Каждый из нас знает, что практически вся жизнедеятельность человека «пронизана» электрическим током. Невозможно представить себе рабочие дни без компьютеров, мобильных телефонов, электрических ламп, дающих свет. Но мало кто задумывается о том, что мы окружены не только электрическим током, но и магнитными полями. Одно является порождением другого и наоборот.
Явление электромагнитной индукции
При движении микроскопических электро частиц возникает магнитное поле, и наоборот, при колебаниях и изменениях показателей магнитного поля будет возникать направленное движение микро электро частиц, т.е. электрический ток. Вообще под понятием индукции в физике принято понимать появление электротока в каком-либо проводнике, при случающихся изменениях магнитных полей.
Явление электромагнитной индукции открыл физик Майкл Фарадей в 1831 году в Англии. Величайшее открытие, которое позволило появиться в жизни такому важнейшему техническому изобретению как электрогенератор, на базе которого работают автомобили, плиты для приготовления пищи, зарядки для любимых гаджетов, радио, медицинская техника и многое другое. Благодаря тому, что он перерабатывает механическую энергию в электрическую. Суть этой работы заключается в том, что вращается катушка с проволокой в определенном магнитном поле, тем самым порождая электроэнергию. Удобство генераторов невозможно переоценить, ведь они дали возможность получать энергию в одном месте, а использовать её в другом, на определенном расстоянии. Источники, которые создают силу генератора – это речная вода, горячий пар, порывистый ветер, двигатель внутреннего сгорания. Так, стихия, соединяясь с наукой, дает жизнь прогрессу.
Закон электромагнитной индукции Фарадея
Если замкнутый проводник (контур) движется в определенном магнитном поле, то там обязательно возникает ЭДС индукции, которая равна скорости изменения магнитного потока, проходящего через ограниченную замкнутым контуром поверхность. Этот закон действует при различных изменениях магнитного потока. Изменениям может подвергаться площадь проводника, магнитная индукция или взаимное расположение контура и магнитного поля (угол).
Изменения магнитного потока, проходящего через замкнутый проводник, порождают электродвижущую силу, которая равна величине и противоположна по знаку скорости изменения этого потока. Он вывел этот закон исходя из следующих опытов:
- Майкл Фарадей взял металлическую катушку с полой серединой, концы которой присоединил к гальванометру. Имеющийся магнит опустил в пустую сердцевину катушки. При движении вверх и вниз было замечено, что на гальванометре стрелка совершает отклоняющиеся движения, это является признаком наличие тока. Если магнит будет двигаться быстрее, сила тока тоже будет расти. Такое же действие произведет двигающийся соленоид при неподвижном магните.
- Для второго опыта понадобилось уже две катушки разных размеров. Та, которая большего размера была подсоединена к гальванометру, а меньшего — к источнику тока. Катушки были подобраны так, чтобы узкая входила в широкую. Если их поместить друг в друга, и несколько раз попробовать запускать ток, то на гальванометре стрелка совершит движение, означая то, что появляется ток.
- При движении двух соленоидов рядом, через которые проходит электрический ток, обнаруживается в них движение электронов.
Данные опыты показывают, чем быстрее движение предметов, тем быстрее движение электронов.
Это величайшее открытие позволяет сегодня воплотить в жизнь магнитотерапию, работу грузоподъёмных электромагнитов (для отделения различных видов металлов и разборке металлолома. В Японии существует так называемый «левитирующий поезд», его скорость движения может достигать 320 км/ч. Работа основана на электромагнитах, способствующих «парению» и огромной скорости. Даже военная промышленность взяла за основу электромагнитную индукцию в свое техническое оснащение.
Правило ленца
Возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван.
Если пытаться магнит провести через кольцо (контур), то оно будет стараться оттолкнуться от магнита. Таким образом, можно сделать вывод, что направление силы действия обращено на выталкивание. Однако, если начать противоположное движение, вынимая магнит из кольца, будет действовать обратная сила его притяжения, останавливающая выход магнита. То есть, появляющееся магнитное поле в кольце в противоположных случаях имеет противоположное направление, а значит, и возникающий в следствии этого ток тоже идет в разных направлениях.
Если магнитное поле будет изменяться вокруг кольца, являющейся потенциальным проводящим элементом тока, то это будет порождать электродвижущую силу и возникновение самого тока. Направление такого тока определяется правилом Ленца. Оно должно противодействовать причине, которая его вызывает. Определить его можно при помощи правила большого пальца или буравчика.
