Tko je i kada otkrio fenomen elektromagnetske indukcije. Otkriće elektromagnetske indukcije i samoindukcije i prvih elektromagnetskih uređaja. Interakcija magneta sa strujnim krugom

Fenomen elektromagnetske indukcije leži u činjenici da s bilo kojom promjenom magnetskog toka koji prodire u krug zatvorenog vodiča, u tom vodiču nastaje električna struja, koja postoji tijekom cijelog procesa promjene magnetskog toka. Fenomen elektromagnetske indukcije može se otkriti u sljedećim situacijama:

1. s relativnim kretanjem zavojnice i magneta;

2. kada se indukcija magnetskog polja mijenja u krugu koji se nalazi okomito na silnice magnetskog polja.

Na ovoj slici zavojnica A, koji je uključen u krug izvora struje, umetnut je u drugu zavojnicu S koji je spojen na galvanometar. Pri zatvaranju i otvaranju kruga svitka A u kolutu S nastaje indukcijska struja. Indukcijska struja također se javlja kada se mijenja struja u zavojnici S ili kada se zavojnice pomiču jedna u odnosu na drugu;

3. pri promjeni položaja kruga koji se nalazi u stalnom magnetskom polju.

Struja u krugu može se pojaviti i kada se krug okreće u polju stalnog magneta (Sl. A), i kada se sam magnet okreće unutar kruga (sl. b).

Otkriće elektromagnetske indukcije jedno je od najznačajnijih otkrića 19. stoljeća. To je uzrokovalo nastanak i brz razvoj elektrotehnike i radiotehnike.

Na temelju fenomena elektromagnetske indukcije utemeljeni su snažni generatori električne energije u čijem razvoju su sudjelovali znanstvenici i tehničari iz različitih zemalja. Među njima su bili ruski znanstvenici: Emilius Khristianovich Lenz, Boris Semenovič Jacobi, Mikhail Iosifovich Dolivo-Dobrovolsky i drugi, koji su dali veliki doprinos razvoju elektrotehnike.

Fenomen elektromagnetske indukcije otkrio je Mile Faraday 1831. godine. Čak 10 godina ranije, Faraday je razmišljao o načinu pretvaranja magnetizma u elektricitet. Vjerovao je da magnetsko i električno polje moraju biti nekako povezani.

Otkriće elektromagnetske indukcije

Na primjer, pomoću električnog polja možete magnetizirati željezni predmet. Vjerojatno bi trebalo biti moguće generirati električnu struju pomoću magneta.

Prvo je Faraday otkrio fenomen elektromagnetske indukcije u vodičima koji su nepomični jedan u odnosu na drugi. Kad se u jednom od njih pojavila struja, struja se inducirala i u drugom svitku. Štoviše, u budućnosti je nestao i ponovno se pojavio samo kada je napajanje jedne zavojnice isključeno.

Nakon nekog vremena, Faraday je eksperimentima dokazao da kada se zavojnica bez struje kreće u strujnom krugu u odnosu na drugu, čiji su krajevi opskrbljeni naponom, električna struja će također nastati u prvoj zavojnici.

Sljedeći pokus bio je uvođenje magneta u zavojnicu, a istovremeno se u njoj pojavila struja. Ovi eksperimenti prikazani su na sljedećim slikama.

Faraday je formulirao glavni razlog za pojavu struje u zatvorenom krugu. U zatvorenom vodljivom krugu struja nastaje kada se promijeni broj linija magnetske indukcije koje prolaze kroz ovaj krug.

Što je ova promjena veća, to je inducirana struja jača. Nije svejedno kako postižemo promjenu broja linija magnetske indukcije. Na primjer, to se može učiniti pomicanjem kruga u nejednolikom magnetskom polju, kao što se dogodilo u eksperimentu s magnetom ili pomicanjem zavojnice. I možemo, na primjer, promijeniti jakost struje u zavojnici uz strujni krug, a magnetsko polje koje stvara ova zavojnica će se promijeniti.

Izjava zakona

Rezimirajmo ukratko. Fenomen elektromagnetske indukcije je pojava pojave struje u zatvorenom krugu, kada se mijenja magnetsko polje u kojem se taj krug nalazi.

Za precizniju formulaciju zakona elektromagnetske indukcije potrebno je uvesti veličinu koja bi karakterizirala magnetsko polje - tok vektora magnetske indukcije.

Magnetski tok

Vektor magnetske indukcije označen je slovom B. On će karakterizirati magnetsko polje u bilo kojoj točki prostora. Sada razmotrimo zatvorenu konturu koja omeđuje površinu površine S. Smjestimo je u jednoliko magnetsko polje.

Postojat će određeni kut a između vektora normale na površinu i vektora magnetske indukcije. Magnetski tok F kroz površinu površine S naziva se fizikalna veličina jednaka umnošku veličine vektora magnetske indukcije s površinom i kosinusom kuta između vektora magnetske indukcije i normale na konturu.

F = B*S*cos(a).

Umnožak B*cos(a) je projekcija vektora B na normalu n. Stoga se oblik za magnetski tok može prepisati na sljedeći način:

Jedinica magnetskog toka je weber. Označeno s 1 Wb. Magnetski tok od 1 Wb stvara magnetsko polje s indukcijom od 1 T kroz površinu od 1 m^2, koja se nalazi okomito na vektor magnetske indukcije.

Teme kodifikatora Jedinstvenog državnog ispita: fenomen elektromagnetske indukcije, magnetski tok, Faradayev zakon elektromagnetske indukcije, Lenzovo pravilo.

Oerstedov pokus pokazao je da električna struja stvara magnetsko polje u okolnom prostoru. Michael Faraday je došao na ideju da bi mogao postojati i suprotan učinak: magnetsko polje pak stvara električnu struju.

Drugim riječima, neka postoji zatvoreni vodič u magnetskom polju; Hoće li u tom vodiču pod utjecajem magnetskog polja nastati električna struja?

