Индукционный ток во вращающемся контуре

Глава 23. Закон электромагнитной индукции

Если в магнитном поле находится замкнутый проводящий контур, не содержащий источников тока, то при изменении магнитного поля в контуре возникает электрический ток. Это явление называется электромагнитной индукцией. Появление тока свидетельствует о возникновении в контуре электрического поля, которое может обеспечить замкнутое движение электрических зарядов или, другими словами, о возникновении ЭДС. Электрическое поле, которое возникает при изменении поля магнитного и работа которого при перемещении зарядов по замкнутому контуру не равна нулю, имеет замкнутые силовые линии и называется вихревым.

Для количественного описания электромагнитной индукции вводится понятие магнитного потока (или потока вектора магнитной индукции) через замкнутый контур. Для плоского контура, расположенного в однородном магнитном поле (а только такие ситуации и могут встретиться школьникам на едином государственном экзамене), магнитный поток определяется как

где — индукция поля, — площадь контура, — угол между вектором индукции и нормалью (перпендикуляром) к плоскости контура (см. рисунок; перпендикуляр к плоскости контура показан пунктиром). Единицей магнитного потока в международной системе единиц измерений СИ является Вебер (Вб), который определяется как магнитный поток через контур площади 1 м 2 однородного магнитного поля с индукцией 1 Тл, перпендикулярной плоскости контура.

Величина ЭДС индукции , возникающая в контуре при изменении магнитного потока через этот контур, равна скорости изменения магнитного потока

Здесь — изменение магнитного потока через контур за малый интервал времени . Важным свойством закона электромагнитной индукции (23.2) является его универсальность по отношению к причинам изменения магнитного потока: магнитный поток через контур может меняться из-за изменения индукции магнитного поля, изменения площади контура или изменения угла между вектором индукции и нормалью, что происходит при вращении контура в поле. Во всех этих случаях по закону (23.2) в контуре будет возникать ЭДС индукции и индукционный ток.

Знак минус в формуле (23.2) «отвечает» за направление тока, возникающего в результате электромагнитной индукции (правило Ленца). Однако понять на языке закона (23.2), к какому направлению индукционного тока приведет этот знак при том или ином изменении магнитного потока через контур, не так-то просто. Но достаточно легко запомнить результат: индукционный ток будет направлен таким образом, что созданное им магнитное поле будет «стремиться» компенсировать то изменение внешнего магнитного поля, которое этот ток и породило. Например, при увеличении потока внешнего магнитного поля через контур в нем возникнет индукционный ток, магнитное поле которого будет направлено противоположно внешнему магнитному полю так, чтобы уменьшить внешнее поле и сохранить, таким образом, первоначальную величину магнитного поля. При уменьшении потока поля через контур поле индукционного тока будет направлено так же, как и внешнее магнитное поле.

Если в контуре с током ток в силу каких-то причин изменяется, то изменяется и магнитный поток через контур того магнитного поля, которое создано самим этим током. Тогда по закону (23.2) в контуре должна возникать ЭДС индукции. Явление возникновения ЭДС индукции в некоторой электрической цепи в результате изменения тока в самой этой цепи называется самоиндукцией. Для нахождения ЭДС самоиндукции в некоторой электрической цепи необходимо вычислить поток магнитного поля, создаваемого этой цепью через нее саму. Такое вычисление представляет собой сложную проблему из-за неоднородности магнитного поля. Однако одно свойство этого потока является очевидным. Поскольку магнитное поле, создаваемого током в цепи, пропорционально величине тока, то и магнитный поток собственного поля через цепь пропорционален току в этой цепи

где — сила тока в цепи, — коэффициент пропорциональности, который характеризует «геометрию» цепи, но не зависит от тока в ней и называется индуктивностью этой цепи. Единицей индуктивности в международной системе единиц СИ является Генри (Гн). 1 Гн определяется как индуктивность такого контура, поток индукции собственного магнитного поля через который равен 1 Вб при силе тока в нем 1 А. С учетом определения индуктивности (23.3) из закона электромагнитной индукции (23.2) получаем для ЭДС самоиндукции

Благодаря явлению самоиндукции ток в любой электрической цепи обладает определенной «инерционностью» и, следовательно, энергией. Действительно, для создания тока в контуре необходимо совершить работу по преодолению ЭДС самоиндукции. Энергия контура с током и равна этой работе. Необходимо запомнить формулу для энергии контура с током

где — индуктивность контура, — сила тока в нем.