Оно объясняется законом о сохранении энергии. Так как в контуре появляется ток, он обязательно должен совершать работу (которая в свою очередь будет уходить на нагревание кольца), это действие способно появиться исключительно за счет посторонних сил. В опытах, которые проводил Ленц – это были механические силы, подающие магнит к кольцу, при этом они совершали работу. формула эдс индукции:
Зависимости магнитного потока
Магнитный поток – это величина магнитного поля, прошедшего через замкнутый проводящий элемент в определенную величину времени.
Единицей измерения магнитного потока принято считать Вебер (Вб)
Магнитным потоком, проходящим в площади S замкнутого контура, является величина, физически которая равна: поток вектора магнитной индукции B (его модуль) умноженный на площадь поверхности S, через которую проходит данный поток, и на косинус угла α, расположенный между направлением вектора магнитной индукции и вектора нормали (перпендикуляра к плоскости данной поверхности)
Наглядно этот поток пропорционален количеству магнитных линий проходящих через определенную площадь.
Существует интересная взаимосвязь между временем и магнитным потоком. Это можно характеризовать как: при увеличении одного, увеличивается и другое, и в обратном соотношении, то же самое.
Данное правило касается и взаимосвязи магнитного потока и площади, через которую он проходит.
Данный поток, так же имеет взаимосвязь с ЭДС: чем выше будет скорость изменения магнитного потока, тем выше будет индуцированная ЭДС. Аналогичная связь с индукцией и током.
Самоиндукция
Как уже говорилось выше между магнитным потоком и ЭДС существует прямая взаимосвязь. Исходя из этого, образуется такое явление как самоиндукция. Когда изменяется сила течения тока в контуре, соответственно меняется в сторону увеличения и электромагнитный поток, проходящий через тот же контур, следствием этих изменений становится рост индукционной ЭДС.
Индуктивность
Данный показатель показывает, может ли сам проводник, через который проходит электрический ток, обладать свойством накапливания магнитного поля. По нему можно судить, насколько проводящий элемент способен сопротивляться электротоку. Индуктивность имеет зависимость от формы, а также размеров самого контура, от того насколько магнетична окружающая среда.
Энергия магнитного поля
Это физическая величина, которая показывает насколько сильно «трудился» электроток в проводящем элементе, для того, чтобы образовать вокруг магнитное поле. Ее принято измерять в Дж/м³
Ярким примером Правила Ленца является трансформатор
- В самом трансформаторе расположена оборудование катушки, состоящая из сердечника и обмотки. При увеличении уровня тока в первичной обмотке трансформатора, соответственно увеличивается магнитное поле в сердечнике. Данное явление влечет за собой увеличение магнитного потока проходящего через вторичную обмотку, имеющуюся в трансформаторе. Появляющаяся и растущая ЭДС во вторичной обмотке, станет причиной возникновения индукционного тока, который в свою очередь породит собственное магнитное поле для второй обмотки. Второе магнитное поле будет ослаблять первое, как следствие это вызовет увеличение тока в первой обмотке. Электросеть будет вести работу в первой обмотке, и величина этого показателя зависима от уровня нагрузки во второй обмотке.
- Еще один пример воплощения в жизни правила – это инвентарный генератор, он служит источником питания при аварийных и плановых отключениях электроэнергии. Такой прибор очень важен, например, в медицинских и образовательных учреждениях, в которых процесс работы не должен быть прерван, а для этого без электричества не обойтись. При желании такие генераторы можно ставить в частных домах, чтобы не зависеть от плана работ и отключений местной электро-компании.
- Важнейшим изобретением на базе правила Ленца является дизель-генератор. Его способность производить электроэнергию при помощи такого топлива как дизель может не только помочь в работе, но и спасти многие жизни. Мобильность данного устройства способна обеспечить электричеством спасательные работы, строительство, промышленные предприятия, разборы горных завалов, отопительную систему на основе электричества для граждан страны.
Сила ампера
Данная сила имеет воздействие на проводник, пропускающий электроток и который поместили в магнитное поле.
Индукция электромагнитная
Электромагнитная индукция появляется в случае, когда изменяется электромагнитный поток, проходящий через замкнутый проводящий элемент, и при этом рождается ток в этом же проводнике.