Nakon deset godina traženja i eksperimentiranja, Faraday je konačno uspio otkriti ovaj učinak. Godine 1831. izveo je sljedeće pokuse.

1. Dva svitka bila su namotana na istu drvenu podlogu; zavoji drugog svitka položeni su između zavoja prvog i izolirani. Stezaljke prve zavojnice spojene su na izvor struje, stezaljke druge zavojnice spojene su na galvanometar (galvanometar je osjetljivi uređaj za mjerenje malih struja). Tako su dobivena dva kruga: "izvor struje - prva zavojnica" i "druga zavojnica - galvanometar".

Nije bilo električnog kontakta između krugova, samo je magnetsko polje prve zavojnice prodrlo u drugu zavojnicu.

Kad je krug prvog svitka zatvoren, galvanometar je zabilježio kratak i slab strujni impuls u drugom svitku.

Kad je konstantna struja tekla kroz prvu zavojnicu, u drugoj zavojnici nije nastala struja.

Kada je strujni krug prvog svitka otvoren, u drugom svitku ponovno se javlja kratki i slabi strujni impuls, ali ovaj put u suprotnom smjeru od struje kada je krug zatvoren.

Zaključak.

Vremenski promjenjivo magnetsko polje prve zavojnice stvara (ili, kako oni kažu, inducira) električna struja u drugom svitku. Ova struja se zove inducirana struja.

Ako se magnetsko polje prve zavojnice poveća (u trenutku kada struja raste kada je krug zatvoren), tada inducirana struja u drugoj zavojnici teče jednosmjerno.

Ako se magnetsko polje prve zavojnice smanji (u trenutku kada struja opada kada se sklop otvori), tada inducirana struja u drugoj zavojnici teče u drugom smjeru.

Ako se magnetsko polje prve zavojnice ne mijenja (istosmjerna struja kroz nju), tada u drugoj zavojnici nema inducirane struje.

Faraday je otkriveni fenomen nazvao elektromagnetska indukcija(tj. "indukcija elektriciteta magnetizmom").

2. Za potvrdu nagađanja da se stvara indukcijska struja varijable magnetskog polja, Faraday je pomicao zavojnice jedna u odnosu na drugu. Strujni krug prve zavojnice cijelo je vrijeme ostao zatvoren, kroz nju je tekla istosmjerna struja, ali se zbog kretanja (približavanja ili udaljavanja) druga zavojnica našla u izmjeničnom magnetskom polju prve zavojnice.

Galvanometar je ponovno zabilježio struju u drugom svitku. Indukcijska struja je imala jedan smjer kada su se zavojnice približavale jedna drugoj, a drugi smjer kada su se udaljavale. U ovom slučaju, jačina indukcijske struje bila je veća što su se zavojnice brže kretale..

3. Prva zavojnica je zamijenjena permanentnim magnetom. Kad je magnet doveden u drugu zavojnicu, nastala je indukcijska struja. Kad je magnet izvučen, ponovno se pojavila struja, ali u drugom smjeru. I opet, što se magnet brže kretao, to je indukcijska struja bila veća.

Ovi i kasniji eksperimenti pokazali su da se inducirana struja u vodljivom krugu javlja u svim onim slučajevima kada se mijenja "broj linija" magnetskog polja koje prodire u krug. Snaga indukcijske struje je to veća što se broj linija brže mijenja. Smjer struje će biti jedan kada se broj vodova kroz krug povećava, a drugi kada se smanjuje.

Zanimljivo je da je za veličinu struje u danom krugu važna samo brzina promjene broja vodova. Što se točno događa u ovom slučaju nije važno - mijenja li se samo polje prodirući u stacionarnu konturu ili se kontura pomiče iz područja s jednom gustoćom linija u područje s drugom gustoćom.

To je bit zakona elektromagnetske indukcije. Ali da biste napisali formulu i napravili izračune, morate jasno formalizirati nejasan koncept "broja linija polja kroz konturu".

Magnetski tok

Koncept magnetskog toka upravo je karakteristika broja linija magnetskog polja koje prodiru kroz krug.

Radi jednostavnosti, ograničili smo se na slučaj jednolikog magnetskog polja. Razmotrimo konturu područja koje se nalazi u magnetskom polju s indukcijom.

Neka je prvo magnetsko polje okomito na ravninu konture (slika 1).

Riža. 1.

U ovom slučaju, magnetski tok se određuje vrlo jednostavno - kao produkt indukcije magnetskog polja i površine kruga:

(1)

Sada razmotrite opći slučaj kada vektor tvori kut s normalom na konturnu ravninu (slika 2).

Riža. 2.

Vidimo da sada samo okomita komponenta vektora magnetske indukcije "teče" kroz krug (a komponenta koja je paralelna sa krugom ne "teče" kroz njega). Stoga prema formuli (1) imamo . Ali, dakle

(2)

Ovo je opća definicija magnetskog toka u slučaju jednolikog magnetskog polja. Imajte na umu da ako je vektor paralelan s ravninom petlje (to jest), tada magnetski tok postaje nula.

Kako odrediti magnetski tok ako polje nije jednoliko? Istaknimo samo ideju. Površina konture podijeljena je na vrlo velik broj vrlo malih područja, unutar kojih se polje može smatrati uniformnim. Za svako mjesto izračunavamo vlastiti mali magnetski tok pomoću formule (2), a zatim zbrajamo sve te magnetske tokove.

Mjerna jedinica za magnetski tok je weber(Wb). Kao što vidimo,

Wb = T · m = V · s. (3)

Zašto magnetski tok karakterizira "broj linija" magnetskog polja koje prodire u krug? Jako jednostavno. "Broj linija" određen je njihovom gustoćom (a time i njihovom veličinom - uostalom, što je veća indukcija, to su linije gušće) i "efektivnim" područjem kroz koje prodire polje (a to nije ništa više od ). Ali multiplikatori tvore magnetski tok!