Явление электромагнитной индукции широко применяется в технике. На нем основано создание электрического тока в электрических генераторах и электростанциях. Благодаря закону электромагнитной индукции происходит преобразование механических колебаний в электрические в микрофонах. На основе закона электромагнитной индукции работает, в частности, электрическая цепь, которая называется колебательным контуром (см. следующую главу), и которая является основой любой радиопередающей или радиопринимающей техники.

Рассмотрим теперь задачи.

Из перечисленных в задаче 23.1.1 явлений только одно есть следствие закона электромагнитной индукции — появление тока в кольце при проведении сквозь него постоянного магнита (ответ 3). Все остальное — результат магнитного взаимодействия токов.

Как указывалось во введении к настоящей главе, явление электромагнитной индукции лежит в основе работы генератора переменного тока (задача 23.1.2), т.е. прибора, создающего переменный ток, заданной частоты (ответ 2).

Индукция магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом, уменьшается с увеличением расстояния до него. Поэтому при приближении магнита к кольцу (задача 23.1.3) поток индукции магнитного поля магнита через кольцо изменяется, и в кольце возникает индукционный ток. Очевидно, это будет происходить при приближении магнита к кольцу и северным, и южным полюсом. А вот направление индукционного тока в этих случаях будет различным. Это связано с тем, что при приближении магнита к кольцу разными полюсами, поле в плоскости кольца в одном случае будет направлено противоположно полю в другом. Поэтому для компенсации этих изменений внешнего поля магнитное поле индукционного тока должно быть в этих случаях направлено по-разному. Поэтому и направления индукционных токов в кольце будут противоположными (ответ 4).

Для возникновения ЭДС индукции в кольце необходимо, чтобы менялся магнитный поток через кольцо. А поскольку магнитная индукция поля магнита зависит от расстояния до него, то в рассматриваемом в задаче 23.1.4 случае поток через кольцо будет меняться, в кольце возникнет индукционный ток (ответ 1).

При вращении рамки 1 (задача 23.1.5) угол между линиями магнитной индукции (а, значит, и вектором индукции) и плоскостью рамки в любой момент времени равен нулю. Следовательно, магнитный поток через рамку 1 не изменяется (см. формулу (23.1)), и индукционный ток в ней не возникает. В рамке 2 индукционный ток возникнет: в положении показанном на рисунке, магнитный поток через нее равен нулю, когда рамка повернется на четверть оборота — будет равен , где — индукция, — площадь рамки. Еще через четверть оборота поток снова будет равен нулю и т.д. Поэтому поток магнитной индукции через рамку 2 изменяется в процессе ее вращения, следовательно, в ней возникает индукционный ток (ответ 2).

В задаче 23.1.6 индукционный ток возникает только в случае 2 (ответ 2). Действительно, в случае 1 рамка при движении остается на одном и том же расстоянии от проводника, и, следовательно, магнитное поле, созданное этим проводником в плоскости рамки, не изменяется. При удалении рамки от проводника магнитная индукция поля проводника в области рамки изменяется, меняется магнитный поток через рамку, и возникает индукционный ток

В законе электромагнитной индукции утверждается, что индукционный ток в кольце будет течь в такие моменты времени, когда изменяется магнитный поток через это кольцо. Поэтому пока магнит покоится около кольца (задача 23.1.7) индукционный ток в кольце течь не будет. Поэтому правильный ответ в этой задаче — 2.

Согласно закону электромагнитной индукции (23.2) ЭДС индукции в рамке определяется скоростью изменения магнитного потока через нее. А поскольку по условию задачи 23.1.8 индукция магнитного поля в области рамки изменяется равномерно, скорость ее изменения постоянна, величина ЭДС индукции не изменяется в процессе проведения опыта (ответ 3).

В задаче 23.1.9 ЭДС индукции, возникающая в рамке во втором случае, вчетверо больше ЭДС индукции, возникающей в первом (ответ 4). Это связано с четырехкратным увеличением площади рамки и, соответственно, магнитного потока через нее во втором случае.

В задаче 23.1.10 во втором случае в два раза увеличивается скорость изменения магнитного потока (индукция поля меняется на ту же величину, но за вдвое меньшее время). Поэтому ЭДС электромагнитной индукции, возникающая в рамке во втором случае, в два раза больше, чем в первом (ответ 1).

При увеличении тока в замкнутом проводнике в два раза (задача 23.2.1), величина индукции магнитного поля возрастет в каждой точке пространства в два раза, не изменившись по направлению. Поэтому ровно в два раза изменится магнитный поток через любую малую площадку и, соответственно, и весь проводник (ответ 1). А вот отношение магнитного потока через проводник к току в этом проводнике, которое и представляет собой индуктивность проводника , при этом не изменится (задача 23.2.2 — ответ 3).

