak, E i'nin aşağıdakilere eşit olduğu bir devre için Ohm yasası olarak değerlendirme hakkına sahibiz:

Bu devreden geçen indüksiyon.

Bir devrenin indüklenen emk'si için bu ifade, manyetik indüksiyon akısını değiştirme yönteminden bağımsız olarak tamamen evrenseldir ve denir.

Faraday yasası.

İmza (-) – matematiksel ifade Lenz'in indüksiyon akımının yönüne ilişkin kuralları: indüklenen akım her zaman alanı öyle yönlendirilir ki

Başlangıçtaki manyetik alandaki değişime karşı koyun.

İndüksiyon akımının yönü ve d dt Ф yönü ilişkilidir burgu kuralı(Şekil 11.5).

İndüklenen emk'nin boyutu: [ E i ] =[ Ф ] =B c =B .t c

Devre birkaç dönüşten oluşuyorsa, o zaman konsepti kullanmalıyız

akı bağlantısı (toplam manyetik akı):

Ψ = Ф·N,

burada N, dönüş sayısıdır. Yani eğer

11.3. İndüklenen emk'nin doğası.

Şu soruyu cevaplayalım: Yüklerin hareketinin nedeni nedir, indüksiyon akımının ortaya çıkmasının nedeni nedir? Şekil 11.6'yı düşünün.

1) Bir iletkeni tekdüze bir manyetik alan B'de hareket ettirirseniz, Lorentz kuvvetinin etkisi altında elektronlar aşağı doğru sapacak ve pozitif yükler yukarı doğru sapacaktır - potansiyel bir fark ortaya çıkar. Bu etki altındaki E i taraflı kuvvet olacaktır.

hangi akımın aktığı. Bildiğimiz gibi pozitif yükler için

F, = q +; elektronlar için F l = –e - .

2) İletken sabitse ve manyetik alan değişiyorsa, bu durumda indüklenen akımı hangi kuvvet harekete geçirir? Sıradan bir transformatör alalım (Şekil 11.7).

Birincil sargının devresini kapattığımız anda ikincil sargıda hemen bir akım belirir. Ancak Lorentz kuvvetinin bununla hiçbir ilgisi yok, çünkü hareketli yüklere etki ediyor ve başlangıçta hareketsizdiler (termal hareket halindeydiler - kaotik, ama burada yönlendirilmiş harekete ihtiyacımız var).

Cevap 1860 yılında J. Maxwell tarafından verildi: Herhangi bir alternatif manyetik alan, çevredeki alanda bir elektrik alanını (E") harekete geçirir.İletkende endüksiyon akımının oluşmasının nedeni budur. Yani, E" yalnızca alternatif bir manyetik alanın varlığında meydana gelir (transformatör doğru akımda çalışmaz).

Elektromanyetik indüksiyon olgusunun özü hiç indüksiyon akımı görünümünde değil (akım, yükler olduğunda ve devre kapalıyken ortaya çıkar), ve bir girdap elektrik alanının ortaya çıkmasında (yalnızca iletkende değil, aynı zamanda çevredeki boşlukta da).

Bu alan yüklerin oluşturduğu alandan tamamen farklı bir yapıya sahiptir. Yükler tarafından oluşturulmadığından kuvvet çizgileri elektrostatikte yaptığımız gibi yüklerle başlayıp bitemez. Bu alan bir girdaptır, kuvvet çizgileri kapalıdır.

Bu alan yükleri hareket ettirdiğinden dolayı kuvveti vardır. Hadi tanıştıralım

girdap elektrik alanı kuvvetinin vektörü E ". Bu alanın yüke etki ettiği kuvvet

F "= q E ".

Ancak bir yük manyetik alanda hareket ettiğinde Lorentz kuvveti ona etki eder.

İNDÜKSİYON AKIMI, kapalı bir iletken devrede manyetik indüksiyon akısı değiştiğinde ortaya çıkan bir elektrik akımıdır. Bu olaya elektromanyetik indüksiyon denir. İndüksiyon akımının hangi yönde olduğunu bilmek ister misiniz? Rosinductor, güncel bilgiler bulabileceğiniz bir ticari bilgi portalıdır.

İndüksiyon akımının yönünü belirleyen kural şu ​​şekildedir: “İndüksiyon akımı, kendisine neden olan manyetik akıdaki değişime kendi manyetik alanıyla karşı koyacak şekilde yönlendirilir.” Sağ el, avuç içi manyetik kuvvet çizgilerine doğru döndürülür, başparmak iletkenin hareketine doğru yönlendirilir ve dört parmak, indüklenen akımın hangi yönde akacağını gösterir. Bir iletkeni hareket ettirerek, içindeki tüm elektronları iletkenle birlikte hareket ettiririz ve elektrik yüklerini manyetik bir alanda hareket ettirirken, onlara sol el kuralına göre bir kuvvet etki edecektir.

İndüksiyon akımının yönü ve büyüklüğü, indüksiyon akımının yönünün her zaman akımı uyaran faktörün etkisini zayıflattığını belirten Lenz kuralı ile belirlenir. Devredeki manyetik alan akışı değiştiğinde, indüklenen akımın yönü bu değişiklikleri telafi edecek şekilde olacaktır. Bir devrede bir akımı tetikleyen bir manyetik alan başka bir devrede oluşturulduğunda, endüksiyon akımının yönü değişikliklerin niteliğine bağlıdır: dış akım arttığında, endüksiyon akımı azaldığında ters yöne sahiptir; Aynı yöne yönlendirilir ve akışı artırma eğilimindedir.

Bir endüksiyon akımı bobininin, akımın yönüne bağlı olarak belirlenen iki kutbu (kuzey ve güney) vardır: endüksiyon hatları kuzey kutbundan çıkar. Bir mıknatısın bobine yaklaşması, mıknatısı itecek yönde bir akımın ortaya çıkmasına neden olur. Mıknatıs çıkarıldığında, bobindeki akım mıknatısın çekimini destekleyen bir yöne sahip olur.

İndüksiyon akımı, alternatif bir manyetik alanda bulunan kapalı bir devrede meydana gelir. Devre sabit (değişen bir manyetik indüksiyon akışına yerleştirilmiş) veya hareketli (devrenin hareketi manyetik akıda bir değişikliğe neden olur) olabilir. Bir indüksiyon akımının oluşması, manyetik alanın etkisi altında uyarılan bir girdap elektrik alanına neden olur.

Kısa süreli indüklenmiş akımın nasıl oluşturulacağını okuldaki fizik dersinden öğrenebilirsiniz.

Bunu yapmanın birkaç yolu vardır:

• - kalıcı bir mıknatısın veya elektromıknatısın bobine göre hareketi,
• - çekirdeğin bobine yerleştirilen elektromıknatısa göre hareketi,
• - devrenin kapatılması ve açılması,
• - devredeki akımın düzenlenmesi.

Elektrodinamiğin temel yasası (Faraday yasası), herhangi bir devre için indüklenen akımın gücünün, devreden geçen manyetik akının eksi işaretiyle alınan değişim hızına eşit olduğunu belirtir. İndüksiyon akımının gücüne elektromotor kuvvet denir.