Sada možemo dati jasniju definiciju fenomena elektromagnetske indukcije koju je otkrio Faraday.

Elektromagnetska indukcija- ovo je pojava pojave električne struje u zatvorenom provodnom krugu kada se mijenja magnetski tok koji prolazi kroz krug.

inducirana emf

Koji je mehanizam nastanka inducirane struje? O tome ćemo razgovarati kasnije. Za sada je jedno jasno: kada se magnetski tok koji prolazi kroz krug mijenja, neke sile djeluju na slobodne naboje u krugu - vanjske sile, uzrokujući kretanje naboja.

Kao što znamo, rad vanjskih sila za pomicanje jednog pozitivnog naboja po krugu naziva se elektromotorna sila (EMS): . U našem slučaju, kada se mijenja magnetski tok kroz krug, naziva se odgovarajuća emf inducirana emf i označen je .

Tako, EMF indukcije je rad vanjskih sila koje nastaju kada se mijenja magnetski tok kroz krug, pomičući jedan pozitivni naboj oko kruga.

Uskoro ćemo saznati prirodu vanjskih sila koje se u ovom slučaju pojavljuju u krugu.

Faradayev zakon elektromagnetske indukcije

Pokazalo se da je jakost indukcijske struje u Faradayevim pokusima to veća što se brže mijenjao magnetski tok kroz krug.

Ako je u kratkom vremenu promjena magnetskog toka jednaka tada ubrzati promjene magnetskog toka su razlomak (ili, što je isto, derivacija magnetskog toka u odnosu na vrijeme).

Pokusi su pokazali da je jakost indukcijske struje izravno proporcionalna veličini brzine promjene magnetskog toka:

Modul je instaliran kako se za sada ne bi povezivao s negativnim vrijednostima (uostalom, kada se magnetski tok smanji, bit će ). Naknadno ćemo ukloniti ovaj modul.

Iz Ohmovog zakona za potpuni lanac ujedno imamo: . Stoga je inducirana emf izravno proporcionalna brzini promjene magnetskog toka:

(4)

EMF se mjeri u voltima. Ali brzina promjene magnetskog toka također se mjeri u voltima! Doista, iz (3) vidimo da je Wb/s = V. Dakle, mjerne jedinice oba dijela proporcionalnosti (4) se podudaraju, pa je koeficijent proporcionalnosti bezdimenzionalna veličina. U SI sustavu postavljeno je jednako jedinici i dobivamo:

(5)

To je ono što je zakon elektromagnetske indukcije ili Faradayev zakon. Dajmo to verbalnu formulaciju.

Faradayev zakon elektromagnetske indukcije. Kada se mijenja magnetski tok koji prodire kroz krug, u ovom krugu se pojavljuje inducirana emf jednaka modulu brzine promjene magnetskog toka.

Lenzovo pravilo

Nazvat ćemo magnetski tok, čija promjena dovodi do pojave inducirane struje u krugu vanjski magnetski tok. I mi ćemo nazvati samo magnetsko polje, koje ovaj magnetski tok stvara, vanjsko magnetsko polje.

Zašto su nam potrebni ovi pojmovi? Činjenica je da indukcijska struja koja nastaje u krugu stvara vlastitu vlastiti magnetsko polje koje se prema principu superpozicije pribraja vanjskom magnetskom polju.

Prema tome, uz vanjski magnetski tok, vlastiti magnetski tok koji stvara magnetsko polje indukcijske struje.

Ispada da su ta dva magnetska toka - unutarnji i vanjski - međusobno povezani na strogo definiran način.

Lenzovo pravilo. Inducirana struja uvijek ima takav smjer da vlastiti magnetski tok sprječava promjenu vanjskog magnetskog toka.

Lenzovo pravilo omogućuje pronalaženje smjera inducirane struje u bilo kojoj situaciji.

Pogledajmo neke primjere primjene Lenzova pravila.

Pretpostavimo da je strujni krug prožet magnetskim poljem koje se povećava s vremenom (slika (3)). Na primjer, magnet približavamo konturi odozdo, čiji je sjeverni pol u ovom slučaju usmjeren prema gore, prema konturi.

Magnetski tok kroz krug se povećava. Inducirana struja bit će u takvom smjeru da magnetski tok koji stvara sprječava povećanje vanjskog magnetskog toka. Da biste to učinili, magnetsko polje koje stvara indukcijska struja mora biti usmjereno protiv vanjsko magnetsko polje.

Inducirana struja teče u smjeru suprotnom od kazaljke na satu gledano iz smjera magnetskog polja koje stvara. U tom slučaju, struja će biti usmjerena u smjeru kazaljke na satu gledano odozgo, sa strane vanjskog magnetskog polja, kao što je prikazano na (Sl. (3)).

Riža. 3. Povećava se magnetski tok

Sada pretpostavimo da se magnetsko polje koje prodire u strujni krug smanjuje s vremenom (slika 4). Na primjer, pomaknemo magnet od petlje prema dolje, a sjeverni pol magneta pokazuje prema petlji.

Riža. 4. Magnetski tok se smanjuje

Magnetski tok kroz krug se smanjuje. Inducirana struja će imati takav smjer da njezin vlastiti magnetski tok podupire vanjski magnetski tok, sprječavajući njegovo smanjenje. Da biste to učinili, magnetsko polje indukcijske struje mora biti usmjereno u istom smjeru, kao vanjsko magnetsko polje.

U tom će slučaju inducirana struja teći u smjeru suprotnom od kazaljke na satu gledano odozgo, sa strane obaju magnetskih polja.

Interakcija magneta sa strujnim krugom

Dakle, približavanje ili uklanjanje magneta dovodi do pojave inducirane struje u krugu, čiji je smjer određen Lenzovim pravilom. Ali magnetsko polje djeluje na struju! Pojavit će se Amperova sila koja djeluje na krug iz magnetskog polja. Kamo će ta sila biti usmjerena?