Используя формулу (23.3) находим в задаче 32.2.3 Гн (ответ 4).

Связь между единицами измерений магнитного потока, магнитной индукции и индуктивности (задача 23.2.4) следует из определения индуктивности (23.3): единица магнитного потока (Вб) равна произведению единицы тока (А) на единицу индуктивности (Гн) — ответ 3.

Согласно формуле (23.5) при двукратном увеличении индуктивности катушки и двукратном уменьшении тока в ней (задача 23.2.5) энергия магнитного поля катушки уменьшится в 2 раза (ответ 2).

Когда рамка вращается в однородном магнитном поле, магнитный поток через рамку меняется из-за изменения угла между перпендикуляром к плоскости рамки и вектором индукции магнитного поля. А поскольку и в первом и втором случае в задаче 23.2.6 этот угол меняется по одному и тому же закону (по условию частота вращения рамок одинакова), то ЭДС индукции меняются по одному и тому же закону, и, следовательно, отношение амплитудных значений ЭДС индукции в рамках равно единице (ответ 2).

Магнитное поле, создаваемое проводником с током в области рамки (задача 23.2.7), направлено «от нас» (см. решение задач главы 22). Величина индукции поля провода в области рамки при ее удалении от провода будет уменьшаться. Поэтому индукционный ток в рамке должен создать магнитное поле, направленное внутри рамки «от нас». Используя теперь правило буравчика для нахождения направления магнитной индукции, заключаем, что индукционный ток в рамке будет направлен по часовой стрелке (ответ 1).

При увеличении тока в проводе будет возрастать созданное им магнитное поле и в рамке возникнет индукционный ток (задача 23.2.8). В результате возникнет взаимодействие индукционного тока в рамке и тока в проводнике. Чтобы найти направление этого взаимодействия (притяжение или отталкивание) можно найти направление индукционного тока, а затем по формуле Ампера силу взаимодействия рамки с проводом. Но можно поступить и по-другому, используя правило Ленца. Все индукционные явления должны иметь такое направление, чтобы компенсировать вызывающую их причину. А поскольку причина — увеличение тока в рамке, сила взаимодействия индукционного тока и провода должна стремиться уменьшить магнитный поток поля провода через рамку. А поскольку магнитная индукция поля провода убывает с увеличением расстояния до него, то эта сила будет отталкивать рамку от провода (ответ 2). Если бы ток в проводе убывал, то рамка притягивалась бы к проводу.

Задача 23.2.9 также связана с направлением индукционных явлений и правилом Ленца. При приближении магнита к проводящему кольцу в нем возникнет индукционный ток, причем направление его будет таким, чтобы компенсировать вызывающую его причину. А поскольку эта причина — приближение магнита, кольцо будет отталкиваться от него (ответ 2). Если магнит отодвигать от кольца, то по тем же причинам возникло бы притяжение кольца к магниту.

Задача 23.2.10 — единственная вычислительная задача в этой главе. Для нахождения ЭДС индукции нужно найти изменение магнитного потока через контур . Это можно сделать так. Пусть в некоторый момент времени перемычка находилась в положении, показанном на рисунке, и пусть прошел малый интервал времени . За этот интервал времени перемычка переместится на величину . Это приведет к увеличению площади контура на величину . Поэтому изменение магнитного потока через контур будет равно , а величина ЭДС индукции (ответ 4).

Источник

Индукционный ток во вращающемся контуре

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ

§1 Явление электромагнитной индукции.

Закон Фарадея

1. Опыты Фарадея

а) В соленоид, замкнутый на гальванометр, вдвигается и выдвигается постоянный магнит. На гальванометре будет отклонение стрелки, и оно будет тем больше, чем быстрее происходит вдвижение и выдвижение. При изменении полюсов магнита направление отклонения стрелки изменится.

б) В соленоид, замкнутый на гальванометр, вставлена катушка (другой соленоид), через которую пропускается ток. При включении и выключении (т.е. при любом изменении тока) происходит отклонение стрелки гальванометра. Направление отклонения изменяется при включении – выключении, уменьшении – увеличении тока, вдвигании – выдвигании катушек.

Явление электромагнитной индукции заключается в том, что в замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции, охватываемого этим контуром, возникает индукционный (наведенный) электрический ток.

Возникновение индукционного тока означает, что в контуре действует электродвижущая сила ? _i – ЭДС индукции.

В 1834 г. Э.Х. Ленц установил закон, позволяющий определить направление индукционного тока.