Объясняется данное явление следующим образом. Если на свободные заряды начинается воздействие сторонних сил, то появляется ток в цепи. ЭДС отражает величину работы этих сил, влияющей на перемещение заряда по замкнутому контуру. Из этого можно сделать вывод, что изменение количества магнитных линий, проходящих через проводник, порождает ЭДС или ЭДС индукции.
Электрическое поле является единственной причиной движения электронов в статичном проводнике. В свою очередь электрическое поле появляется при переменном во времени магнитном поле, или так называемом вихревом электрическом поле.
Вихревое электрическое поле имеет отличительные черты:
- — в качестве источника имеет переменное магнитное поле;
- — обнаружить его можно при появлении действия на заряд;
- — оно не может быть потенциальным;
- — линии данного поля являются замкнутыми.
Индукция магнитная
Это силовой показатель магнитного поля, который характеризует его воздействие на перемещающиеся заряженные частицы и на имеющие заряд тела. Магнитная индукция имеет формулы:
Физический смысл магнитной индукции
Показывает, насколько сильно действует магнитное поле, на металло-проводник электротока, составляющий в длину 1 метр и имеющий силу тока 1 Ампер.
Это можно описать следующим образом. Любой металл внутри себя имеет неразличимую глазу кристаллическую решетку (примером может служить катушка из металла). В данной кристаллической решетке расположены заряженные электричеством микрочастицы – электроны. Если на металлический проводник не происходит воздействие магнитной силы, то электроны находятся в состоянии покоя, без движения.
Если же проводящий элемент подпадет под воздействие магнитного поля, то электроны начнут свое движение.
В результате этих манипуляций в металлическом проводе, например, появится электрический ток. Сила данного электротока будет зависеть от физических свойств, взятого магнита и проводника, а также, с какой скоростью они будут двигаться относительно друг друга.
В жизни физический смысл магнитной индукции отражается в таких приборах как рентген аппарат, синхрофазотрон, счетчики на электроэнергию, воду и газ, даже трудно себе представить, но работа интернета, тоже зависит от магнитной индукции.
Эдс индукции
При перемене числа магнитных линий, которые проходят через ограниченную контуром поверхность, возникает электродвижущая сила индукционного тока.
Эдс индукции в движущемся проводнике
В проводнике электрического тока, сфера движения которого — однородное магнитное поле, появляется ЭДС индукции в движущихся проводниках. Данная ЭДС порождается благодаря силе Лоренца, имеющей действие на заряды внутри электро проводника. В рамке, которая совершает движение без вращения, занимая однородное поле, ЭДС на разных сторонах имеет разные направления, поэтому электроток по рамке в этих условиях не идет.
Вихревое электрическое поле
Поле, которое возникает в определенном контуре, имеет значительное отличие от электрического поля. Ведь электрическое поле порождается зарядами. Силовые линии статического поля имеют начало и конец на зарядах, а так как в данном примере зарядов нет, а так как линии образующегося электрического поля не имеют начала и конца — они замкнуты.
Поле с замкнутыми силовыми линиями называется вихревым. Например, все имеющиеся в природе магнитные поля являются вихревыми.
Магнитный поток
Магнитным потоком, или потоком вектора магнитной индукции, является исчисляемая физическая величина, которая зависит от количества линий магнитной индукции, проходящих через определенную поверхность.
Электромагнитный поток, проходящий через площадь контура имеет зависимость от величины, которую порождает вектор магнитной индукции, площади контура и его ориентации относительно линий индукции магнитного поля.
Взаимодействие токов
Между статичными элeктpо зapядaми имеют свое действие силы, которые определит закон Кулона. Каждый заряд образует личное элeктpо пoлe, оно в свою очередь имеет действие на другой заряд. Взаимодействие, которое возникает между зарядами, совершающими движение в одном направлении, называют магнитными. Силы, вызванные действиями проводников c током друг на друга, являются магнитными силами.
При соединении параллельных проводников
- возникает электричество одного направления, то проводники притягиваются друг к другу
- возникает электричество разного направления, то проводники отталкиваются друг от друга
Таким образом, в данной статье было выявлено, что действующие электрические силы обладают как притягивающими силами, так и отталкивающими, благодаря зарядам, магнитным полям и кольцам.