Ako želite dobro razumjeti Lenzovo pravilo i određivanje smjera Amperove sile, pokušajte sami odgovoriti na ovo pitanje. Ovo nije baš jednostavna vježba i izvrstan zadatak za C1 na Jedinstvenom državnom ispitu. Razmotrite četiri moguća slučaja.

1. Magnet približimo krugu, sjeverni pol je usmjeren prema krugu.
2. Uklonimo magnet iz kruga, sjeverni pol je usmjeren prema krugu.
3. Magnet približimo krugu, južni pol je usmjeren prema krugu.
4. Uklonimo magnet iz kruga, južni pol je usmjeren prema krugu.

Ne zaboravite da magnetsko polje nije uniformno: linije polja odstupaju od sjevernog pola i konvergiraju prema južnom. Ovo je vrlo važno za određivanje rezultirajuće Amperove sile. Rezultat je sljedeći.

Ako približite magnet, krug se odbija od magneta. Ako uklonite magnet, strujni krug privlači magnet. Dakle, ako je krug obješen na nit, tada će uvijek odstupati u smjeru kretanja magneta, kao da ga prati. Položaj magnetskih polova u ovom slučaju nije bitan..

U svakom slučaju, trebali biste zapamtiti ovu činjenicu - iznenada se takvo pitanje pojavljuje u dijelu A1

Ovaj rezultat se može objasniti iz posve općih razmatranja - korištenjem zakona održanja energije.

Recimo da približimo magnet krugu. U krugu se pojavljuje indukcijska struja. Ali da bi se stvorila struja, mora se raditi! Tko to radi? U konačnici, mi pomičemo magnet. Vršimo pozitivan mehanički rad, koji se pretvara u pozitivan rad vanjskih sila koje nastaju u krugu, stvarajući induciranu struju.

Tako bi naš posao pomicanja magneta trebao biti pozitivan. To znači da kada se približimo magnetu, moramo nadvladati sila interakcije magneta s krugom, koja je, dakle, sila odbijanje.

Sada uklonite magnet. Ponovite ove argumente i pobrinite se da između magneta i kruga nastane privlačna sila.

Faradayev zakon + Lenzovo pravilo = Uklanjanje modula

Gore smo obećali ukloniti modul u Faradayevom zakonu (5). Lenzovo pravilo nam to omogućuje. Ali prvo ćemo se morati dogovoriti oko predznaka inducirane emf - nakon svega, bez modula na desnoj strani (5), veličina emf može biti pozitivna ili negativna.

Prije svega, fiksiran je jedan od dva moguća smjera kretanja konture. Ovaj smjer je najavljen pozitivan. Suprotan smjer obilaženja konture naziva se, odnosno, negativan. Nije bitno koji ćemo smjer obilaženja uzeti kao pozitivan - važno je samo napraviti ovaj izbor.

Magnetski tok kroz krug smatra se pozitivnim class="tex" alt="(\Phi > 0)"> !}, ako je magnetsko polje koje prodire u krug usmjereno tamo, gledajući s mjesta gdje se krug prolazi u pozitivnom smjeru u smjeru suprotnom od kazaljke na satu. Ako se s kraja vektora magnetske indukcije pozitivni smjer kruga vidi u smjeru kazaljke na satu, tada se magnetski tok smatra negativnim.

Inducirana emf se smatra pozitivnom class="tex" alt="(\mathcal E_i > 0)"> !}, ako inducirana struja teče u pozitivnom smjeru. U ovom slučaju, smjer vanjskih sila koje nastaju u krugu kada se mijenja magnetski tok kroz njega podudara se s pozitivnim smjerom zaobilaženja kruga.

Naprotiv, inducirana emf se smatra negativnom ako inducirana struja teče u negativnom smjeru. U tom će slučaju vanjske sile također djelovati duž negativnog smjera premosnice kruga.

Dakle, neka je krug u magnetskom polju. Popravljamo smjer premosnice pozitivnog kruga. Pretpostavimo da je magnetsko polje usmjereno tamo, gledajući s mjesta gdje je pozitivni zaokret napravljen suprotno od kazaljke na satu. Tada je magnetski tok pozitivan: class="tex" alt="\Phi > 0"> .!}

Riža. 5. Povećava se magnetski tok

Dakle, u ovom slučaju imamo. Pokazalo se da je predznak inducirane emf suprotan predznaku brzine promjene magnetskog toka. Provjerimo ovo u drugoj situaciji.

Naime, pretpostavimo sada da magnetski tok opada. Prema Lenzovu pravilu, inducirana struja će teći u pozitivnom smjeru. To je, class="tex" alt="\mathcal E_i > 0"> !}(slika 6).

Riža. 6. Povećava se magnetski tok class="tex" alt="\Rightarrow \mathcal E_i > 0"> !}

Ovo je zapravo opća činjenica: s našim dogovorom o predznacima, Lenzovo pravilo uvijek dovodi do činjenice da je predznak inducirane emf suprotan predznaku brzine promjene magnetskog toka:

(6)

Dakle, znak modula u Faradayevom zakonu elektromagnetske indukcije je eliminiran.

Vrtložno električno polje

Razmotrimo stacionarni krug koji se nalazi u izmjeničnom magnetskom polju. Koji je mehanizam nastanka indukcijske struje u krugu? Naime, koje sile uzrokuju kretanje slobodnih naboja, kakva je priroda tih vanjskih sila?

Pokušavajući odgovoriti na ova pitanja, veliki engleski fizičar Maxwell otkrio je temeljno svojstvo prirode: vremenski promjenjivo magnetsko polje stvara električno polje. Upravo to električno polje djeluje na slobodne naboje, uzrokujući induciranu struju.