Правило Ленца : индукционный ток в контуре всегда имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот индукционный ток.

Знак минус в законе Фарадея является математическим выражением правила Ленца.

Если контур, в котором индуцируется ЭДС, состоит не из одного витка, а из N витков (например, соленоид), то если витки соединены последовательно, ? _i будет равна сумме ЭДС, индуцируемых в каждом из витков в отдельности:

— потокосцепление или полный магнитный поток.

Т.к. Ф _B = BScosα , то для того чтобы изменить магнитный поток Ф можно изменить:

1) магнитное поле ;

§2 Вращение рамки в магнитном поле

Явление электромагнитной индукции используется для преобразования механической энергии и энергии электрического тока в генераторах.

Рамка площадью S вращается в однородном магнитном поле ( ) равномерно с постоянной угловой скоростью ω.

Т.к. частота сети , то для увеличения нужно увеличивать В и S . В можно увеличить, применяя мощные постоянные магниты, или в электромагнитах пропускать большие токи. Сердечник электромагнита выбирают с большим µ. Для увеличения S используют многовитковые обмотки.

Если через рамку, помещенную в магнитном поле, пропускать электрический ток, то на нее будет действовать вращающий момент

и рамка начнет вращаться. На этом принципе основана работа электродвигателей, предназначенных для превращения электрической энергии в механическую.

§3 Токи Фуко.

Индукционные токи могут возбуждаться и в сплошных массивных проводниках. В этом случае их называют токами Фуко или вихревыми токами. Электрическое сопротивление массивного проводника мало, поэтому токи Фуко могут достигать очень большой силы.

Токи Фуко, как и индукционные токи в линейных проводниках, подчиняются правилу Ленца: их магнитное поле направлено так, чтобы противодействовать изменению магнитного поля, индуцирующего вихревые токи. Поэтому движущиеся в сильном магнитном поле хорошие проводники испытывают сильное торможение, обусловленное взаимодействием токов Фуко с магнитным полем. Это используют для демпфирования (успокоения) подвижных частей гальванометров, сейсмографов и т.п. Тепловое действие токов Фуко используется в индукционных плавильных печах.

Для уменьшения токов Фуко сердечники трансформаторов делают из отдельных пластин и пластины перпендикулярны токам Фуко.

Вследствие возникновения вихревых токов быстропеременный ток неравномерно распределен по сечению провода — он вытесняется на поверхность проводника — скин-эффект. Поэтому на высоких частотах используют полые провода.

§4 Индуктивность контура.

Самоиндукция

В любом случае, когда по контуру протекает электрический ток, создается магнитное поле. При этом всегда имеется магнитный поток Ф, проходящий через поверхность, ограниченную рассматриваемым контуром. Любое изменение силы тока в контуре приводит к изменению магнитного поля, сцепленного с контуром, а это в свою очередь вызывает появление индукционного тока. Это явление получило название явления самоиндукции: возникновение Э ДС индукции в проводнике при изменении в нем тока.

Из закона Био-Савара-Лапласа следует

т.е. магнитный поток, сцепленный с контуром, пропорционален току I в контуре

[ L ] = Гн (Генри). 1 Гн — индуктивность такого контура, магнитный поток самоиндукции которого при токе 1 А равен 1 Вб .

Рассчитаем индуктивность L соленоида:

магнитная индукция В соленоида

т.е. индуктивность зависит от геометрических размеров соленоида ( ), числа витков и магнитной проницаемости сердечника соленоида. Поэтому можно сказать, что индуктивность L аналог емкости С уединенного проводника, которая также зависит от геометрических размеров, от формы и диэлектрической проницаемости среды.

Применяя к явлению самоиндукции закон Фарадея, получим, что Э ДС самоиндукции

где знак минус, обусловленный правилом Ленца, показывает, что наличие индуктивности в контуре приводит к замедлению изменения тока в нем. Если ток со временем возрастает, то , и т.е. ток самоиндукции направлен навстречу току, обусловленному внешним источником и тормозит его возрастание. Если ток со временем убывает, то и т.е. индукционный ток имеет такое же направление, как и убывающий ток в контуре, и замедляет его убывание. Следовательно, контур, обладающий индуктивностью, имеет электрическую инертность, заключающуюся в том, что любое изменение тока тормозится, тем сильнее, чем больше индуктивность контура.

Источник

Электромагнитная индукция — причины возникновения, значение и способы применения явления

При изменении тока в электрической цепи возникает магнитное поле. Причиной этого является электромагнитная индукция. Это явление широко применяется на практике.

В статье рассказывается о том, что это такое, и каковы его основные закономерности.

