Робота якихось пристроїв заснована на явищі електромагнітної. Явище електромагнітної індукції струму: суть, хто відкрив

Вивчення виникнення електричного струму завжди хвилювало вчених. Після того, як у початку XIXстоліття датський вчений Ерстед з'ясував, що навколо електричного струму виникає магнітне поле, вчені запитали себе: чи може магнітне поле породжувати електричний струм і навпаки. Першим ученим, кому це вдалося, був вчений МайклФарадей.

Досліди Фарадея

Після численних проведених дослідів Фарадей зміг досягти деяких результатів.

1. Виникнення електричного струму

Для проведення досвіду він взяв котушку з великою кількістювитків і приєднав її до міліамперметра (приладу, що вимірює силу струму). У напрямку вгору і вниз вчений пересував магніт по котушці.

Під час проведення експерименту, в котушці дійсно з'являвся електричний струм через зміну магнітного поля навколо неї.

За спостереженнями Фарадея стрілка міліамперметра відхилялася і вказувала на те, що рух магніту породжує електричний струм. Під час зупинки магніту стрілка показувала нульову розмітку, тобто. струм не циркулював ланцюгом.

Дане явище, за якого струм виникає під дією змінного магнітного поля в провіднику, назвали явищем електромагнітної індукції.

2.Зміна напряму індукційного струму

У своїх подальших дослідженнях Майкл Фарадей намагався з'ясувати, що впливає на напрямок індукційного електричного струму, що виникає. Проводячи досліди, він помітив, що змінюючи числа мотків на котушці або полярність магнітів, напрям електричного струму, що виникає у замкнутій мережі, змінюється.

3.Явление електромагнітної індукції

Для проведення досвіду вчений взяв дві котушки, які розташував близько один до одного. Перша котушка, що має велика кількістьвитків дроту, була приєднана до джерела струму і ключа, що замикає та розмикає ланцюг. Другу таку ж котушку він приєднав до міліамперметра вже без підключення до джерела струму.

Проводячи експеримент, Фарадей зауважив, що при замиканні електричного ланцюгавиникає індукований струм, що видно за рухом стрілки міліамперметра. При розмиканні ланцюга міліамперметр також показував, що ланцюга є електричний струм, але показання були прямо протилежними. Коли ж ланцюг був замкнутий і рівномірно циркулював струм, струму в електричному ланцюзі згідно з даними міліамперметра не було.

https://youtu.be/iVYEeX5mTJ8

Виведення з експериментів

У результаті відкриття Фарадея було доведено таку гіпотезу: електричний струм з'являється лише за зміни магнітного поля. Також було доведено, що зміна числа витків у котушці змінює значення сили струму (збільшення мотків збільшує силу струму). Причому індукований електричний струм може з'явитися в замкнутому ланцюгу лише за наявності змінного магнітного поля.

Від чого залежить електричний індукційний струм?

Грунтуючись на всьому сказаному вище, можна відзначити, що навіть якщо є магнітне поле, це не призведе до виникнення електричного струму, якщо дане поле не буде при цьому змінним.

Тож від чого залежить величина індукційного поля?

1. Число витків на котушці;
2. швидкість зміни магнітного поля;
3. Швидкість руху магніту.

Магнітний потік є величиною, що характеризує магнітне поле. Змінюючись магнітний потік призводить до зміни індукованого електричного струму.

Закон Фарадея

Ґрунтуючись на проведених дослідах, Майкл Фарадей сформулював закон електромагнітної індукції. Закон полягає в тому, що магнітне поле при своїй зміні призводить до виникнення електричного струму, Ток же вказує на наявність електрорушійної сили електромагнітної індукції (ЕРС).

Швидкість магнітного струмузмінюючись тягне у себе зміна швидкості струму та ЕРС.

Закон Фарадея: ЕРС електромагнітної індукції дорівнює чисельно та протилежна за знаком швидкості зміни магнітного потоку, який проходить через поверхню, обмежену контуром

Індуктивність контуру. Самоіндукція.

