Вы когда-нибудь задумывались, почему электричество не проходит по проводам мгновенно? Это все из-за тех крошечных, но грозных атомов, которые образуют бесчисленные препятствия на его пути. Эти маленькие возмутители спокойствия, известные как электрическое сопротивление, часто сталкиваются со свободными электронами, препятствуя их потоку. Теперь представьте потенциал, если бы мы могли свести к минимуму эти препятствия. Понимая, что электрическое сопротивление зависит от различных факторов, таких как материал, длина и толщина проводника, мы открываем ключ к повышению эффективности передачи электроэнергии. Вместе мы можем использовать силу инноваций, чтобы преодолеть эти проблемы и проложить путь к более быстрому и беспрепятственному потоку энергии.
Явление электромагнитной индукции
Майкл Фарадей был первооткрывателем явления электромагнитной индукции.
Это явление, при котором изменяющееся магнитное поле в проводнике вызывает электрический ток или электрическое поле.
В момент, когда возникает ток в контуре, который является замкнутым и проводит через себя электроэнергию, при сопровождении этого момента переменой магнитного потока, проходящего через данный контур.
Это явление стало фундаментальным принципом электротехники и электроники. Индукция приводит в действие такие устройства, как трансформаторы, генераторы, электродвигатели, индукционные плиты и многие другие.
Физический смысл магнитной индукции
С физической точки зрения смыслом является: максимальная сила, которая численно равна индукции, при которых магнитное поле оказывает влияние на проводник по длине 1 м и силой тока 1 А.
Магнитная индукция — это физическая величина, определяющая силу и направление магнитного поля в определенной точке пространства.
Она измеряется в единицах Тесла (Т) или Вебер (Вб/м^2) на квадратный метр.
Магнитное поле создается движущимся электрическим зарядом (током) или постоянным магнитом.
Поле воздействует на движущийся заряд, придавая ему дополнительное ускорение, перпендикулярное его скорости и направлению магнитной индукции.
Это явление называется силой Лоренца.
Магнитный поток
Данную физическую величину можно сравнить с дождем. Некоторый объем воды протекает через пустую рамку. Он может быть большим или нет, все будет зависеть от скорости с которой он будет двигаться и площади рамки. Магнитный поток имеет зависимость от электромагнитной индукции. Это явление описывают векторы индукции B, проходящие через поверхность и вдоль нее.
Магнитное поле, является однородным, имеет вектор магнитной индукции B. Через него будет проходить плоская доска с полем S в это поле случайным образом, выбирая любой угол по отношению к вектору B. Необходимо выявить вектор B, расположенный перпендикулярно плоскости поверхности. Длина вектора будет равна величине поверхности.
Поток вектора магнитной индукции ФB, проходящий через поверхность S — это скалярное произведение векторов B и S
Таким образом, магнитным потоком является поток вектора магнитной индукции B, проходящий через определенную поверхность. Для минимального участка будет равен произведению модуля | B | на площадь участка dS и косинус угла α между B и нормалью n к плоскости участка. Для поверхности конечных размеров находится как сумма (интеграл) по её малым фрагментам. Формулой это записывается так: Φ = BS cosθ
Зависимости магнитного потока
Измеряют поток в Веберах (Вб, единица измерения — Вб = В · с= кг · м ²· с -2 · А -1), по правилам СГС — Максвелл (Мкс, 1 Вб = 10 8 Мкс).
Магнитный поток имеет зависимость от 3 величин: магнитного поля B, площади S и угла α.
Поток обладает линейной зависимостью от B и S. При увеличении площади S, и неизменных магнитном поле B и углу α, поток возрастает. В связи с этим при наличии большего масштаба площади поток тоже увеличивается, а небольшая площадь порождает соответственно маленькие значения.
При увеличении магнитного поля B, магнитный поток возрастает. Поле, обладающее высокими силой и мощностью приводит к большому потоку, поле с низкой мощностью — к небольшому.
При размещении поверхности перпендикулярно магнитному полю, угол α = 0°. В этой ситуации образуется самый высокий уровень потока. При увеличении угла, магнитный поток будет уменьшаться. По достижении α = 90°, сравняется с отметкой 0, так как магнитное поле располагается на параллельном уровне по отношению к поверхности. Далее происходит опять увеличение.
