Значит, полный магнитный поток (потокосцепление) сквозь вторичную обмотку, которая содержит N₂ витков, Поток Ψ создается током I₁, поэтому, используя (1), найдем (3) Если рассчитать магнитный поток, который создавается катушкой 2 сквозь катушку 1, то для L₁₂ получим выражение в соответствии с формулой (3). Значит, взаимная индуктивность двух катушек, которые намотаны на общий тороидальный сердечник,

Трансформа́тор (от лат. transformo — преобразовывать) — это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмоток на каком-либо магнитопроводе и предназначенное для преобразования посредствомэлектромагнитной индукции одной или нескольких систем (напряжений) переменного тока в одну или несколько других систем (напряжений) переменного тока без изменения частоты системы (напряжения) переменного тока

В материале разберемся в понятии ЭДС индукции в ситуациях ее возникновения. Также рассмотрим индуктивность в качестве ключевого параметра возникновения магнитного потока при появлении электрического поля в проводнике.

Электромагнитная индукция представляет собой генерирование электрического тока магнитными полями, которые изменяются во времени. Благодаря открытиям Фарадея и Ленца закономерности были сформулированы в законы, что ввело симметрию в понимание электромагнитных потоков. Теория Максвелла собрала воедино знания об электрическом токе и магнитных потоках. Благодаря открытия Герца человечество узнало о телекоммуникациях.

Магнитный поток

Вокруг проводника с электротоком появляется электромагнитное поле, однако параллельно возникает также обратное явление – электромагнитная индукция. Рассмотрим магнитный поток на примере: если рамку из проводника поместить в электрическое поле с индукцией и перемещать ее сверху вниз по магнитным силовым линиям или вправо-влево перпендикулярно им, тогда магнитный поток, проходящий через рамку, будет постоянной величиной.

При вращении рамки вокруг своей оси, тогда через некоторое время магнитный поток изменится на определенную величину. В результате в рамке возникает ЭДС индукции и появится электрический ток, который называется индукционным.

ЭДС индукции

Разберемся детально, что такое понятие ЭДС индукции. При помещении в магнитное поле проводника и его движении с пересечением силовых линий поля, в проводнике появляется электродвижущая сила под названием ЭДС индукции. Также она возникает, если проводник остается в неподвижном состоянии, а магнитное поле перемещается и пересекается с проводником силовыми линиями.

Когда проводник, где происходит возникновение ЭДС, замыкается на вешнюю цепь, благодаря наличию данной ЭДС по цепи начинает протекать индукционный ток. Электромагнитная индукция предполагает явление индуктирования ЭДС в проводнике в момент его пересечения силовыми линиями магнитного поля.

Электромагнитная индукция являет собой обратный процесс трансформации механической энергии в электроток. Данное понятие и его закономерности широко используются в электротехнике, большинство электромашин основывается на данном явлении.

Законы Фарадея и Ленца

Законы Фарадея и Ленца отображают закономерности возникновения электромагнитной индукции.

Фарадей выявил, что магнитные эффекты появляются в результате изменения магнитного потока во времени. В момент пересечения проводника переменным магнитным током, в нем возникает электродвижущая сила, которая приводит к возникновению электрического тока. Генерировать ток может как постоянный магнит, так и электромагнит.

Ученый определил, что интенсивность тока возрастает при быстром изменении количества силовых линий, которые пересекают контур. То есть ЭДС электромагнитной индукции пребывает в прямой зависимости от скорости магнитного потока.

Согласно закону Фарадея, формулы ЭДС индукции определяются следующим образом:

Знак «минус» указывает на взаимосвязь между полярностью индуцированной ЭДС, направлением потока и изменяющейся скоростью.

Согласно закону Ленца, можно охарактеризовать электродвижущую силу в зависимости от ее направленности. Любое изменение магнитного потока в катушке приводит к появлению ЭДС индукции, причем при быстром изменении наблюдается возрастающая ЭДС.

Если катушка, где есть ЭДС индукции, имеет замыкание на внешнюю цепь, тогда по ней течет индукционный ток, вследствие чего вокруг проводника появляется магнитное поле и катушка приобретает свойства соленоида. В результате вокруг катушки формируется свое магнитное поле.

Э.Х. Ленц установил закономерность, согласно которой определяется направление индукционного тока в катушке и ЭДС индукции. Закон гласит, что ЭДС индукции в катушке при изменении магнитного потока формирует в катушке ток направления, при котором данный магнитный поток катушки дает возможность избежать изменения постороннего магнитного потока.

Закон Ленца применяется для всех ситуаций индуктирования электротока в проводниках, вне зависимости от их конфигурации и метода изменения внешнего магнитного поля.

Движение провода в магнитном поле

Значение индуктированной ЭДС определяется в зависимости от длины проводника, пересекаемого силовыми линиями поля. При большем количестве силовых линий возрастает величина индуктируемой ЭДС. При увеличении магнитного поля и индукции, большее значение ЭДС возникает в проводнике. Таким образом, значение ЭДС индукции в движущемся в магнитном поле проводнике находится в прямой зависимости от индукции магнитного поля, длины проводника и скорости его движения.

