Використання електромагнітної індукції у електротехнічних пристроях. Явище електромагнітної індукції

Ми вже знаємо, що електричний струм, рухаючись провідником, створює навколо нього магнітне поле . На основі цього явища людина винайшла і широко застосовує найрізноманітніші електромагніти. Але виникає питання: якщо електричні заряди, рухаючись, викликають виникнення магнітного поля, а чи не працює це і навпаки?

Тобто, чи може магнітне поле стати причиною виникнення електричного струмуу провіднику? У 1831 році Майкл Фарадей встановив, що в замкнутому провідному електричному ланцюзі при зміні магнітного поля виникає електричний струм. Такий струм назвали індукційним струмом, а явище виникнення струму в замкнутому провідному контурі при зміні магнітного поля, що пронизує цей контур, носить назву електромагнітної індукції.

Явище електромагнітної індукції

Сама назва «електромагнітна» складається з двох частин: «електро» та «магнітна». Електричні та магнітні явищанерозривно пов'язані один з одним. І якщо електричні заряди, рухаючись, змінюють магнітне поле навколо себе, то й магнітне поле, змінюючись, мимоволі змусить переміщатися електричні заряди, утворюючи електричний струм.

При цьому саме змінне магнітне поле викликає виникнення електричного струму. Постійне магнітне поле не викличе рух електричних зарядів, відповідно, і індукційний струм не утворюється. Більш детальний розгляд явища електромагнітної індукції, виведення формул та закону електромагнітної індукції відноситься до курсу дев'ятого класу.

Застосування електромагнітної індукції

У цій статті ми поговоримо про застосування електромагнітної індукції. На використанні законів електромагнітної індукції засновано дію багатьох двигунів та генераторів струму. Принцип їхньої роботи зрозуміти досить просто.

Зміну магнітного поля можна спричинити, наприклад, переміщенням магніту. Тому, якщо будь-яким стороннім впливом пересувати магніт всередині замкнутого ланцюга, то цьому ланцюгу виникне струм. Так можна створити генератор струму.

Якщо ж навпаки, пустити струм від стороннього джерела ланцюга, то магніт, що знаходиться всередині ланцюга, почне рухатися під впливом магнітного поля, утвореного електричним струмом. Таким чином, можна зібрати електродвигун.

Описаними вище генераторами струму перетворюють механічну енергію електричну на електростанціях. Механічна енергіяце енергія вугілля, дизельного палива, вітру, води тощо. Електрика надходить по дротах до споживачів і там зворотним чином перетворюється на механічну електродвигунах.

Електродвигуни пилососів, фенів, міксерів, кулерів, електром'ясорубок та інших численних приладів, які ми використовуємо щодня, засновані на використанні електромагнітної індукції та магнітних сил. Про використання в промисловості цих явищ і говорити не доводиться, зрозуміло, що воно повсюдно.

Реферат

з дисципліни «Фізика»

Тема: "Відкриття явища електромагнітної індукції"

Виконав:

Студент гурту 13103/1

Санкт-Петербург

2. Досліди Фарадея. 3

3. Практичне застосуванняявища електромагнітної індукції 9

4. Список використаної литературы.. 12

Електромагнітна індукція - явище виникнення електричного струму замкнутому контуріпри зміні магнітного потоку, що проходить через нього. Електромагнітна індукція була відкрита Майклом Фарадеєм 29 серпня 1831 року. Він виявив, що електрорушійна сила, що виникає в замкнутому контурі, що проводить, пропорційна швидкості зміни магнітного потоку через поверхню, обмежену цим контуром. Величина електрорушійної сили(ЕРС) не залежить від того, що є причиною зміни потоку - зміна самого магнітного поля або рух контуру (або його частини) у магнітному полі. Електричний струм, викликаний цією ЕРС, називається індукційним струмом.

У 1820 р. Ганс Христиан Ерстед показав, що електричний струм, що протікає по ланцюгу, викликає відхилення магнітної стрілки. Якщо електричний струм породжує магнетизм, з магнетизмом має бути пов'язана поява електричного струму. Ця думка захопила англійського вченого М. Фарадея. «Перетворити магнетизм на електрику», - записав він у 1822 р. у своєму щоденнику.

Майкл Фарадей

Майкл Фарадей (1791-1867) народився в Лондоні, в одній із найбідніших його частин. Його батько був ковалем, а мати – дочкою землероба-орендаря. Коли Фарадей досяг шкільного віку, його віддали до початкової школи. Курс, пройдений Фарадеєм тут, був дуже вузький і обмежувався лише навчанням читання, письма та початків рахунку.

За кілька кроків від будинку, в якому жила родина Фарадеїв, знаходилася книгарня, яка була разом з тим і палітурним закладом. Сюди й потрапив Фарадей, закінчивши курс початкової школиколи виникло питання про вибір професії для нього. Майклу тим часом минуло лише 13 років. Вже в юнацькому віціКоли Фарадей щойно починав свою самоосвіту, він прагнув спиратися виключно на факти і перевіряти повідомлення інших власними дослідами.

Ці прагнення домінували в ньому все життя як основні його риси наукової діяльностіФізичні та хімічні дослідиФарадей став робити ще хлопчиком при першому ж знайомстві з фізикою та хімією. Якось Майкл відвідав одну з лекцій Гемфрі Деві, великого англійського фізика. Фарадей зробив докладний запис лекції, переплів її та відіслав Деві. Той був настільки вражений, що запропонував Фарадею працювати з ним як секретар. Незабаром Деві вирушив у подорож Європою і взяв із собою Фарадея. За два роки вони завітали до найбільших європейських університетів.