Явление электромагнитной индукции

При изменении тока происходит образование магнитного поля. Это явление, в свою очередь, влияет на движение электронов.

Если рассматривать одиночный провод, расположенный прямо, то он будет создавать поле, направление силовых линий которого идёт по кругу в перпендикулярной ему плоскости.

Если в магнитном поле происходят изменения, то это увеличивает или ослабляет силу тока, который проходит по проводнику. Направление изменения зависит от того, как меняется поле. Это явление позволяет преобразовывать электрическую энергию в механическую или наоборот.

Учёный, которому принадлежит заслуга открытия взаимодействия электрического и магнитного полей — Майкл Фарадей.

Были проведены опыты, которые показали, что изменение магнитного поля способно порождать движение электронов. Это явление впоследствии назвали индукционным током.

Опыты, выполненные этим учёным, выглядят следующим образом:

Фарадей сделал катушку с полой серединой. Её концы соединил с гальванометром. Взял в руки магнит и поместил его внутрь катушки. Если его вдвигать или выдвигать, то на гальванометре отклоняется стрелка, доказывая наличие тока. Чем быстрее выполняемое движение, тем выше его сила. Аналогичный эффект будет достигнут, если магнит будет неподвижен, но будет перемещаться соленоид.

В следующем опыте были использованы две катушки. Большая подключена к гальванометру, а вторая — к источнику. Одна из катушек была настолько узкой, чтоб могла проходить внутрь второй. Если её поместить туда и несколько раз включить и выключить ток, то на гальванометре стрелка отклонится, показывая наличие тока.

Если взять два соленоида под током и один из них подвигать рядом с другим, то в них также возникнет движение электронов.

При проведении таких опытов более быстрое движение создаёт более сильное движение электронов.

Одновременно с Фарадеем аналогичные исследования осуществил Джозеф Генри, однако опубликовал свои результаты позже.

Объяснение явления

Движение носителей заряда — электронов происходит в том случае, когда на них действует электродвижущая сила, создаваемая разностью потенциалов.

Возникновение тока под действием изменения магнитного поля происходит из-за того, что оно создаёт такую силу, которая носит название ЭДС индукции. Хотя явление индуктивности было обнаружено Фарадеем, он не дал ему теоретического объяснения.

Теория электромагнитного поля в физике была создана Максвеллом в 1861 году. Этому явлению присущи такие черты:

источником движения электронов является переменное магнитное поле;

его наличие можно обнаружить по производимому воздействию на электрические заряды;

это поле не является потенциальным;

силовые линии поля представляют собой замкнутые кривые.

Работа магнитного поля выражается в создании электродвижущей силы для электронов.

Закон электромагнитной индукции Фарадея

Основной характеристикой магнитного поля является магнитный поток. Зрительно его можно представить, как силовые линии, пронизывающие перпендикулярную плоскую фигуру, ограниченную замкнутой линией. Эти линии выражают вектор магнитной индукции.

Произведение модуля этой величины на площадь для равномерного и однородного магнитного поля равно потоку поля через рассматриваемый контур.

При рассмотрении сложного поля, фигуру разбивают на небольшие участки, в которых поле равномерно и суммируют значения для каждого из них. Для вычисления в таких случаях используются методы дифференциального и интегрального исчисления.

Электромагнитная индукция измеряется в Тесла (Тл). Эта единица получила своё название в честь великого учёного-физика.

Закон Фарадея количественно описывает влияние магнитного поля на движение электронов. Он утверждает следующее: скорость изменения потока электромагнитного поля равна порождаемой им электродвижущей силе, воздействующей на электроны и создающей ток.

Нужно заметить, что когда магнитное поле порождается изменением силы тока, то возникающая электродвижущая сила воздействует на него противоположным образом. Это можно прояснить на таком примере.

Если рассматривается провод, и в нём увеличивается сила тока, то это создаёт магнитное поле. Оно, в свою очередь, создаёт ЭДС, которая препятствует увеличению.

Правило Ленца

Это правило даёт возможность правильно определить направление индукционного тока в различных ситуациях. Оно формулируется следующим образом: направление тока, порождённого индукцией, создаёт такое изменение магнитного потока, препятствующее изменению внешнего поля, благодаря которому оно возникло.

Это можно пояснить на следующем примере. Будет рассмотрена ситуация, когда внешнее магнитное поле со временем будет возрастать, а его силовые линии направлены вверх.

Это произойдёт, например, в той ситуации, когда снизу к контуру, расположенному горизонтально, будут приближать магнит так, чтобы его северный полюс был обращён вверх. В этом случае магнитный поток будет увеличиваться, создавая электродвижущую силу.