Магнітне поле створюється в тому випадку, коли струм протікає в замкнутому контурі. Сила струму впливає на магнітний потік і індукує ЕРС.

Самоіндукція – явище, у якому ЕРС індукціївиникає за зміни сили струму в контурі.

Самоіндукція змінюється залежно від особливостей форми контуру, його розмірів та середовища, що його містить.

При збільшенні електричного струму струм самоіндукції контуру може уповільнити його. При його зменшенні струм самоіндукції, навпаки, не дає йому так швидко зменшуватися. Таким чином, контур починає мати свою електричну інертність, що уповільнює будь-яку зміну струму.

Застосування індукованого ЕРС

Явище електромагнітної індукції має застосування на практиці у генераторах, трансформаторах та двигунах, що працюють на електриці.

При цьому струм для цих цілей одержують такими способами:

1. Зміна струму в котушці;
2. Рух магнітного поля через постійні магніти та електромагніти;
3. Обертання витків або котушок у постійному магнітному полі.

Відкриття електромагнітної індукції Майкла Фарадея зробило великий внесок у науку і нашу повсякденне життя. Це відкриття послужило поштовхом для подальших відкриттівв галузі вивчення електромагнітних полів та має широке застосуванняв сучасного життялюдей.

Закон електромагнітної індукції лежить в основі сучасної електротехніки, а також радіотехніки, яка, своєю чергою, становить ядро ​​сучасної індустрії, що повністю перетворила всю нашу цивілізацію. Практичне застосуванняЕлектромагнітна індукція почалася тільки через півстоліття після її відкриття. В той час технічний прогресйшов ще порівняно повільно. Причина, через яку електротехніка грає настільки важливу рольу всьому нашому сучасному житті полягає в тому, що електрика є найбільш зручною формою енергії і саме завдяки закону електромагнітної індукції. Останній дозволяє легко отримувати електроенергію з механічної (генератори), гнучко розподіляти та транспортувати енергію (трансформатори) та перетворювати її назад на механічну (електромотор) та інші види енергії, причому все це відбувається з дуже високим ККД. Ще якихось 50 років тому розподіл енергії між верстатами на заводах здійснювався через складну системувалів і ремінних передач - ліс трансмісій становив характерну деталь індустріального інтер'єру того часу. Сучасні верстати обладнані компактними електродвигунами, які живляться за системою прихованої електропроводки.

Сучасна індустрія використовує єдину системуелектропостачання, що охоплює всю країну, інколи ж і кілька сусідніх країн.

Система електропостачання починається із генератора електроенергії. Робота генератора полягає в безпосередньому використанні закону електромагнітної індукції. Схематично найпростіший генераторє нерухомий електромагніт (статор), в полі якого обертається котушка (ротор). Змінний струм, що збуджується в обмотці ротора, знімається за допомогою спеціальних рухомих контактів - щіток. Через рухливі контакти важко пропустити велику потужність, часто застосовується звернена схема генератора: електромагніт, що обертається, збуджує струм в нерухомих обмотках статора. Таким чином, генератор перетворює на електрику механічну енергію обертання ротора. Останній рухається за допомогою або теплової енергії (парова або газова турбіна), або механічної (гідротурбіна).

На іншому кінці системи енергопостачання стоять різні виконавчі механізми, що використовують електроенергію, найважливішим є електродвигун (електромотор). Найбільш поширений завдяки своїй простоті так званий асинхронний двигун, винайдений незалежно в 1885-1887 рр. хттальяноким фізиком Ферарісом і знаменитим хорватським інженером Тесла (США). Статор такого двигуна є складним електромагнітом, що створює обертове поле. Обертання поля досягається за допомогою системи обмоток, струми в яких зрушені по фазі. У найпростішому випадку достатньо взяти суперпозицію двох полів у перпендикулярних напрямках, зрушених фазою на 90° (рис. VI.10).