Повернувшись до Лондона у 1815 році, Фарадей почав працювати асистентом в одній із лабораторій Королівського інституту в Лондоні. На той час це була одна з найкращих фізичних лабораторій світу. З 1816 по 1818 Фарадей надрукував ряд дрібних нотаток і невеликих мемуарів з хімії. До 1818 належить перша робота Фарадея з фізики.

Спираючись на досліди своїх попередників і скомбінувавши кілька власних дослідів, до вересня 1821 року Майкл надрукував «Історію успіхів електромагнетизму». Вже в цей час він склав цілком правильне поняттяпро сутність явища відхилення магнітної стрілки під впливом струму.

Досягши цього успіху, Фарадей цілих десять років залишає заняття у сфері електрики, присвятивши себе дослідженню низки предметів іншого роду. У 1823 року Фарадеєм було зроблено одне з найважливіших відкриттів у сфері фізики - він уперше домігся зрідження газу, разом із тим встановив простий, але дійсний метод обігу газів у рідину. У 1824 році Фарадей зробив кілька відкриттів у галузі фізики. Серед іншого він встановив той факт, що світло впливає на колір скла, змінюючи його. У наступному роціФарадей знову звертається від фізики до хімії, і результатом його робіт у цій галузі є відкриття бензину та сірчано-нафталінової кислоти.

У 1831 році Фарадей опублікував трактат «Про особливий оптичний обман», що послужив основою прекрасного і цікавого оптичного снаряда, що називається «хромотропом». Того ж року вийшов ще один трактат вченого «Про вібруючі платівки». Багато з цих робіт могли самі собою обезсмертити ім'я їхнього автора. Але найважливішими з наукових працьФарадея є його дослідження в галузі електромагнетизму та електричної індукції.

Досліди Фарадея

Одержимий ідеями про нерозривного зв'язкуі взаємодії сил природи, Фарадей намагався довести, що так само, як за допомогою електрики Ампер міг створювати магніти, так і за допомогою магнітів можна створювати електрику.

Логіка його була простою: механічна робота легко переходить у тепло; навпаки, тепло можна перетворити на механічну роботу(Скажімо, в паровий машині). Взагалі, серед сил природи найчастіше трапляється таке співвідношення: якщо народжує Б, те й народжує А.

Якщо з допомогою електрики Ампер отримував магніти, то, мабуть, можна «отримати електрику зі звичайного магнетизму». Таке ж завдання поставили перед собою Араго та Ампер у Парижі, Колладон – у Женеві.

Строго кажучи, важливий відділ фізики, що трактує явища електромагнетизму та індукційної електрики, і що має нині таке величезне значення для техніки, був створений Фарадеєм з нічого. На той час, коли Фарадей остаточно присвятив себе дослідженням у галузі електрики, було встановлено, що за звичайних умов достатньо присутності наелектризованого тіла, щоб його вплив порушив електрику в будь-якому іншому тілі. Разом з тим було відомо, що дріт, яким проходить струм і який також являє собою наелектризоване тіло, не впливає на поміщені поруч інші дроти.

Чому залежав цей виняток? Ось питання, яке зацікавив Фарадея і рішення якого привело його до найважливішим відкриттяму галузі індукційної електрики. Фарадей ставить безліч дослідів, веде педантичні записи. Кожному невеликому дослідженню він присвячує параграф у лабораторних записах (видані в Лондоні повністю в 1931 під назвою «Щоденник Фарадея»). Про працездатність Фарадея говорить хоча б той факт, що останній параграф «Щоденника» позначений номером 16041. Блискуча майстерність Фарадея-експериментатора, одержимість, чітка філософська позиція не могли бути винагороджені, але очікувати результату довелося довгих одинадцять років.

Крім інтуїтивної переконаності у загальному зв'язку явищ, його, власне, у пошуках «електрики з магнетизму» ніщо не підтримувало. До того ж він, як його вчитель Деві, більше покладався на свої досліди, ніж на уявні побудови. Деві вчив його:

– Хороший експериментмає більше цінностічим глибокодумність такого генія, як Ньютон.

Проте саме Фарадею судилися великі відкриття. Великий реаліст, він стихійно рвав пута емпірики, колись нав'язані йому Деві, і в ці хвилини його осяяло велике прозріння - він набував здатності до глибоких узагальнень.

Перший проблиск удачі з'явився лише 29 серпня 1831 року. У цей день Фарадей випробовував у лабораторії нескладний пристрій: залізне кільце діаметром близько шести дюймів, обмотане двома шматками ізольованого дроту. Коли Фарадей підключив до затискачів однієї обмотки батарею, його помічник, артилерійський сержант Андерсен, побачив, як сіпнулася стрілка гальванометра, приєднаного до іншої обмотки.

Смикнулася і заспокоїлася, хоча постійний струм продовжував текти по першій обмотці. Фарадей ретельно переглянув усі деталі цієї простої установки – все було гаразд.

Але стрілка гальванометра вперто стояла на нулі. З досади Фарадей вирішив вимкнути струм, і тут сталося диво - під час розмикання ланцюга стрілка гальванометра знову хитнулася і знову застигла на нулі!

Гальванометр, залишаючись абсолютно спокійним під час проходження струму, приходить у коливання при замиканні ланцюга і при розмиканні його. Виявилося, що в той момент, коли в перший дріт пропускається струм, а також коли це пропускання припиняється, у другому дроті також збуджується струм, що має в першому випадку протилежний напрямокз першим струмом і однакове з ним у другому випадку і триває лише одну мить.

Ось тут і відкрилися Фарадею у всій ясності великі ідеї Ампера – зв'язок між електричним струмом та магнетизмом. Адже перша обмотка, в яку він подавав струм, одразу ставала магнітом. Якщо розглядати її як магніт, то експеримент 29 серпня показав, що магнетизм начебто народжує електрику. Тільки дві речі залишалися в цьому випадку дивними: чому сплеск електрики при включенні електромагніта став швидко сходити нанівець? І більше, чому сплеск з'являється при вимкненні магніту?