Linije rezultirajućeg električnog polja ispadaju zatvorene, zbog čega je nazvano vrtložno električno polje. Vrtložne linije električnog polja obilaze linije magnetskog polja i usmjerene su na sljedeći način.

Neka magnetsko polje raste. Ako u njemu postoji provodni krug, tada će inducirana struja teći u skladu s Lenzovim pravilom - u smjeru kazaljke na satu, gledano s kraja vektora. To znači da je tamo usmjerena i sila koja djeluje iz vrtložnog električnog polja na pozitivne slobodne naboje kruga; To znači da je vektor intenziteta vrtložnog električnog polja usmjeren upravo tamo.

Dakle, linije intenziteta vrtložnog električnog polja usmjerene su u ovom slučaju u smjeru kazaljke na satu (gledano s kraja vektora , (slika 7).

Riža. 7. Vrtložno električno polje s rastućim magnetskim poljem

Naprotiv, ako se magnetsko polje smanjuje, tada su linije intenziteta vrtložnog električnog polja usmjerene suprotno od kazaljke na satu (slika 8).

Riža. 8. Vrtložno električno polje s opadajućim magnetskim poljem

Sada možemo bolje razumjeti fenomen elektromagnetske indukcije. Njegova bit leži upravo u činjenici da izmjenično magnetsko polje stvara vrtložno električno polje. Ovaj učinak ne ovisi o tome postoji li zatvoreni vodljivi krug u magnetskom polju ili ne; Uz pomoć strujnog kruga ovu pojavu detektiramo samo promatranjem inducirane struje.

Vrtložno električno polje se po nekim svojstvima razlikuje od nama već poznatih električnih polja: elektrostatskog polja i stacionarnog polja naboja koji tvore istosmjernu struju.

1. Vrtložne silnice su zatvorene, dok elektrostatičke i stacionarne silnice počinju na pozitivnim nabojima, a završavaju na negativnim.
2. Vrtložno polje je nepotencijalno: njegov rad na pomicanju naboja duž zatvorene petlje nije jednak nuli. Inače, vrtložno polje ne bi moglo stvoriti električnu struju! U isto vrijeme, kao što znamo, elektrostatička i stacionarna polja su potencijalna.

Tako, EMF indukcije u stacionarnom krugu je rad vrtložnog električnog polja za pomicanje jednog pozitivnog naboja oko kruga.

Neka je, na primjer, krug prsten polumjera i prožet jednoličnim izmjeničnim magnetskim poljem. Tada je intenzitet vrtložnog električnog polja isti u svim točkama prstena. Rad sile kojim vrtložno polje djeluje na naboj jednak je:

Stoga za induciranu emf dobivamo:

EMF indukcije u vodiču koji se kreće

Ako se vodič kreće u stalnom magnetskom polju, tada se u njemu pojavljuje i inducirana emf. Međutim, razlog sada nije vrtložno električno polje (ne nastaje - na kraju krajeva, magnetsko polje je konstantno), već djelovanje Lorentzove sile na slobodne naboje vodiča.

Razmotrimo situaciju koja se često javlja u problemima. Paralelne tračnice nalaze se u horizontalnoj ravnini, a udaljenost između njih je jednaka. Tračnice su u okomitom jednoličnom magnetskom polju. Tanka vodljiva šipka giba se po tračnicama brzinom ; cijelo vrijeme ostaje okomita na tračnice (slika 9).

Riža. 9. Gibanje vodiča u magnetskom polju

Uzmimo pozitivan slobodni naboj unutar šipke. Zbog gibanja ovog naboja zajedno sa štapom brzinom, na naboj će djelovati Lorentzova sila:

Ta je sila usmjerena duž osi šipke, kao što je prikazano na slici (uvjerite se sami - ne zaboravite pravilo lijeve ili kazaljke na satu!).

Lorentzova sila u ovom slučaju igra ulogu vanjske sile: ona pokreće slobodne naboje štapa. Kada pomičemo naboj od točke do točke, naša vanjska sila izvršit će rad:

(Također smatramo da je duljina štapa jednaka .) Stoga će inducirana emf u štapu biti jednaka:

(7)

Dakle, šipka je slična izvoru struje s pozitivnim i negativnim priključkom. Unutar štapa, djelovanjem vanjske Lorentzove sile, dolazi do razdvajanja naboja: pozitivni naboji prelaze u točku , negativni naboji prelaze u točku .

Pretpostavimo prvo da tračnice ne provode struju Tada će se kretanje naboja u štapu postupno zaustaviti. Doista, kako se pozitivni naboji akumuliraju na kraju, a negativni na kraju, Coulombova sila će se povećati, s kojom se pozitivni slobodni naboj odbija i privlači - i u nekom trenutku ta Coulombova sila će uravnotežiti Lorentzovu silu. Između krajeva štapa uspostavit će se razlika potencijala jednaka induciranoj emf (7).

Sada pretpostavimo da su tračnice i kratkospojnik vodljivi. Tada će se u krugu pojaviti inducirana struja; ići će u smjeru (od "plus izvora" do "minusa" N). Pretpostavimo da je otpor šipke jednak (ovo je analog unutarnjeg otpora izvora struje), a otpor dijela je jednak (otpor vanjskog kruga). Tada će se jakost indukcijske struje pronaći prema Ohmovom zakonu za cijeli krug:

Zanimljivo je da se izraz (7) za induciranu emf također može dobiti pomoću Faradayeva zakona. Učinimo to.
Tijekom vremena, naš štap putuje stazom i zauzima položaj (slika 9). Površina konture povećava se površinom pravokutnika:

Magnetski tok kroz krug se povećava. Inkrement magnetskog toka jednak je:

Brzina promjene magnetskog toka je pozitivna i jednaka induciranoj emf:

Dobili smo isti rezultat kao u (7). Napominjemo da se smjer indukcijske struje pokorava Lenzovu pravilu. Doista, budući da struja teče u smjeru, njezino je magnetsko polje usmjereno suprotno od vanjskog polja i stoga sprječava povećanje magnetskog toka kroz krug.