Самоиндукция
Возникает в проводнике при перемене силы тока, проходящего через данный проводник.
Электродвижущая сила самоиндукции имеет прямую пропорциональную зависимость от скорости перемены тока, проходящего через проводник, обязательное условие — впереди знак минус. Коэффициент пропорциональности является индуктивностью, зависящей от геометрических размеров проводника.
Индуктивность
Это характеристика проводника, препятствующая изменениям пропускаемого тока. Единица измерения индуктивности — Генри (Гн). Индуктивность электрической цепи величиной 1 Гн возможна в цепи, где порождается ЭДС самоиндукции в 1 Вольт при равномерной перемене тока в этой цепи, при скорости 1 Ампер в секунду. Сопротивление, преобразующее электрическую энергию в тепловую, является активным сопротивлением.
Энергия магнитного поля
Энергией магнитного поля обозначается количественная величина, отражающая работу, которая была потрачена электрическим током в проводнике или катушке индуктивности для создания этого поля.
Зависимость энергии поля от индуктивности проводника, вокруг которого произошло образование этого поля отражается буквой W. Единицы измерения энергии — Дж/м3 или МГсЭ (Мега Гаусс Эрстеды).
Правило ленца
Правило Ленца объясняет и вычисляет куда направлен индукционный ток и излагает это следующим образом: индукционный ток движется в определенном направлении таким образом, что ослабляет причину, его побудившую.
На практике показано, что индукционный ток, возникающий в замкнутом контуре благодаря изменениям магнитного потока, постоянно имеет определенное направление. Магнитное поле мешает перемене потока, вызвавшего индукционный ток. Правило было разработано Ленцем в 1833 году.
Правило Ленца жизненно нужно для работы многочисленных технических деталей. Ярким примером является вихретоковый тормоз. Данный тормоз не имеет износа, в связи с отсутствием трения. Тормозная сила вырабатывается магнитными полями. Данная разновидность тормозов присутствует в поездах и грузовиках. Электродвигатели имеют тот же принцип работы.
Правило Ленца описывает почему молния, попавшая в машину не наносит вред пассажирам. Клетка Фарадея имеет тот же принцип действия.
Металлодетекторы, широко распространенные в аэропортах или магазинах, имеют одинаковый принцип работы. Они вырабатывают магнитное поле, используя катушку. При нахождении в поле металлического предмета, начинают индуцироваться вихревые токи. По правилу Ленца, они имеют такое направление, которое проявляет противодействующие силы по отношению к причине возникновения тока. В связи с этим поле детектора ослабевает. Благодаря этому ток в нем уменьшается, и звучит сигнал тревоги.
Металлодетекторы располагают в определенных светофорах, однако в них катушка пролегает в асфальтовом покрытии под машинами. Исходя из этого, светофор, считывает ожидающий автомобиль, и учитывая правила дорожного движения переключает его на зеленый свет. Правило Ленца очень актуально для всевозможных разделов электротехники, а также в бытовой жизни.
Закон электромагнитной индукции фарадея
В случае изменения магнитного потока, проходящего через контур, в данном контуре образуется ЭДС индукции, которая равна модулю скорости изменения магнитного потока.
В случае если замкнутый проводник совершает движение на уровне магнитного поля, в нем порождается ЭДС индукции, которая равна скорости изменения магнитного потока, проходящего через очерченную замкнутым контуром поверхность. Данная зависимость выполняется при различных методах перемены потока. Изменениям может подвергаться площадь контура, индукция или взаимное расположение контура и поля (угол).
Описание опытов фарадея
Майкл Фарадей совершил несколько опытов, которые участвовали в открытии явления электромагнитной индукции.
Первый опыт заключался в том, что на основу, которая не проводит ток намотали 2 катушки: витки первой располагались между витками второй. Витки одной катушки были замкнуты на гальванометр, а второй — подключены к источнику тока.
При включении и прохождении тока по второй катушке в первой порождается импульс тока. При выключении наблюдался импульс тока, но при этом ток через гальванометр шел в обратном направлении.
Второй опыт состоял из того, что первую катушку включили в источник тока, а вторую подключили к гальванометру. Вторая катушка изменяла положение относительно первой. При сокращении расстояния или увеличении его, происходила фиксация тока.