Наступного дня, 30 серпня, – Нова серіяекспериментів. Ефект ясно виражений, проте абсолютно незрозумілий.

Фарадей відчуває, що відкриття десь поряд.

«Я тепер знову займаюся електромагнетизмом і думаю, що напав на вдалу річ, але ще не можу стверджувати це. Цілком можливо, що після всіх моїх праць я врешті-решт витягну водорості замість риби».

Наступного ранку, 24 вересня, Фарадей підготував багато різних пристроїв, у яких основними елементами були не обмотки з електричним струмом, а постійні магніти. І ефект також існував! Стрілка відхилялася і одразу ж прямувала на місце. Цей легкий рух відбувався за самих несподіваних маніпуляціяхз магнітом, іноді, здавалося, випадково.

Наступний експеримент – 1 жовтня. Фарадей вирішує повернутися до самого початку – до двох обмоток: однієї зі струмом, іншої – приєднаної до гальванометра. Відмінність з першим експериментом – відсутність сталевого кільця – сердечника. Сплеск майже непомітний. Результат тривіальний. Зрозуміло, що магніт без сердечника набагато слабший за магніт з сердечником. Тому й ефект виражений слабкіше.

Фарадей розчарований. Два тижні він не підходить до приладів, розмірковуючи про причини невдачі.

«Я взяв циліндричний магнітний брусок (3/4 дюйма в діаметрі та 8 1/4 дюйма довжиною) і ввів один його кінець усередину спіралі з мідного дроту (220 футів завдовжки), з'єднаного з гальванометром. Потім я швидким рухомвштовхнув магніт усередину спіралі на всю його довжину, і стрілка гальванометра зазнала поштовху. Потім я так само швидко витяг магніт зі спіралі, і стрілка знову хитнулася, але в протилежний бік. Ці хитання стрілки повторювалися щоразу, як магніт вштовхувався чи виштовхувався».

Секрет – у русі магніту! Імпульс електрики визначається не становищем магніту, а рухом!

Це означає, що «електрична хвиля виникає лише за руху магніту, а чи не з властивостей, властивих йому спокою».

Мал. 2. Досвід Фарадея з котушкою

Ця ідея надзвичайно плідна. Якщо рух магніту щодо провідника створює електрику, то, мабуть, і рух провідника щодо магніту має народжувати електрику! Причому ця «електрична хвиля» не зникне доти, доки триватиме взаємне переміщення провідника та магніту. Значить, є можливість створити генератор електричного струму, що діє скільки завгодно довго, аби тривав взаємний рух дроту та магніту!

28 жовтня Фарадей встановив між полюсами підковоподібного магніту мідний диск, що обертається, з якого за допомогою ковзних контактів (один на осі, інший - на периферії диска) можна було знімати електрична напруга. То справді був перший електричний генератор, створений руками людини. Так було знайдено нове джерело електричної енергії, крім раніше відомих (тертя і хімічних процесів), - індукція, та новий видцієї енергії – індукційна електрика.

Досліди, аналогічні фарадіївським, як уже говорилося, проводилися у Франції та Швейцарії. Професор Женевської академії Колладон був досвідченим експериментатором (він, наприклад, зробив на Женевському озері точні виміришвидкості звуку у воді). Можливо, побоюючись струсу приладів, він, як і Фарадей, по можливості видалив гальванометр від решти установки. Багато хто стверджував, що Колладон спостерігав ті ж швидкоплинні рухи стрілки, що й Фарадей, але, чекаючи стабільнішого, тривалішого ефекту, не надав цим «випадковим» сплескам належного значення.

Справді, думка більшості вчених на той час зводилося до того що, зворотний ефект «створення електрики з магнетизму» повинен, мабуть, мати так само стаціонарний характер, як і «прямий» ефект – «освіта магнетизму» з допомогою електричного струму. Несподівана «швидкість» цього ефекту збила з пантелику багатьох, у тому числі Колладона, і ці багато хто поплатився за свою упередженість.

Продовжуючи свої досліди, Фарадей відкрив далі, що досить простого наближення дроту, закрученого в замкнуту криву, до іншої, по якій йде гальванічний струм, щоб у нейтральному дроті порушити індуктивний струм напрямку, зворотного гальванічному струму, що видаляє нейтральний дроти. струм вже однакового напряму з гальванічним, що йде нерухомим дротом, і що, нарешті, ці індуктивні струми збуджуються тільки під час наближення і видалення дроту до провідника гальванічного струму, а без цього руху струми не збуджуються, як би близько один до одного дроту не знаходилися .

Таким чином, було відкрито нове явище, аналогічне вищеописаному явищу індукції при замиканні та припинення гальванічного струму. Ці відкриття викликали, у свою чергу, нові. Якщо можна викликати індуктивний струм замиканням та припиненням гальванічного струму, то чи не вийде той самий результат від намагнічування та розмагнічування заліза?

Роботи Ерстеда та Ампера встановили вже спорідненість магнетизму та електрики. Було відомо, що залізо робиться магнітом, коли навколо нього обмотаний ізольований дріт і останнім проходить гальванічний струм, і що магнітні властивостіцього заліза припиняються, щойно припиняється струм.

Виходячи з цього, Фарадей придумав такого роду досвід: довкола залізного кільцябуло обмотано два ізольовані дроти; причому один дріт був обмотаний навколо однієї половини кільця, а інша - навколо іншої. Через один дріт пропускався струм від гальванічної батареї, а кінці іншої були з'єднані з гальванометром. І ось, коли струм замикався чи припинявся і коли, отже, залізне кільце намагнічувалося чи розмагнічувалося, стрілка гальванометра швидко вагалася і потім швидко зупинялася, тобто в нейтральному дроті порушувалися ті самі миттєві індуктивні струми - цього разу: вже під вплив.