В контуре будет создан индукционный ток. Он будет таким, чтобы магнитные силовые линии были противоположными по отношению к тем, которые характеризуют первоначальное. Теперь можно определить направление индукционного тока в контуре.

Как известно, если смотреть со стороны создаваемого поля, то он будет направлен по часовой стрелке. То есть, если смотреть сверху, направление будет против неё.

На этом примере можно увидеть, как с помощью правила Ленца можно определить направление магнитного поля и индукционного тока.

Самоиндукция

В этом случае рассматривается ситуация, когда изменение движения электронов порождает ЭДС, вызывающий индукционный ток в этом же проводнике.

Взяв за основу правило Ленца, можно утверждать, что он имеет направление, противоположное первоначальному изменению.

Самоиндукция похожа на явление инерции. Тяжёлое тело невозможно остановить мгновенно. Также нельзя изменить силу тока за один миг до нужной величины из-за наличия явления самоиндукции.

Это свойство можно продемонстрировать следующим опытом. Нужно сделать две электрических цепи. В одной из них имеется источник и лампочка. Другая сделана аналогичным образом, но различие состоит в том, что в цепь добавлена катушка.

В первой цепи после включения лампочка загорается сразу. Во второй, учитывая наличие индуктивного элемента, это происходит с заметным опозданием.

После размыкания свет в первой лампочке отключается практически мгновенно, а во второй это происходит замедленно. Важно отметить, что в процессе выключения индукционный ток может превысить первоначальный. Поскольку в этой ситуации он направлен также, как и рабочий, то сила тока может возрасти. В некоторых цепях это может вызвать перегорание лампочки.

Индуктивность

Проводник, через который проходит изменяющийся ток, способен накапливать энергию путём использования магнитного поля. У прямолинейного отрезка провода эта способность имеет незначительную величину.

Однако, если речь идёт о катушке, то её величина гораздо сильнее. Эта характеристика называется индуктивностью. Она обозначается как «L» и играет важную роль при определении различных характеристик электромагнитного поля.

Магнитный поток в определённом контуре можно выразить посредством формулы Ф = L* I, а электродвижущую силу в виде E = L* (dI/dt).

Ток, проходящий через контур, способен создать электромагнитное поле, причём оно будет тем сильнее, чем быстрее будут происходить его изменения.

На практике для увеличения индуктивности катушки используют вставленные внутрь стержни из ферромагнетика.

Энергия магнитного поля

Электрический ток создаёт магнитное поле. При этом он затрачивает определённую энергию. Её величина равна той работе, которая была затрачена на создание поля. Она вычисляется по следующей формуле:

Здесь использовались такие обозначения:

W – энергия магнитного поля;

Если магнитное поле по какой-то причине пропадёт, то его энергия выделится в той или иной форме.

Применение электромагнитной индукции

Это явление активно применяется в различных сферах жизни человеческого общества.

Далее будут приведены несколько наиболее известных примеров:

радиовещание невозможно без использования явления электромагнитной индукции;

в медицине магнитотерапия является одним из эффективных методов лечения;

при фундаментальных исследованиях для разгона элементарных частиц применяются синхрофазотроны, работа которых основана на явлении индуктивности;

счётчики электричества, применяемые в быту для его учёта, используют рассматриваемое явление;

для того, чтобы передавать произведённую электростанциями электрическую энергию на большие расстояния, применяются трансформаторы, работа которых построена на использовании электромагнитной индукции;

в металлургии для плавки металла применяются индукционные печи.

Использование этого явления очень широко распространено. Приведённые примеры являются только частью различных вариантов использования.

Все формулы по теме «Электромагнитная индукция»

Для того чтобы кратко освежить в памяти формулы, относящиеся к магнитной индукции, далее приводится перечень наиболее важных из них.

Открытие законов, которые описывают поведение электромагнитного поля, является одним из важнейших достижений науки за всю историю. В современной жизни использование этого явления происходит практически во всех областях жизни общества.

Источник

Индукционный ток во вращающемся контуре

Т.к. вопросов по первой части не поступило, я делаю вывод, что пока всё понятно. Правда по генератору тоже никто ничего не написал, значит будем разбираться подробнее.

Итак, это схема простйшего электрогенератора:

При вращении рамки в постоянном магнитном поле в ней возникает электрический ток, называемый индукционным, а сам процесс называется электромагнитной индукцией:

«Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него. Электромагнитная индукция была открыта Майклом Фарадеем 29 августа 1831 года. Он обнаружил, что электродвижущая сила, возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Величина электродвижущей силы (ЭДС) не зависит от того, что является причиной изменения потока — изменение самого магнитного поля или движение контура (или его части) в магнитном поле. Электрический ток, вызванный этой ЭДС, называется индукционным током».