Таке поле можна записати у вигляді комплексного виразу:

яке представляє двовимірний вектор постійної довжини, що обертається проти годинникової стрілки з частотою. Хоча формула (53.1) схожа комплексне уявлення змінного струмуу § 52, її фізичний сенсінакший. У разі змінного струму реальне значеннямала тільки дійсна частина комплексного виразу, тут же комплексна величина представляє двовимірний вектор, а її фаза не тільки є фазою коливань компонент змінного поля, але й характеризує напрямок вектора поля (див. рис. VI.10).

У техніці зазвичай використовується дещо більше складна схемаобертання поля за допомогою так званого трифазного струму, тобто трьох струмів, фази яких зрушені на 120 ° один щодо одного. Ці струми утворюють магнітне поле у ​​трьох напрямках, повернутих один щодо іншого на кут 120° (рис. VI.11). Зазначимо, що такий трифазний струм автоматично виходить у генераторах з аналогічним розташуванням обмоток. Отриманий широке розповсюдженняу техніці трифазний струм був винайдений

Мал. VI.10. Схема отримання магнітного поля, що обертається.

Мал. VI.11. Схема асинхронного двигуна Ротор для простоти показаний у вигляді одного витка.

1888 р. видатним російським електротехніком Доливо-Добровольським, який побудував у Німеччині на цій основі першу у світі технічну лінію електропередачі.

Обмотка ротора асинхронного двигуна полягає у найпростішому випадку із короткозамкнених витків. Змінне магнітне поле наводить у витках такий струм, що призводить до обертання ротора у тому напрямі, як і магнітне полі. Відповідно до правила Ленца ротор прагне «наздогнати» магнітне поле, що обертається. Для навантаженого двигуна швидкість обертання ротора завжди менша, ніж поля, тому що в іншому випадку ЕРС індукції і струм у роторі звернулися б в нуль. Звідси назва – асинхронний двигун.

Завдання 1. Знайти швидкість обертання асинхронного ротора двигуна в залежності від навантаження.

Рівняння для струму в одному витку ротора має вигляд

де - кутова швидкістьковзання поля щодо ротора, що характеризує орієнтацію витка щодо поля, розташування витка в роторі (рис. VI.12, а). Переходячи до комплексних величин (див. § 52), отримаємо рішення (53.2)

Обертальний момент, що діє на виток у цьому ж магнітному полі,

Мал. VI.12. До завдання про асинхронний двигун. а - виток обмотки ротора в "ковзному" полі; б – навантажувальна характеристика двигуна.

Зазвичай обмотка ротора містить велике числорівномірно розташованих витків, так що підсумовування по 9 можна замінити інтегруванням, в результаті отримуємо для повного моментуна валу двигуна

де - Число витків ротора. Графік залежності зображено на рис. VI.12 б. Максимальний момент відповідає частоті ковзання Відзначимо, що омічний опір ротора впливає тільки на частоту ковзання, але не на максимальний момент двигуна. Негативна частота ковзання (ротор «обганяє» поле) відповідає режиму генератора. Для підтримки такого режиму необхідно витрачати зовнішню енергію, яка перетворюється на електричну в обмотках статора.

При заданому моменті частота ковзання неоднозначна, проте стійким лише режим

Основний елемент систем перетворення та транспортування електроенергії - трансформатор, що змінює напругу змінного струму. Для дальньої передачі електроенергії вигідно використовувати максимально можливу напругу, що обмежується лише пробоєм ізоляції. В даний час діють лінії передачі з напругою близько При заданій потужності, що передається струм в лінії назад пропорційний напрузі, а втрати в лінії падають як квадрат напруги. З іншого боку, для живлення споживачів електроенергії потрібні значно менші напруги, головним чином з міркувань простоти конструкції (ізоляції), а також техніки безпеки. Звідси необхідність трансформації напруги.