Мал. 3. Досвід Фарадея із залізним кільцем

Таким чином, тут вперше магнетизм був перетворений на електрику. Отримавши ці результати, Фарадей вирішив урізноманітнити свої досліди. Замість залізного кільця він почав використовувати залізну смугу. Замість збудження в залізі магнетизму гальванічним струмом він намагнічував залізо дотиком до постійного сталевого магніту. Результат виходив той самий: у дроті, що обмотував залізо, завжди збуджувався струм у момент намагнічування та розмагнічування заліза. Потім Фарадей вносив у дротяну спіраль сталевий магніт - наближення та видалення останнього викликало у дроті індукційні струми. Словом, магнетизм, у сенсі порушення індукційних струмів, діяв так само, як і гальванічний струм.

Тоді фізиків посилено займало одне загадкове явище, Відкрите в 1824 Араго і не знаходило пояснення, незважаючи на те, що цього пояснення посилено шукали такі видатні вчені того часу, як сам Араго, Ампер, Пуассон, Бабеддж і Гершель. Справа полягала в наступному. Магнітна стрілка, що вільно висить, швидко приходить у стан спокою, якщо під неї підвести коло з немагнітного металу; якщо потім коло привести до обертального руху, магнітна стрілка починає рухатися за ним.

У спокійному стані не можна було відкрити ні найменшого тяжіння чи відштовхування між колом і стрілкою, тим часом як те саме коло, що знаходилося в русі, тягло за собою не тільки легку стрілку, а й важкий магніт. Це воістину чудове явищездавалося вченим того часу таємничою загадкою, що чимось виходить за межі природного. Фарадей, виходячи зі своїх вищевикладених даних, припустив, що гурток немагнітного металу, під впливом магніту, під час обертання оббігається індуктивними струмами, які впливають на магнітну стрілку і тягнуть її за магнітом. І справді, ввівши край гуртка між полюсами великого підковоподібного магніту і з'єднавши дротом центр і край гуртка з гальванометром, Фарадей отримав при обертанні гуртка постійний електричний струм.

Потім Фарадей зупинився на іншому явище, що тоді викликало загальну цікавість. Як відомо, якщо посипати на магніт залізної тирси, вони групуються за певним лініямназивається магнітними кривими. Фарадей, звернувши увагу на це явище, дав основи в 1831 магнітним кривим назва «ліній магнітної сили», що увійшло потім у загальне вживання. Вивчення цих ліній привело Фарадея до нового відкриття, виявилося, що для збудження індуктивних струмів наближення і видалення джерела від магнітного полюсанеобов'язкові. Для збудження струмів достатньо перетнути відомим чином лінії магнітної сили.

Мал. 4. «Лінії магнітної сили»

Подальші роботиФарадея у згаданому напрямі набували, з сучасної йому точки зору, характеру чогось зовсім чудового. На початку 1832 він демонстрував прилад, в якому збуджувалися індуктивні струми без допомоги магніту або гальванічного струму. Прилад складався із залізної смуги, поміщеної у дротяній котушці. Прилад цей за звичайних умов не давав жодної ознаки появи в ньому струмів; але тільки йому давалося напрям, відповідне напрямку магнітної стрілки, у дроті порушувався струм.

Потім Фарадей давав положення магнітної стрілки одній котушці і потім вводив до неї залізну смугу: струм знову збуджувався. Причиною, яка викликала в цих випадках струм, був земний магнетизм, що викликав індуктивні струми подібно до звичайного магніту або гальванічного струму. Щоб наочніше показати і довести це, Фарадей зробив ще один досвід, який цілком підтвердив його міркування.

Він міркував, що якщо коло з немагнітного металу, наприклад, з міді, обертаючись у положенні, при якому він перетинає лінії магнітної сили сусіднього магніту, дає індуктивний струм, то те ж коло, обертаючись без магніту, але в положенні, при якому коло перетинатиме лінії земного магнетизму, теж повинен дати індуктивний струм. Мідне коло, що обертається в горизонтальній площинідав індуктивний струм, що робив помітне відхилення стрілки гальванометра. Ряд досліджень у галузі електричної індукції Фарадей закінчив відкриттям, зробленим у 1835 році, «індуктуючого впливу струму на самого себе».

Він з'ясував, що при замиканні або розмиканні гальванічного струму в самому дроті, що є провідником цього струму, збуджуються моментальні індуктивні струми.

Російський фізик Еміль Христофорович Ленц (1804-1861) дав правило визначення напрями індукційного струму. «Індукційний струм завжди спрямований так, що створюване ним магнітне поле ускладнює або гальмує рух, що викликає індукцію, - зазначає А.А. Коробко-Стефанов у своїй статті про електромагнітну індукцію. - Наприклад, при наближенні котушки до магніту індукційний струм, що виникає, має такий напрямок, що створене ним магнітне поле буде протилежно магнітному полю магніту. В результаті між котушкою та магнітом виникають сили відштовхування. Правило Ленца випливає із закону збереження та перетворення енергії. Якби індукційні струми прискорювали їхній рух, то створювалася б робота з нічого. Котушка сама собою після невеликого поштовху прагнула б назустріч магніту, і водночас індукційний струм виділяв би в ній теплоту. Насправді індукційний струм створюється за рахунок роботи зі зближення магніту і котушки.

Мал. 5. Правило Ленца

Чому виникає індукційний струм? Глибоке пояснення явища електромагнітної індукції дав англійський фізик Джемс Клерк Максвелл – творець закінченої математичної теорії електромагнітного поля. Щоб краще зрозуміти суть справи, розглянемо простий досвід. Нехай котушка складається з одного витка дроту та пронизується змінним магнітним полем, перпендикулярним до площини витка. У котушці, звісно, ​​виникає індукційний струм. Винятково сміливо та несподівано тлумачив цей експеримент Максвелл.