У этого тока есть одно важное свойство, которое для одних стало возможностью скрыть правду, а для других – простым объяснением, почему для получения большего количества энергии от генератора нужно приложить большую силу для его вращения. В Вики это звучит так:

«Индукционный ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре, имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток».

В реальном генераторе это происходит так: при приближении части рамки к северному полюсу магнита в этой части рамки возникает ЭДС и северный магнитный полюс. Два одноимённых магнитных полюса начинают отталкиваться и возникает сопротивление вращению рамки. Во второй части рамки происходит тоже самое, только с южным полюсом. Чем быстрее вращается генератор, тем быстрее меняется магнитное поле в рамке, а значит возникает бОльший ток, соответственно бОльшее магнитное поле и бОльшее сопротивление вращению. Этого оказалось достаточно, чтобы заявить о соблюдении закона сохранения энергии: хотите больше энергии – приложите большее усилие. Очень многим этого хватило и теперь эти убеждения сложно переломить. Однако давайте рассмотрим процесс индукции чуть внимательнее. Я уже писал об этом в посте «Зарождение».

Итак, при приближении рамки к магнитному полюсу, в ней возникает ток и такой же магнитный полюс, который начинает оказывать сопротивление движению. А что происходит с магнитным полем магнита?

Оно ослабевает, переходя в электрическую энергию? Нет. Иначе при увеличении скорости вращения генератора и увеличении тока всё больше магнитного поля переходило бы в электричество и сопротивление вращению наоборот уменьшалось бы.

Оно переходит на проводник, разделяется, но в сумме остаётся таким же? Нет. Тогда бы усилие для вращения генератора не менялось от скорости и нагрузки.

На самом деле оно остаётся без изменений, а суммарное магнитное поле ещё и увеличивается на поле, возникшее вокруг проводника. Магнит при этом не теряет своей энергии и это доказывается десятилетиями работы генераторов на постоянных магнитах. Тогда откуда появляется энергия в проводнике? Кинетическая энергия вращения превращается в электрическую? Правда? А если ничего не вращать? Вы знаете как работает электрический трансформатор? Например такой:

«Работа трансформатора основана на двух базовых принципах:
Изменяющийся во времени электрический ток создаёт изменяющееся во времени магнитное поле (электромагнетизм).
Изменение магнитного потока, проходящего через обмотку, создаёт ЭДС в этой обмотке (электромагнитная индукция).
На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой, подаётся напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке переменный ток намагничивания создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе. В результате электромагнитной индукции, переменный магнитный поток в магнитопроводе создаёт во всех обмотках, в том числе и в первичной, ЭДС индукции, пропорциональную первой производной магнитного потока , при синусоидальном токе сдвинутой на 90° в обратную сторону по отношению к магнитному потоку».

Хочу обратить ваше внимание на выделенный текст: ток индукции появляется во всех обмотках трансформатора, ЭДС во всех обмотках равны и зависят только от скорости изменения магнитного потока. Получается, что если намотать две или три вторичных обмотки, то можно получить в два-три раза больше энергии, чем было затрачено (за минусом разных потерь)? В принципе, даже ещё больше. Ведь на самом деле, закон сохранения энергии работает только с телами, обладающими массой покоя. Но тут вовремя появилась и проблема, называемая самоиндукцией, которая помогла скрыть дармовую энергию.

«Самоиндукция — это явление возникновения ЭДС индукции в проводящем контуре при изменении протекающего через контур тока.
При изменении тока в контуре пропорционально меняется и магнитный поток через поверхность, ограниченную этим контуром. Изменение этого магнитного потока, в силу закона электромагнитной индукции, приводит к возбуждению в этом контуре индуктивной ЭДС. Это явление и называется самоиндукцией. (Понятие родственно понятию взаимоиндукции, являясь как бы его частным случаем).
Направление ЭДС самоиндукции всегда оказывается таким, что при возрастании тока в цепи ЭДС самоиндукции препятствует этому возрастанию (направлена против тока), а при убывании тока — убыванию (сонаправлена с током). Этим свойством ЭДС самоиндукции сходна с силой инерции».