U ovom primjeru vidimo da u situacijama kada se vodič kreće u magnetskom polju, možemo djelovati na dva načina: koristeći Lorentzovu silu kao vanjsku silu ili koristeći Faradayev zakon. Rezultati će biti isti.

Nakon otkrića Oersted I Amper Postalo je jasno da elektricitet ima magnetsku silu. Sada je trebalo potvrditi utjecaj magnetskih pojava na električne. Faraday je briljantno riješio ovaj problem.

Michael Faraday (1791.-1867.) rođen je u Londonu, u jednom od njegovih najsiromašnijih dijelova. Otac mu je bio kovač, a majka kći zemljoradnika. Kada je Faraday došao u školsku dob, poslan je u osnovnu školu. Tečaj koji je Faraday uzeo ovdje bio je vrlo uzak i ograničen samo na učenje čitanja, pisanja i brojanja.

Nekoliko koraka od kuće u kojoj je živjela obitelj Faraday nalazila se knjižara koja je ujedno bila i knjigovežnica. Tu je završio Faraday, nakon završene osnovne škole, kada se postavilo pitanje izbora zanimanja za njega. Michael je tada imao samo 13 godina. Već u mladosti, kada je Faraday tek započinjao samoobrazovanje, nastojao se oslanjati isključivo na činjenice i provjeravati poruke drugih vlastitim iskustvima.

Te težnje dominirale su njime cijeli život kao glavna obilježja njegove znanstvene djelatnosti. Faraday je počeo provoditi fizikalne i kemijske eksperimente još kao dječak pri prvom upoznavanju fizike i kemije. Jednog dana Michael je prisustvovao jednom od predavanja Humphry Davy, veliki engleski fizičar.

Faraday je detaljno zabilježio predavanje, uvezao ga i poslao Davyju. Bio je toliko impresioniran da je pozvao Faradaya da radi s njim kao tajnik. Ubrzo je Davy otišao na put u Europu i poveo Faradaya sa sobom. Tijekom dvije godine obišli su najveća europska sveučilišta.

Vrativši se u London 1815., Faraday je počeo raditi kao asistent u jednom od laboratorija Kraljevskog instituta u Londonu. U to vrijeme bio je to jedan od najboljih laboratorija za fiziku na svijetu. Od 1816. do 1818. Faraday je objavio niz malih bilješki i kratkih memoara o kemiji. Faradayev prvi rad o fizici datira iz 1818. godine.

Na temelju iskustava svojih prethodnika i kombinirajući nekoliko vlastitih iskustava, do rujna 1821. Michael je objavio "Priča o uspjehu elektromagnetizma". Već u to vrijeme formirao je potpuno ispravan koncept o suštini pojave otklona magnetske igle pod utjecajem struje.

Postigavši ​​ovaj uspjeh, Faraday je napustio svoje desetogodišnje studije na području elektriciteta, posvetivši se proučavanju niza predmeta različite vrste. Godine 1823. Faraday je došao do jednog od najvažnijih otkrića na području fizike - prvi je ukapljio plin, a ujedno je uspostavio jednostavnu, ali učinkovitu metodu pretvaranja plinova u tekućinu. Godine 1824. Faraday je došao do nekoliko otkrića na polju fizike.

Između ostalog, utvrdio je činjenicu da svjetlost utječe na boju stakla, mijenjajući je. Sljedeće godine Faraday se ponovno okreće fizici kemiji, a rezultat njegova rada na tom području bilo je otkriće benzina i sumporno-naftalenske kiseline.

Godine 1831. Faraday je objavio raspravu "O posebnoj vrsti optičke iluzije", koja je poslužila kao osnova za izvrstan i zanimljiv optički projektil nazvan "kromotrop". Iste godine objavljena je još jedna rasprava znanstvenika "O vibrirajućim pločama". Mnoga od tih djela mogla bi i sama ovjekovječiti ime svog autora. Ali najvažniji Faradayev znanstveni rad su njegove studije u području elektromagnetizam i električna indukcija.

Strogo govoreći, važnu granu fizike koja se bavi fenomenima elektromagnetizma i induktivnog elektriciteta, a koja je trenutno od tako golemog značaja za tehnologiju, stvorio je Faraday iz ničega.

U vrijeme kada se Faraday konačno posvetio istraživanju na području elektriciteta, utvrđeno je da je u normalnim uvjetima prisutnost naelektriziranog tijela dovoljna da svojim utjecajem pobudi elektricitet u bilo kojem drugom tijelu. Istodobno se znalo da žica kroz koju prolazi struja i koja također predstavlja naelektrizirano tijelo nema nikakvog utjecaja na druge žice postavljene u blizini.

Što je uzrokovalo ovu iznimku? To je pitanje koje je zanimalo Faradaya i čije ga je rješenje dovelo do najvažnijih otkrića na području indukcijskog elektriciteta. Po svom običaju, Faraday je započeo niz pokusa koji su trebali razjasniti bit stvari.

Faraday je namotao dvije izolirane žice paralelne jedna s drugom na isti drveni valjak. Spojio je krajeve jedne žice na bateriju od deset ćelija, a krajeve druge na osjetljivi galvanometar. Kada je struja prošla kroz prvu žicu,

Faraday je svu svoju pozornost usmjerio na galvanometar, očekujući da će iz njegovih vibracija primijetiti pojavu struje u drugoj žici. Međutim, ništa se od toga nije dogodilo: galvanometar je ostao miran. Faraday je odlučio povećati jakost struje te je u strujni krug uveo 120 galvanskih elemenata. Rezultat je bio isti. Faraday je ponovio ovaj eksperiment desetke puta i još uvijek s istim uspjehom.