При зміні магнітного поля в просторі, на думку Максвелла, виникає процес, для якого присутність дротяного витка не має жодного значення. Головне тут – виникнення замкнутих кільцевих ліній електричного поля, що охоплюють магнітне поле, що змінюється. Під дією електричного поля, що виникає, рухаються електрони, і в витку виникає електричний струм. Виток - це прилад, що дозволяє виявити електричне поле. Сутність явища електромагнітної індукції в тому, що змінне магнітне поле завжди породжує в навколишньому просторі електричне поле із замкнутими. силовими лініями. Таке поле називається вихровим».

Дослідження в галузі індукції, що виробляється земним магнетизмомдали Фарадею можливість висловити ще в 1832 році ідею телеграфу, яка потім і лягла в основу цього винаходу. А взагалі відкриття електромагнітної індукції недарма відносять до найвидатніших відкриттям XIXстоліття - на цьому явищі заснована робота мільйонів електродвигунів та генераторів електричного струму у всьому світі.

Практичне застосування явища електромагнітної індукції

1. Радіомовлення

Змінне магнітне поле, що збуджується струмом, що змінюється, створює в навколишньому просторі електричне поле, яке в свою чергу збуджує магнітне поле, і т.д. Взаємно породжуючи одне одного, ці поля утворюють єдине змінне електромагнітне поле. електромагнітну хвилю. Виникнувши там, де є провід зі струмом, електромагнітне поле поширюється у просторі зі швидкістю світла -300000 км/с.

Мал. 6. Радіо

2. Магнітотерапія

У діапазоні частот різні місця займають радіохвилі, світло, рентгенівське випромінюваннята інші електромагнітні випромінювання. Їх зазвичай характеризують безперервно пов'язаними між собою електричними та магнітними полями.

3. Синхрофазотрони

В даний час під магнітним полем розуміють особливу формуматерії, що складається з заряджених частинок. У сучасної фізикипучки заряджених частинок використовують для проникнення в глиб атомів з метою їх вивчення. Сила, з якою діє магнітне поле на заряджену частинку, що рухається, називається силою Лоренца.

4. Витратоміри-лічильники

Метод заснований на застосуванні закону Фарадея для провідника в магнітному полі: в потоці електропровідної рідини, що рухається в магнітному полі, наводиться ЕРС, пропорційна швидкості потоку, що перетворюється електронною частиною в електричний аналоговий/цифровий сигнал.

5. Генератор постійного струму

У режимі генератора якір машини обертається під впливом зовнішнього моменту. Між полюсами статора є постійний магнітний потік, що пронизує якір. Провідники обмотки якоря рухаються в магнітному полі і, отже, в них індукується ЕРС, напрямок якої можна визначити за правилом. правої рукиПри цьому на одній щітці виникає позитивний потенціал щодо другої. Якщо до затискачів генератора підключити навантаження, то в ній піде струм.

6. Трансформатори

Трансформатори широко застосовуються при передачі електричної енергії на великі відстані, розподіл її між приймачами, а також у різних випрямних, підсилювальних, сигналізаційних та інших пристроях.

Перетворення енергії у трансформаторі здійснюється змінним магнітним полем. Трансформатор є сердечником з тонких сталевих ізольованих одна від одної пластин, на якому поміщаються дві, а іноді і більше обмоток (котушок) із ізольованого дроту. Обмотка, до якої приєднується джерело електричної енергії змінного струму, називається первинною обмоткою, інші обмотки - вторинними.

Якщо у вторинній обмотці трансформатора намотано втричі більше витків, ніж у первинній, то магнітне поле, створене в осерді первинної обмоткою, перетинаючи витки вторинної обмотки, створить у ній утричі більше напруги.

Застосувавши трансформатор із зворотним співвідношенням витків, можна так само легко і просто отримати знижену напругу.

Список використаної літератури

1. [Електронний ресурс]. Електромагнітна індукція.

< https://ru.wikipedia.org/>

2. [Електронний ресурс]. Фарадей. Відкриття електромагнітної індукції.

< http://www.e-reading.club/chapter.php/26178/78/Karcev_-_Maksvell.html >

3. [Електронний ресурс]. Відкриття електромагнітної індукції.

4. [Електронний ресурс]. Практичне застосування явища електромагнітної індукції

Робота струму - це робота електричного поля з перенесення електричних зарядів вздовж провідника; Робота струму на ділянці ланцюга дорівнює добутку сили струму, напруги та часу, протягом якого робота відбувалася. Застосовуючи формулу закону Ома для ділянки ланцюга, можна записати кілька варіантів формули для розрахунку роботи струму:

А = U * I * t = I2 R * t = U2 / R * t

За законом збереження енергії: робота дорівнює зміні енергії ділянки ланцюга, тому енергія, що виділяється провідником, дорівнює роботі струму.

(A)=B*A*c= Вт*с=ДЖ; 1кВт * год = 3600000 ДЖ

Закон Джоуля-Ленца

При проходженні струму провіднику нагрівається, і відбувається теплообмін з навколишнім середовищем, тобто. провідник віддає теплоту оточуючим його тілам.

Кількість теплоти, що виділяється провідником зі струмом навколишнє середовище, дорівнює добутку квадрата сили струму, опору провідника та часу проходження струму провідником.

A = Q = U * I * t = I2 * R * t = U2 / R * t

Вираз являє собою закон Джоуля-Ленца, експериментально встановлений незалежно один від одного Дж. Джоулем та Е. X. Ленцем.:

dQ = UIdt = I2 Rdt = U2 / R * dt.

Магнітне поле - форма існування матерії, що оточує рухомі електричні заряди (провідники зі струмом, постійні магніти).