Зазвичай трансформатор і двох обмоток на загальному залізному сердечнику (рис. VI. 13). Залізний сердечник необхідний трансформатор для зменшення потоку розсіювання і, отже, кращого потокосцепления між обмотками. Так як залізо є одночасно і провідником, воно пропускає змінне

Мал. V1.13. Схема трансформатора змінного струму.

Мал. VI.14. Схема пояса Рогівського. Штриховою лінією умовно показаний шлях інтегрування.

магнітне поле лише на невелику глибину (див. § 87). Тому сердечники трансформаторів доводиться робити шихтованими, тобто у вигляді набору тонких пластин, електрично ізольованих одна від одної. Для промислової частоти 50 Гц звичайна товщина пластини становить 05 мм. Для трансформаторів на високі частоти (в радіотехніці) доводиться використовувати дуже тонкі пластини (мм) або феритові сердечники.

Завдання 2. На яку напругу потрібно ізолювати пластини осердя трансформатора?

Якщо число пластин у сердечнику а напруга на виток обмотки трансформатора то напруга між сусідніми пластинами

У найпростішому разі відсутності розсіяного потоку відношення ЕРС в обох обмотках пропорційно числу їх витків, оскільки ЕРС індукції на один виток визначається одним і тим самим потоком у сердечнику. Якщо, крім того, втрати в трансформаторі малі, а опір навантаження велике, то очевидно, що відношення напруги на первинній та вторинній обмотках також пропорційне. У цьому полягає принцип роботи трансформатора, що дозволяє в такий спосіб легко змінювати напругу у багато разів.

Завдання 3. Знайти коефіцієнт трансформації напруги під час довільного навантаження.

Нехтуючи втратами у трансформаторі та розсіюванням (ідеальний трансформатор), запишемо рівняння для струмів в обмотках у вигляді (в одиницях СІ)

де - комплексний опір навантаження (див. § 52) та використано вираз (51.2) для ЕРС індукції складного ланцюга. За допомогою співвідношення (51.6); можна знайти коефіцієнт трансформації напруги не вирішуючи рівнянь (53.6), а просто поділивши їх одне на інше:

Коефіцієнт трансформації виявляється рівним, таким чином, просто відношенню числа витків за будь-якого навантаження. Знак залежить від вибору початку та кінця обмоток.

Для знаходження коефіцієнта трансформації по струму потрібно вирішити систему (53.7), внаслідок чого отримаємо

У загальному випадкукоефіцієнт виявляється деякою комплексною величиною, тобто між струмами в обмотках утворюється зсув фаз. Представляє інтерес окремий випадокмалого навантаження Тоді т. е. відношення струмів стає зворотним відношеннямнапруги.

Такий режим роботи трансформатора можна використовуватиме вимірювання великих струмів (трансформатор струму). Виявляється, що таке ж просте перетворення струмів зберігається і для довільної залежності струму від часу за спеціальної конструкції трансформатора струму. У цьому випадку він називається поясом Рогівського (рис. VI.14) і являє собою гнучкий замкнутий соленоїд довільної форми з рівномірним намотуванням. Робота поясу заснована на законі збереження циркуляції магнітного поля (див. § 33): де інтегрування здійснюється за контуром усередині пояса (див. рис. VI.14), - повний вимірюваний струм, що охоплюється поясом. Припускаючи, що поперечні розміри пояса досить малі, можна записати ЕРС індукції, що наводиться на поясі, так:

де - поперечний перерізпояси, а - щільність намотування, обидві величини передбачаються постійними вздовж пояса; всередині пояса, якщо щільність намотування пояса та його переріз 50 постійні по довжині (53.9).

Просте перетворення електричної напругиможливе тільки для змінного струму. Цим визначається його вирішальна роль сучасної промисловості. У тих випадках, коли потрібно постійний струм, виникають суттєві проблеми. Наприклад, у наддальних лініях передачі електроенергії застосування постійного струму дає значні переваги: ​​зменшуються теплові втрати, оскільки немає скін-ефекту (див. § 87) та відсутні резонансні

(хвильові) перехідні процеси при включенні - вимкненні лінії передачі, довжина якої близько довжини хвилі змінного струму (6000 км для промислової частоти 50 Гц). Складність ж полягає у випрямленні змінного струму високої напругина одному кінці лінії передачі та зворотного перетворення- на іншому.