Svatko drugi na njegovom mjestu napustio bi pokuse uvjeren da struja koja prolazi kroz žicu nema nikakvog utjecaja na susjednu žicu. Ali Faraday je uvijek pokušavao iz svojih eksperimenata i opažanja izvući sve što su mogli dati, pa je, ne primajući izravan učinak na žicu spojenu na galvanometar, počeo tražiti nuspojave.

Odmah je primijetio da galvanometar, ostajući potpuno miran tijekom cijelog prolaska struje, počinje oscilirati kada se sam krug zatvori i kada se otvori. Pokazalo se da u trenutku kada struja prolazi kroz prvu žicu, i također kad ovaj prijenos prestane, kod druge žice također se pobuđuje struja, koja u prvom slučaju ima suprotan smjer od prve struje i isti s njom u drugom slučaju i traje samo jedan trenutak.

Ove sekundarne trenutne struje, uzrokovane utjecajem primarnih, Faraday je nazvao induktivnima, a taj im se naziv zadržao do danas. Budući da su trenutne, odmah nestaju nakon pojave, induktivne struje ne bi imale nikakvog praktičnog značaja da Faraday nije pronašao način da uz pomoć genijalnog uređaja (komutatora) stalno prekida i ponovno provodi primarnu struju koja dolazi iz baterije. duž prve žice, zahvaljujući čemu se druga žica kontinuirano pobuđuje sve više i više novih induktivnih struja, te tako postaje konstantna. Tako je pronađen novi izvor električne energije, uz dosad poznate (trenje i kemijski procesi), - indukcija, te nova vrsta te energije - indukcijski elektricitet.

Nastavljajući svoje pokuse, Faraday je nadalje otkrio da je jednostavno približavanje žice upletene u zatvorenu krivulju drugoj kroz koju teče galvanska struja dovoljno da pobudi induktivnu struju u neutralnoj žici u smjeru suprotnom od galvanske struje, te da uklanjanje neutralna žica opet pobuđuje u njoj induktivnu struju već u istom smjeru kao i galvanska struja koja teče uzduž nepokretne žice, te da se, konačno, te induktivne struje pobuđuju samo tijekom približavanja i odmicanja žice vodiču. galvanske struje, a bez toga gibanja struje se ne pobuđuju, ma koliko su žice jedna drugoj blizu .

Tako je otkrivena nova pojava, slična gore opisanoj pojavi indukcije kada se galvanska struja zatvara i prestaje. Ta su otkrića dovela do novih. Ako je moguće izazvati induktivnu struju kratkim spojem i zaustavljanjem galvanske struje, ne bi li se onda isti rezultat dobio magnetiziranjem i demagnetiziranjem željeza?

Rad Oersteda i Amperea već je uspostavio odnos između magnetizma i elektriciteta. Znalo se da željezo postaje magnet kad se oko njega omota izolirana žica i kroz nju prođe galvanska struja, te da magnetska svojstva toga željeza prestaju čim struja prestane.

Na temelju toga Faraday je došao do ovakvog pokusa: dvije izolirane žice omotane su oko željeznog prstena; s jednom žicom omotanom oko jedne polovice prstena, a drugom oko druge. Kroz jednu žicu propuštena je struja iz galvanske baterije, a krajevi druge spojeni su na galvanometar. I tako, kad se struja zatvorila ili prestala i kad se, posljedično, željezni prsten magnetizirao ili demagnetizirao, igla galvanometra je brzo oscilirala, a zatim brzo stala, to jest, u neutralnoj žici su se pobudile iste trenutne induktivne struje - ovaj put: već pod utjecajem magnetizma.

Tako je ovdje prvi put magnetizam pretvoren u električnu energiju. Nakon što je dobio ove rezultate, Faraday je odlučio diverzificirati svoje eksperimente. Umjesto željeznog prstena, počeo je koristiti željeznu traku. Umjesto pobude magnetizma u željezu galvanskom strujom, on je magnetizirao željezo dodirivanjem trajnog čeličnog magneta. Rezultat je bio isti: uvijek u žici omotanoj oko pegle! u trenutku magnetiziranja i demagnetiziranja željeza pobuđivala se struja.

Tada je Faraday u žičanu spiralu uveo čelični magnet - približavanje i uklanjanje potonjeg uzrokovalo je inducirane struje u žici. Jednom riječju, magnetizam, u smislu pobudnih indukcijskih struja, djelovao je na potpuno isti način kao i galvanska struja.

MAGNETSKO POLJE

Magnetsko međudjelovanje pokretnih električnih naboja, prema pojmovima teorije polja, objašnjava se na sljedeći način: svaki pokretni električni naboj stvara u okolnom prostoru magnetsko polje koje može djelovati na druge pokretne električne naboje.

B je fizikalna veličina koja je karakteristika sile magnetskog polja. Naziva se magnetska indukcija (ili indukcija magnetskog polja).

Magnetska indukcija- vektorska količina. Veličina vektora magnetske indukcije jednaka je omjeru najveće vrijednosti Amperove sile koja djeluje na ravni vodič s strujom prema jakosti struje u vodiču i njegovoj duljini:

Jedinica magnetske indukcije. U Međunarodnom sustavu jedinica za jedinicu magnetske indukcije uzima se indukcija magnetskog polja u kojem na svaki metar duljine vodiča sa strujom od 1 A djeluje maksimalna Amperova sila od 1 N. Ta se jedinica naziva tesla (skraćeno T), u čast istaknutog jugoslavenskog fizičara N. Tesle:

LORENTZOVA SILA

Gibanje vodiča sa strujom u magnetskom polju pokazuje da magnetsko polje djeluje na pokretne električne naboje. Na vodič djeluje Amperova sila F A = ​​​​IBlsin a, a Lorentzova sila djeluje na pokretni naboj:

Gdje a- kut između vektora B i v.