Основні властивості магнітного поля: породжується електричними зарядами, що рухаються, провідниками зі струмом, постійними магнітами і змінним електричним полем; діє з силою на електричні заряди, що рухаються, провідники зі струмом, намагнічені тіла; Змінне магнітне поле породжує змінне електричне поле. Правило буравчкиа: Якщо напрямок поступального руху буравчика (гвинта) збігається з напрямком струму у провіднику, то напрям обертання ручки буравчика збігається з напрямком вектора магнітної індукції.

Правило лівої руки дозволяє визначити силу Ампера, тобто. силу, з якою магнітне поле діє провідник зі струмом. Якщо ліву рукурозташувати так, щоб перпендикулярна складова вектора магнітної індукції входила в долоню, а чотири витягнуті пальці направлені по струму, то відігнутий на 90 градусів великий палецьпокаже напрям сили ампера.

На відміну від електричного поля, яке діє на будь-який заряд, магнітне поле діє тільки на заряджені частинки, що рухаються. У цьому виявляється, що сила залежить тільки від величини, а й напряму швидкості заряду. Сила Лоренца Сила, з якою магнітне поле діє заряджену частинку, називається силою Лоренца. Досвід показує, що вектор F~ сили Лоренца знаходиться в такий спосіб. 1.

Абсолютна величина сили Лоренца дорівнює:

Тут q - абсолютна величиназаряду, v – швидкість заряду, B – індукція магнітного поля, б – кут між векторами ~v і B~.

Сила Лоренца перпендикулярна до обох векторів ~v і B~. Іншими словами, вектор F~ перпендикулярний площині, в якій лежать вектори швидкості заряду та індукції магнітного поля. Залишається з'ясувати, який напівпростір щодо цієї площині спрямована сила Лоренца.

Взаємний зв'язок електричних та магнітних полів було встановлено видатним англійським фізиком М. Фарадеєм у 1831 р. Він відкрив явище електромагнітної індукції. Воно полягає у виникненні електричного струму в замкненому провідному контурі при зміні в часі магнітного потоку, що пронизує контур.

Явище електромагнітної індукції полягає у виникненні електричного струму в замкнутому контурі при зміні магнітного потоку, що пронизує контур.

Явище електромагнітної індукції Фарадей досліджував за допомогою двох ізольованих один від одного дротяних спіралей, намотаних на дерев'яну котушку. Одна спіраль була приєднана до гальванічної батареї, а інша - до гальванометра, що реєструє слабкі струми. У моменти замикання та розмикання ланцюга першої спіралі стрілка гальванометра у ланцюгу другої спіралі відхилялася.

Досліди Фарадея.

Досліди Фарадея з дослідження ЕМІ можна розділити на дві серії:

1. виникнення індукційного струму при всуванні та висуванні магніту (котушки зі струмом);

Пояснення досвіду: При внесенні магніту в котушку, з'єднану з амперметром в ланцюзі, виникає індукційний струм. При видаленні також виникає індукційний струм, але іншого напряму. Видно, що індукційний струм залежить від напрямку руху магніту і яким полюсом він вноситься. Сила струму залежить від швидкості руху магніту.

2. Поява індукційного струму в одній котушці при зміні струму в іншій котушці.

Пояснення досвіду: електричний струм у котушці 2 виникає в моменти замикання та розмикання ключа в ланцюзі котушки 1. Видно, що напрямок струму залежить від того, замикають або розмикають ланцюг котушки 1, тобто. від того, збільшується (при замиканні ланцюга) або зменшується (при розмиканні ланцюга) магнітний потік. пронизує 1-ю котушку.

Проводячи численні досліди Фарадей встановив, що у замкнутих провідних контурах електричний струм виникає лише у випадках, що вони перебувають у змінному магнітному полі, незалежно від цього, як досягається зміна потоку індукції магнітного поля у часі.

Струм, що виникає при явищі електромагнітної індукції, називають індукційним.

Строго кажучи, під час руху контуру в магнітному полі генерується не певний струм (який залежить від опору), а певна е.р.с.

Фарадей експериментально встановив, що при зміні магнітного потоку в контурі, що проводить, виникає ЕРС індукції Eінд, рівна швидкостізміни магнітного потоку через поверхню, обмежену контуром, взятою зі знаком мінус:

Ця формула виражає закон Фарадея: е. д. с. індукції дорівнює швидкості зміни магнітного потоку через поверхню обмежену контуром.

Знак мінус у формулі відбиває правило Ленца.

У 1833 році Ленц досвідченим шляхом довів твердження, яке називається правилом Ленца: індукційний струм, що збуджується в замкнутому контурі при зміні магнітного потоку, завжди спрямований так, що створюване ним магнітне поле перешкоджає зміні магнітного потоку, що викликає індукційний струм.

При зростанні магнітного потоку Ф>0, а еінд< 0, т.е. э. д. с. индукции вызывает ток такого направления, при котором его магнитное поле уменьшает магнитный поток через контур.

При зменшенні магнітного потоку Ф<0, а еинд >0, тобто. магнітне поле індукційного струму збільшує спадаючий магнітний потік через контур.

Правило Ленца має глибокий фізичний сенс- воно виражає закон збереження енергії: якщо магнітне поле через контур збільшується, то струм у контурі спрямований так, що його магнітне поле спрямоване проти зовнішнього, а якщо зовнішнє магнітне поле через контур зменшується, то струм спрямований так, що його магнітне поле підтримує це спадне магнітне поле.

ЕРС індукції залежить від різних причин. Якщо всунути в котушку один раз сильний магніт, а в інший - слабкий, показання приладу в першому випадку будуть вищими. Вони будуть вищими й у тому випадку, коли магніт рухається швидко. У кожному з проведених у цій роботі досвіді напрямок індукційного струму визначається правилом Ленца. Порядок визначення напрямку індукційного струму показаний малюнку.