Третий опыт. Когда катушка замкнута на гальванометр, а магнит совершает движения внутрь катушки.
Сила ампера
Сила, воздействующая на проводник, с проходящим в нем током, находящийся в магнитном поле. Модуль силы Ампера обозначается как F A. Единица измерения — Ньютон (Н). Вычисляется модуль силы Ампера как произведение модуля вектора магнитной индукции B, силы тока I, длины проводника l и синуса угла α между условным направлением тока и вектором магнитной индукции
Основные формы электромагнитной индукции
Электромагнитной индукцией является появление электродвижущих сил, на которые воздействуют магнитные поля. Электромагнитная индукция делится на 2 кардинально противоположных вида.
Первый вид, когда индукционная ЭДС появляется благодаря действию переменных магнитных полей. Основой является их способность генерировать электрические поля и действовать исключительно вместе с ними. Такие электрические поля считаются вихревыми и соленоидными, что отличает их от безвихревых электрических полей, генерируемых неподвижными зарядами.
Индукция электромагнитная
Ситуация генерации тока в ограниченном проводнике, при пересечении которого магнитным потоком, изменяющимся во времени.
Индукция магнитная
Является векторной физической величиной, а также силовой характеристикой магнитного поля, математически равна отношению модуля силы, при которой магнитное поле влияет на перпендикулярный к магнитным линиям проводник с током, к силе тока в проводнике и его длине.
Единицей измерения — Тл (Тесла).
Эдс индукции
Это происходящая работа, выполненная сторонними силами, появляющаяся в случае изменения магнитного потока, проходящего через контур, по переносу единичного положительного заряда вокруг контура.
Сила индукционного тока будет увеличиваться вместе с ускорением изменения потока, проходящего сквозь контур.
Формула эдс индукции
ЭДС индукции по своей величине, имеет прямую пропорциональную зависимость от индукции магнитного поля, длины проводника и скорости его перемещения.
Эдс индукции в движущемся проводнике
Появление ЭДС в меняющем положение проводнике, можно объяснить при помощи действия на свободные заряды силы Лоренца. Значение ЭДС индукции передвигающегося проводника: i= B l v sin α где В– индукция магнитного поля, l– длина проводника, v– скорость проводника, α — угол между векторами скорости и магнитной индукции. Индукционный ток имеет направление в контуре с перемещающимся проводником, которое определяется правилом правой руки.
Взаимодействие магнита с контуром
В катушке из медного провода располагают магнит. При осуществлении его входящих движений в катушку, постепенно увеличиваются пересекающие ее витки, создаваемые магнитным потоком. Возникающее упорядоченное движение частиц в катушке имеет направление по часовой стрелке, образуя собственное поле, понижающее поле магнита, отталкивая его в обратном направлении от катушки. При удалении магнита от контура, его поток уменьшается, а частицы, имеющие заряд двигаются против часовой стрелки, в связи с этим появляющаяся совокупность силовых магнитных линий притягивает магнит.
Вихревое электрическое поле
Поле, имеющее силовые линии которые не имеют начала и конца, т.е. замкнутые.
С ускорением изменения магнитной индукции, увеличивается напряженность электрического поля. Сила, имеющая действие на заряд со стороны вихревого электрического поля, равна: значению этого переносимого заряда, умноженного на напряжённость вихревого электрического поля.
Действие вихревого электрического поля на замкнутой линии не равна нулю, что отличает его от электростатического поля.
Магнитный поток
Магнитный поток, или поток вектора магнитной индукции — физическую величина, имеющая зависимость от количества линий индукции, проходящих через определенную поверхность.
1 Вб – это магнитный поток, проходящий сквозь поверхность, имеющую площадь 1 м в квадрате, расположенную в однородном магнитном поле индукцией 1 Тл, перпендикулярной линиям индукции: 1 Вб = 1 Тл ⋅ ⋅ 1 м в квадрате= 1 Тл ⋅ ⋅ м в квадрате.
Взаимодействие токов
При течении токов по двум параллельным проводникам в одну сторону, происходит взаимное притяжение проводников. При течении в противоположных направлениях, проводники отталкиваются. Взаимодействие токов происходит благодаря магнитным полям: поле одного тока действует силой Ампера на другой ток и наоборот.