Сьогодні ми розповімо про явище електромагнітної індукції. Розкриємо, чому цей феномен був відкритий і яку користь приніс.

Шовк

Люди завжди прагнули жити краще. Хтось може подумати, що це привід звинуватити людство в жадібності. Але часто мова йдепро набуття елементарної побутової зручності.

У середньовічної Європивміли робити тканини вовняні, бавовняні та лляні. А ще в той час люди страждали від надлишку бліх та вошей. При цьому у китайській цивілізації вже навчилися віртуозно ткати шовк. Одяг з нього не підпускав кровососів до шкіри людини. Лапки комах ковзали по гладкій тканині, і воші звалювалися. Тому європейці захотіли будь-що одягатися в шовк. А торговці подумали, що це ще одна нагода розбагатіти. Тому було прокладено Великий шовковий шлях.

Тільки так бажану тканину доставляли Європі, що страждає. І настільки багато людей залучалися до процесу, що в результаті виникали міста, імперії сперечалися за право стягувати податки, а деякі відрізки шляху досі найбільше зручний спосібдістатись потрібного місця.

Компас та зірка

На шляху караванів з шовком вставали гори та пустелі. Бувало, що характер місцевості залишався тим самим тижні та місяці. Степові дюни змінювалися такими ж пагорбами, один перевал слідував за іншим. І людям треба було якось орієнтуватися, щоби доставити свій цінний вантаж.

Першими на допомогу прийшли зірки. Знаючи, який сьогодні день і яких сузір'їв очікувати, досвідчений мандрівник завжди міг визначити, де південь, де схід, і куди йти. Але людей із достатнім обсягом знань завжди не вистачало. Та й час точно відраховувати тоді не вміли. Захід сонця, схід сонця - ось і всі орієнтири. А снігова чи піщана буря, похмура погода унеможливлювали навіть можливість бачити полярну зірку.

Потім люди (ймовірно, давні китайці, але вчені ще сперечаються щодо цього) зрозуміли, що один мінерал завжди певним чином розташований по відношенню до сторін світу. Ця властивість використовувалась, щоб створити перший компас. До відкриття явища електромагнітної індукції було далеко, але початок було покладено.

Від компасу до магніту

Сама назва «магніт» походить від топоніму. Ймовірно, перші компаси робилися з руди, що видобувається на пагорбах Магнезії. Ця область знаходиться в Малій Азії. І виглядали магніти як чорне каміння.

Перші компаси були дуже примітивними. У чашу чи іншу ємність наливалася вода, зверху клався тонкий диск із плавучого матеріалу. А в центр диска містилася намагнічена стрілка. Один її кінець завжди вказував на північ, інший – на південь.

Важко навіть уявити, що караван зберігав воду для компаса, поки від спраги вмирали люди. Але не втратити напрямок і дозволити людям, тваринам та товару дістатися до безпечного місцябуло важливіше кількох окремих життів.

Компаси виготовляли безліч подорожей і зустрічалися з різними феноменами природи. Не дивно, що електромагнітної індукції було відкрито у Європі, хоча магнітна руда спочатку добувалася Азії. Ось таким хитромудрим чином бажання європейських мешканців спати зручніше призвело до найважливішому відкриттюфізики.

Магнітне чи електричне?

На початку дев'ятнадцятого століття вчені зрозуміли, як отримувати постійний струм. Було створено першу примітивну батарейку. Її вистачало для того, щоб пустити по металевим провідникам потік електронів. Завдяки першому джерелу електрики було здійснено низку відкриттів.