магнітний індукційний струм фарадей

На малюнку синім кольором позначені силові лінії магнітного поля постійного магніту та лінії магнітного поля індукційного струму. Силові лінії магнітного поля завжди спрямовані від N до S - від північного полюсадо південному полюсумагніту.

За правилом Ленца індукційний електричний струм у провіднику, що виникає за зміни магнітного потоку, спрямований таким чином, що його магнітне поле протидіє зміні магнітного потоку. Тому в котушці напрямок силових ліній магнітного поля протилежний силовим лініям постійного магніту, адже магніт рухається у бік котушки. Напрямок струму знаходимо за правилом буравчика: якщо буравчик (з правою нарізкою) вкручувати так, щоб його поступальний рух збігся з напрямком ліній індукції в котушці, тоді напрямок обертання рукоятки буравчика збігається з напрямком індукційного струму.

Тому струм через міліамперметр тече ліворуч, як показано на малюнку червоною стрілкою. У разі, коли магніт відсувається від котушки, силові лінії магнітного поля індукційного струму збігатимуться у напрямку з силовими лініями постійного магніту, і струм буде текти праворуч наліво.

Худолей Андрій, Хников Ігор

Практичне застосування явища електромагнітної індукції

Завантажити:

Попередній перегляд:

Щоб скористатися попереднім переглядом презентацій, створіть собі обліковий запис Google і увійдіть до нього: https://accounts.google.com

Підписи до слайдів:

Електромагнітна індукція в сучасної технікиВиконали учні 11 «А» класу МОУСОШ №2 міста Суворова Хников Ігор, Худолій Андрій

Явище електромагнітної індукції було відкрито 29 серпня 1831 Майклом Фарадеєм. Явище електромагнітної індукції полягає у виникненні електричного струму в провідному контурі, який або спочиває в змінному в часі магнітному полі, або рухається в постійному магнітному полі таким чином, що кількість ліній магнітної індукції, що пронизують контур, змінюється.

ЕРС електромагнітної індукції в замкнутому контурі чисельно дорівнює і протилежна за знаком швидкості зміни магнітного потоку через поверхню, обмежену цим контуром. Напрямок індукційного струму (як і величина ЕРС), вважається позитивним, якщо він збігається з обраним напрямом обходу контуру.

Досвід Фарадея постійний магніт вставляють у котушку, замкнуту на гальванометр, або виймають із неї. Під час руху магніту в контурі виникає електричний струм Протягом одного місяця Фарадей дослідним шляхом відкрив усі істотні особливості явища електромагнітної індукції. Нині досліди Фарадея може провести кожен.

Основні джерела електромагнітного поля Як основні джерела електромагнітного поля можна назвати: Лінії електропередач. Електропроводка (всередині будівель та споруд). Побутові електроприлади. Персональні комп'ютери Теле- та радіопередаючі станції. Супутниковий та стільниковий зв'язок (прилади, ретранслятори). Електротранспорт. Радарні установки.

Лінії електропередач Проводи лінії електропередач, що працює, створюють в прилеглому просторі (на відстанях близько десятків метрів від проводу) електромагнітне поле промислової частоти(50 Гц). Причому напруженість поля поблизу лінії може змінюватися в широких межах залежно від її електричного навантаження. Фактично межі санітарно-захисної зони встановлюються найбільш віддаленої від проводів граничної лінії максимальної напруженості електричного поля, що дорівнює 1 кВ/м.

Електропроводка До електропроводки належать: кабелі електроживлення систем життєзабезпечення будівель, струморозподільні дроти, а також розгалужувальні щити, силові ящики та трансформатори. Електропроводка є основним джерелом електромагнітного поля промислової частоти у житлових приміщеннях. При цьому рівень напруженості електричного поля, що випромінюється джерелом, часто відносно невисокий (не перевищує 500 В/м).

Побутові електроприлади Джерелами електромагнітних полів є всі побутові прилади, що працюють із використанням електричного струму. У цьому рівень випромінювання змінюється у найширших межах залежно від моделі, пристрою і конкретного режиму роботи. Також рівень випромінювання сильно залежить від споживаної потужності приладу – чим вища потужність, тим вищий рівень електромагнітного поля під час роботи приладу. Напруженість електричного поля поблизу електропобутових приладів вбирається у десятків В/м.

Комп'ютери Основним джерелом несприятливого впливуДля здоров'я користувача комп'ютера є засіб візуального відображення (СВО) монітора. Крім монітора та системного блоку персональний комп'ютер може також включати в себе велика кількістьінших пристроїв (таких як принтери, сканери, мережеві фільтри тощо). Всі ці пристрої працюють із застосуванням електричного струму, а отже є джерелами електромагнітного поля.

Електромагнітне поле персональних комп'ютерів має найскладніший хвильовий та спектральний складі важко піддається виміру і кількісної оцінки. Воно має магнітну, електростатичну та променеву складові (зокрема, електростатичний потенціалсидить перед монітором людини може коливатися від -3 до +5 В). Враховуючи ту умову, що персональні комп'ютеризараз активно використовуються у всіх галузях людської діяльностіїх вплив на здоров'я людей підлягає ретельному вивченню та контролю

Теле- і радіопередаючі станції На території Росії в даний час розміщується значна кількість станцій радіотрансляційних і центрів різної приналежності. Передавальні станції та центри розміщуються у спеціально відведених для них зонах і можуть займати досить великі території(До 1000 га). За своєю структурою вони включають одну або кілька технічних будівель, де знаходяться радіопередавачі, і антенні поля, на яких розташовуються до декількох десятків антенно-фідерних систем (АФС). Кожна система включає випромінювальну антену і фідерну лінію, що підводить сигнал, що транслюється.