Оказалось, что ток, проходя по проводнику, создаёт вокруг него магнитное поле, изменение которого создаёт ток в этом же проводнике и он не всегда совпадает с направлением первичного тока (потому что если бы он всегда совпадал, то получился бы вечный источник энергии, а если бы всегда не совпадал, то никакого тока вообще не было бы). Другими словами, ЭДС самоиндукции оказывает сопротивление току в катушке почти так же, как обычный генератор сопротивляется вращению. Чем больше ток и его частота в катушке, тем больше это сопротивление, а значит и потери. При подключении катушки к источнику переменного напряжения получается вот такая картина:

А при добавлении дополнительных катушек в общее магнитное поле их взаимное влияние увеличивается, индуктивность и поля складываются и накладываются друг а друга, а сопротивление (а значит и потери) всей системы только возрастают. В результате получилась красивая зависимость, которая, якобы, подтверждает закон сохранения энергии и не даёт получить больше энергии, чем затрачено. Это сопротивление назвали реактивным, без ваттным, из-за него не выделяется тепло в катушке и списали на него все потери энергии.

Однако Никола Тесла в своё время нашёл выход из этого положения и главным вопросом его жизни стал вопрос беспроводной передачи энергии, а не её получение. Это сейчас катушки Тесла называют трансформаторами, а сам он называл их генераторами энергии и так оно и было. Получать энергию он мог в неограниченных количествах и не считал это чем-то сложным и тем более невозможным, т.к. он понял саму суть происходящего процесса. Я попробую объяснить его как можно доступнее, но опять придётся начинать из далека.

Исходя из теории Всемирного Эфира, которая существовала до Теории Относительности, Тесла полагал, что электромагнитная волна это волна эфира, окружающего нас везде. Эфир не имеет массы и инерции, а значит на то, чтобы его сдвинуть не тратится энергия. Получается, что для создания электромагнитной волны нужно раскачать эфир переменным магнитным полем, но так, чтобы почти не тратить на это энергию. И такой способ был найден. Был придуман последовательный колебательный контур:

«Колебательный контур – это замкнутая электрическая цепь, содержащая катушку индуктивности и конденсатор, в которой могут возбуждаться электрические колебания.
Колебания тока и напряжения в колебательном контуре связаны с переходом энергии электрического поля конденсатора в энергию магнитного поля катушки индуктивности и обратно».

Получается, что если зарядить конденсатор от источника тока, а потом соединить его с катушкой, то в цепи возникнут автоколебания. Ток из конденсатора будет переходить в магнитное поле катушки и обратно многократно, пока не рассеется от различных небольших потерь на нагрев и т.д. При этом на раскачивание самого эфира энергия не тратится. В добротных контурах колебания могут продолжаться несколько минут, при этом совершенно не потребляя энергии из вне. Всё это время вокруг катушки будет переменное магнитное поле, раскачивающее эфир вокруг неё. Казалось бы, осталось только поставить рядом ещё пару катушек и проблема энергии решена, но тут надо вспомнить, что индукционный ток в соседней катушке создаёт своё магнитное поле, направленное против поля, его создавшего и очень быстро его подавит (вспомним и про безваттное сопротивление). Получается, что первую катушку всегда надо подпитывать током и он будет как бы переходить на вторую катушку. При этом, если вторую катушку не замыкать, то тока в разомкнутом контуре не будет и первая катушка практически не будет потреблять энергии. Так работают современные трансформаторы. Только я бы сказал, что он не переливает энергию с одной катушки на другую, а продавливает с огромным усилием и потерями, нагреваясь и гудя при этом.

Решением проблемы могло бы стать создание катушки, которая бы не оказывала сопротивления магнитному потоку, т.е. не имеющей самоиндукции. Однако тут появляется противоречие: в катушке, обладающей индукцией всегда будет и ток самоиндукции, а в катушке, не имеющей индуктивности, не может появиться индукционный ток и она бесполезна. Любой замкнутый проводник имеет свою индуктивность, хоть самую малую.

Никола Тесла очень хорошо представлял себе магнитные поля и их взаимодействия и поэтому смог найти очень простое и, я бы сказал, элегантное решение проблемы. Он придумал катушку, у которой пропадает реактивное сопротивление на определённой частоте. Эта катушка была названа бифилярной:

Тесла запатентовал эту катушку, как что-то совершенно новое, чем она и была, но не описал в патенте своего способа её использования, а скорее всего это описание было позже изъято. В описании осталось только упоминание, что эта катушка может использоваться для создания больших магнитных полей. С другой стороны, один из видов этой катушки как раз обладает нулевой самоиндукцией. Совпадение?

Сейчас различные виды этой катушки используются в радиотехнике, но оригинального назначения, похоже, так до сих пор никто и не понял. Более подробно об этой катушке я напишу в следующий раз.

Источник