Gibanje nabijenih čestica u magnetskom polju. U jednoličnom magnetskom polju na nabijenu česticu koja se giba brzinom okomitom na linije indukcije magnetskog polja djeluje sila m, konstantna po veličini i usmjerena okomito na vektor brzine. Pod utjecajem magnetske sile čestica poprima ubrzanje čiji je modul jednak:

U jednoličnom magnetskom polju ova se čestica kreće kružno. Polumjer zakrivljenosti putanje po kojoj se čestica giba određuje se iz uvjeta iz kojeg slijedi,

Polumjer zakrivljenosti putanje je konstantna vrijednost, budući da sila okomita na vektor brzine mijenja samo smjer, ali ne i veličinu. A to znači da je ta putanja kružnica.

Period ophoda čestice u jednoličnom magnetskom polju jednak je:

Posljednji izraz pokazuje da period revolucije čestice u jednoličnom magnetskom polju ne ovisi o brzini i polumjeru njezine putanje.

Ako je jakost električnog polja nula, tada je Lorentzova sila l jednaka magnetskoj sili m:

ELEKTROMAGNETSKA INDUKCIJA

Fenomen elektromagnetske indukcije otkrio je Faraday, koji je ustanovio da električna struja nastaje u zatvorenom vodljivom krugu pri svakoj promjeni magnetskog polja koje prodire u krug.

MAGNETSKI TOK

Magnetski tok F(fluks magnetske indukcije) kroz površinu područja S- vrijednost jednaka umnošku veličine vektora magnetske indukcije i površine S i kosinus kuta A između vektora i normale na površinu:

F=BScos

U SI, jedinica magnetskog toka je 1 Weber (Wb) - magnetski tok kroz površinu od 1 m2 koja se nalazi okomito na smjer jednolikog magnetskog polja, čija je indukcija 1 T:

Elektromagnetska indukcija- pojava pojave električne struje u zatvorenom vodljivom krugu s bilo kojom promjenom magnetskog toka koji prodire u krug.

Nastajući u zatvorenoj petlji, inducirana struja ima takav smjer da njezino magnetsko polje djeluje suprotno promjeni magnetskog toka koja ga uzrokuje (Lenzovo pravilo).

ZAKON ELEKTROMAGNETSKE INDUKCIJE

Faradayevi pokusi pokazali su da je jakost inducirane struje I i u vodljivom krugu izravno proporcionalna brzini promjene broja linija magnetske indukcije koje prodiru kroz površinu omeđenu tim krugom.

Stoga je jakost indukcijske struje proporcionalna brzini promjene magnetskog toka kroz površinu omeđenu konturom:

Poznato je da ako se u krugu pojavi struja, to znači da vanjske sile djeluju na slobodne naboje vodiča. Rad ovih sila za pomicanje jediničnog naboja duž zatvorene petlje naziva se elektromotorna sila (EMS). Nađimo induciranu emf ε i.

Prema Ohmovom zakonu za zatvoreni krug

Kako R ne ovisi o , tada

Inducirana emf podudara se u smjeru s induciranom strujom, a ta je struja, u skladu s Lenzovim pravilom, usmjerena tako da magnetski tok koji stvara suprotstavlja promjeni vanjskog magnetskog toka.

Zakon elektromagnetske indukcije

Inducirana emf u zatvorenoj petlji jednaka je brzini promjene magnetskog toka koji prolazi kroz petlju uzetom sa suprotnim predznakom:

SAMOINDUKCIJA. INDUKTIVNOST

Iskustvo pokazuje da magnetski tok F povezan sa strujnim krugom izravno je proporcionalan struji u tom krugu:

F = L*I .

Induktivitet petlje L- koeficijent proporcionalnosti između struje koja prolazi kroz krug i magnetskog toka koji stvara.

Induktivitet vodiča ovisi o njegovom obliku, veličini i svojstvima okoline.

Samoindukcija- pojava pojave inducirane emf u krugu pri promjeni magnetskog toka uzrokovanoj promjenom struje koja prolazi kroz sam krug.

Samoindukcija je poseban slučaj elektromagnetske indukcije.

Induktivitet je veličina brojčano jednaka samoinduktivnoj emf koja se javlja u krugu kada se struja u njemu promijeni za jedan po jedinici vremena. U SI, jedinica induktiviteta se uzima kao induktivitet vodiča u kojem se, kada se jakost struje promijeni za 1 A u 1 s, javlja samoinduktivna emf od 1 V. Ova jedinica se naziva henry (H):

ENERGIJA MAGNETSKOG POLJA

Fenomen samoindukcije sličan je fenomenu inercije. Induktivitet ima istu ulogu pri promjeni struje kao masa pri promjeni brzine tijela. Analog brzine je struja.

To znači da se energija magnetskog polja struje može smatrati vrijednošću sličnom kinetičkoj energiji tijela:

Pretpostavimo da nakon odvajanja zavojnice od izvora struja u krugu opada s vremenom prema linearnom zakonu.

EMF samoindukcije u ovom slučaju ima konstantnu vrijednost:

gdje je I početna vrijednost struje, t je vremenski period tijekom kojeg jakost struje opada od I do 0.

Tijekom vremena t strujni krug prolazi električni naboj q = I cp t. Jer I cp = (I + 0)/2 = I/2, tada je q=It/2. Dakle, rad električne struje je:

Ovaj rad se obavlja zahvaljujući energiji magnetskog polja zavojnice. Tako opet dobivamo:

Primjer. Odredite energiju magnetskog polja zavojnice u kojoj je pri struji od 7,5 A magnetski tok 2,3 * 10 -3 Wb. Kako će se promijeniti energija polja ako se jakost struje prepolovi?

Energija magnetskog polja zavojnice je W 1 = LI 1 2 /2. Prema definiciji, induktivitet zavojnice je L = F/I 1. Stoga,

Odgovor: energija polja je 8,6 J; kad se struja prepolovi, smanjit će se 4 puta.