Супутниковий зв'язок Системи супутникового зв'язку складаються з передавальної станції Землі і супутників – ретрансляторів, що є на орбіті. Передавальні станції супутникового зв'язку випромінюють вузьконаправлений хвильовий пучок, щільність потоку енергії в якому досягає сотень Вт/м. Системи супутникового зв'язку створюють високу напруженість електромагнітного поля на значних відстанях від антен. Наприклад, станція потужністю 225 кВт, що працює на частоті 2,38 ГГц, створює з відривом 100 км щільність потоку енергії 2,8 Вт/м2. Розсіювання енергії щодо основного променя дуже невелике і відбувається найбільше в районі безпосереднього розміщення антени.

Стільниковий зв'язок Стільникова радіотелефонія є сьогодні однією з телекомунікаційних систем, що найбільш інтенсивно розвиваються. Основними елементами системи стільникового зв'язку є базові станції та мобільні радіотелефонні апарати. Базові станції підтримують радіозв'язок з мобільними апаратами, унаслідок чого є джерелами електромагнітного поля. У роботі системи застосовується принцип розподілу території покриття на зони, або так звані "стільники", радіусом км.

Інтенсивність випромінювання базової станції визначається навантаженням, тобто наявністю власників стільникових телефонів у зоні обслуговування конкретної базової станції та їх бажанням скористатися телефоном для розмови, що, у свою чергу, докорінно залежить від часу доби, місця розташування станції, дня тижня та інших факторів. У нічний годинник завантаження станцій практично дорівнює нулю. Інтенсивність випромінювання мобільних апаратів залежить значною мірою стану каналу зв'язку «мобільний радіотелефон – базова станція» (ніж більша відстаньвід базової станції, тим більша інтенсивність випромінювання апарату).

Електротранспорт Електротранспорт (тролейбуси, трамваї, поїзди метрополітену тощо) є потужним джереломелектромагнітного поля у діапазоні частот Гц. При цьому в ролі головного випромінювача в переважній більшості випадків виступає тяговий електродвигун (для тролейбусів і трамваїв повітряні струмоприймачі за напруженістю електричного поля, що випромінюється, суперничають з електродвигуном).

Радарні установки Радіолокаційні та радарні установки зазвичай мають антени рефлекторного типу («тарілки») і випромінюють вузьконаправлений радіопромінь. Періодичне переміщення антени у просторі призводить до просторової уривчастості випромінювання. Спостерігається також тимчасова уривчастість випромінювання, обумовлена ​​циклічністю роботи радіолокатора на випромінювання. Вони працюють на частотах від 500 МГц до 15 ГГц, однак окремі спеціальні установки можуть працювати на частотах до 100 ГГц і більше. Внаслідок особливого характеру випромінювання вони можуть створювати на території зони високою щільністюпотоку енергії (100 Вт/м2 та більше).

Металодетектори Технологічно, принцип дії металодетектора заснований на явищі реєстрації електромагнітного поля, що створюється навколо будь-якого металевого предмета при поміщенні його в електромагнітне поле. Це вторинне електромагнітне поле відрізняється як за напруженістю (силою поля), так і за іншими параметрами. Ці параметри залежать від розміру предмета та його провідності (у золота та срібла провідність набагато краща, ніж, наприклад, у свинцю) і природно – від відстані між антеною металодетектора та самим предметом (глибини залягання).

Вищенаведена технологія зумовила склад металодетектора: він складається з чотирьох основних блоків: антени (іноді випромінююча і приймаюча антени розрізняються, а іноді - це та сама антена), електронного обробного блоку, блоку виведення інформації (візуальної - РК-дисплей або стрілочний індикатор і аудіо - динаміка або гнізда для навушників) та блоку живлення.

Металодетектори бувають: Пошукові Оглядові Для будівельних цілей

Пошукові Даний металодетектор призначений для пошуку усіляких металевих предметів. Як правило - це найбільші за розміром, вартістю і природно за функціями моделі. Це зумовлено тим, що іноді потрібно знаходити предмети на глибині до кількох метрів у товщі землі. Потужна антена здатна створювати великий рівень електромагнітного поля і з високою чутливістю виявляти навіть найменші струмина великій глибині. Наприклад пошуковий металодетектор, виявляє металеву монету на глибині 2-3 метри в товщі землі, яка може навіть містити залізисті геологічні сполуки.

Доглядові Використовується спецслужбами, митниками та співробітниками охорони різних організацій для пошуку металевих предметів (зброї, дорогоцінних металів, проводів вибухових пристроїв і т.д.) захованих на тілі та в одязі людини. Ці металодетектори відрізняють компактність, зручність у користуванні, наявність таких режимів, як беззвучна вібрація рукоятки (щоб обшукувана людина не дізналася, що співробітник, який шукає щось знайшов). Дальність (глибина) виявлення рублевої монети у таких металодетекторах сягає 10-15 див.

Також широке розповсюдженняотримали арочні металодетектори, які зовні нагадують арку та вимагають проходження людини через неї. Уздовж їхніх вертикальних стін прокладено надчутливі антени, які виявляють металеві предмети всіх рівнях зростання людини. Їх зазвичай встановлюють перед місцями культурно-масових розваг, банках, установах тощо. Головна особливістьарочних металодетекторів - висока чутливість(настроювана) та велика швидкістьобробки потоку людей.

Для будівельних цілей Цей класметалодетекторів за допомогою звукової та світлової сигналізації допомагає будівельникам відшукати металеві труби, елементи конструкцій або приводу, розташовані як у товщі стін, так і за перегородками та фальш-панелями. Деякі металодетектори для будівельних цілей часто поєднують в одному приладі з детекторами дерев'яних конструкцій, детекторами напруги на струмопровідних проводах, детекторами протікання і т.д.