У 1820 році датський вчений Ганс Крістіан Ерстед з'ясував: магнітна стрілка відхиляється поряд із включеним у мережу провідником. Позитивний полюс компаса завжди розташований належним чином по відношенню до напрямку струму. Вчений виробляв досвід у всіх можливих геометріях: провідник був над або під стрілкою, вони розташовувалися паралельно чи перпендикулярно. У результаті завжди виходило одне й те саме: включений струм рухав магніт. Так було передбачено відкриття явища електромагнітної індукції.

Але думка вчених має підтверджуватись експериментом. Відразу після досвіду Ерстеда англійський фізик Майкл Фарадей запитав: «Магнітне та електричне поле просто впливають один на одного, або вони пов'язані вже?» Першим вчений перевірив припущення, що й електричне полі змушує відхилятися намагнічений предмет, то магніт повинен породжувати струм.

Схема досвіду проста. Нині її може повторити будь-який школяр. Тонкий металевий дріт був згорнутий у формі пружини. Її кінці підключалися до приладу, що реєструє струм. Коли поруч із котушкою рухався магніт – стрілка пристрою показувала напругу електричного поля. У такий спосіб було виведено закон електромагнітної індукції Фарадея.

Продовження дослідів

Але це не все, що зробив учений. Раз магнітне та електричне поле пов'язані тісно, ​​потрібно з'ясувати, наскільки.

Для цього Фарадей до однієї обмотки підвів струм і всунув її всередину іншої такої ж обмотки радіусом більше за першу. І знову було індуковано електрику. Таким чином, вчений довів: заряд, що рухається, породжує і електричне, і магнітне поля одночасно.

Варто наголосити, що йдеться про рух магніту або магнітного поля всередині замкнутого контуру пружини. Тобто потік має постійно змінюватися. Якщо цього немає, струм не генерується.

Формула

Закон Фарадея для електромагнітної індукції виражається формулою

Розшифруємо символи.

ε позначає ЕРС або електрорушійну силу. Ця величина скалярна (тобто не векторна), і вона показує роботу, яку прикладають якісь сили чи закони природи, щоб створити струм. Слід зазначити, що роботу повинні виконувати обов'язково неелектричні явища.

Φ - це магнітний потік крізь замкнутий контур. Ця величинає твором двох інших: модуля вектора магнітної індукції та площі замкнутого контуру. Якщо магнітне поле діє на контур не строго перпендикулярно, то до твору додається косинус кута між вектором і нормаллю до поверхні.

Наслідки відкриття

За цим законом були інші. Наступні вчені встановлювали залежність напруженості електричного струму від потужності, опору від матеріалу провідника. Вивчалися нові властивості, створювалися неймовірні сплави. Нарешті, людство розшифрувало структуру атома, вникло в таємницю народження та смерті зірок, розкрило геном живих істот.

І всі ці звершення вимагали величезної кількостіресурсів, а насамперед електрики. Будь-яке виробництво чи велике наукове дослідженняпроводилися там, де були доступні три складові: кваліфіковані кадри, безпосередньо матеріал, з яким треба працювати та дешева електроенергія.

А це було можливо там, де сили природи могли надавати великий момент обертання ротору: річки з перепадом висот, долини з сильними вітрами, розлами з надлишком геомагнітної енергії.

Цікаво, що сучасний спосіботримувати електрику не відрізняється принципово від дослідів Фарадея. Магнітний ротор дуже швидко обертається усередині великої котушки дроту. Магнітне поле в обмотці постійно змінюється і генерується електричний струм.

Звичайно, підібрані та найкращий матеріалдля магніту і провідників, і технологія всього процесу зовсім інша. Але суть в одному: використовується принцип, відкритий на простій системі.

Робота струму - це робота електричного поля з перенесення електричних зарядіввздовж 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 у ланцюгу, 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 випадку, коли магніт відсувається від котушки, силові лінії магнітного поля індукційного струму збігатимуться у напрямку силовими лініямипостійного магніту, і струм тече праворуч наліво.

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 постає 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 струму в 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 по ланцюгу, 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.