Данная зависимость отражена в формуле Е = Blv, где Е — ЭДС индукции; В — значение магнитной индукции; I — длина проводника; v —скорость его перемещения.

Отметим, что в проводнике, который движется в магнитном поле, ЭДС индукции появляется, только когда он пересекает силовые линии магнитного поля. Если проводник движется по силовым линиям, тогда ЭДС не индуктируется. По этой причине формула применяется только в случаях, когда движением проводника направлено перпендикулярно силовым линиям.

Направление индуктированной ЭДС и электротока в проводнике определяется направлением движения самого проводника. Для выявления направления разработано правило правой руки. Если держать ладонь правой руки таким образом, чтобы в ее направлении входили силовые линии поля, а большой палец указывает направление движения проводника, тогда остальные четыре пальца показывают направление индуктированной ЭДС и направление электротока в проводнике.

Вращающаяся катушка

Функционирование генератора электротока основывается на вращении катушки в магнитном потоке, где имеется определенное количество витков. ЭДС индуцируется в электрической цепи всегда при пересечении ее магнитным потоком, на основании формулы магнитного потока Ф = B x S х cos α (магнитная индукция, умноженная на площадь поверхности, через которую проходит магнитный поток, и косинус угла, сформированный вектором направления и перпендикулярной плоскости линии).

Согласно формуле, на Ф воздействуют изменения в ситуациях:

• при изменении магнитного потока меняется вектор направления;
• изменяется площадь, заключенная в контур;
• меняется угол.

Допускается индуцирование ЭДС при неподвижном магните или неизменном токе, а просто при вращении катушки вокруг своей оси в пределах магнитного поля. В данном случае магнитный поток изменяется при смене значения угла. Катушка в процессе вращения пересекает силовые линии магнитного потока, в итоге появляется ЭДС. При равномерном вращении возникает периодическое изменение магнитного потока. Также число силовых линий, которые пересекаются ежесекундно, становится равным значениям через равные временные промежутки.

На практике в генераторах переменного электротока катушка остается в неподвижном состоянии, а электромагнит выполняет вращения вокруг нее.

ЭДС самоиндукции

При прохождении через катушку переменного электротока генерируется переменное магнитное поле, которое характеризуется меняющимся магнитным потоком, индуцирующим ЭДС. Данное явление называется самоиндукцией.

В силу того, что магнитный поток пропорционален интенсивности электротока, тогда формула ЭДС самоиндукции выглядит таким образом:

Ф = L x I, где L – индуктивность, которая измеряется в Гн. Ее величина определяется числом витков на единицу длины и величиной их поперечного сечения.

Взаимоиндукция

При расположении двух катушек рядом в них наблюдается ЭДС взаимоиндукции, которая определяется конфигурацией двух схем и их взаимной ориентацией. При возрастании разделения цепей значение взаимоиндуктивности уменьшается, поскольку наблюдается уменьшение общего для двух катушек магнитного потока.

Рассмотрим детально процесс возникновения взаимоиндукции. Есть две катушки, по проводу одной с N1 витков течет ток I1, которым создается магнитный поток и идет через вторую катушку с N2 числом витков.

Значение взаимоиндуктивности второй катушки в отношении первой:

М21 = (N2 x F21)/I1.

Значение магнитного потока:

Ф21 = (М21/N2) x I1.

Индуцированная ЭДС вычисляется по формуле:

Е2 = — N2 x dФ21/dt = — M21x dI1/dt.

В первой катушке значение индуцируемой ЭДС:

Е1 = — M12 x dI2/dt.

Важно отметить, что электродвижущая сила, спровоцированная взаимоиндукцией в одной из катушек, в любом случае прямо пропорциональна изменению электрического тока в другой катушке.

Тогда взаимоиндуктивность считается равной:

Вследствие этого , E1 = — M x dI2/dt и E2 = M x dI1/dt. М = К √ (L1 x L2), где К является коэффициентом связи между двумя значениями инжуктивности.

Взаимоиндукция широко используется в трансформаторах, которые дают возможность менять значения переменного электротока. Прибор представляет собой пару катушек, которые намотаны на общий сердечник. Ток в первой катушке формирует изменяющийся магнитный поток в магнитопроводе и ток во второй катушке. При меньшем числе витков в первой катушке, чем во второй, возрастает напряжение, и соответственно при большем количестве витков в первой обмотке напряжение снижается.

Помимо генерирования и трансформации электрической энергии, явление магнитной индукции используется в прочих приборах. К примеру, в магнитных левитационных поездах, движущихся без непосредственного контакта с током в рельсах, а на пару сантиметров выше по причине электромагнитного отталкивания.

Эдс индукции

Причиной электродвижущей силы может стать изменение магнитного поля в окружающем пространстве. Это явление называетсяэлектромагнитной индукцией. Величина ЭДС индукции в контуре определяется выражением

где — поток магнитного поля через замкнутую поверхность , ограниченную контуром. Знак «−» перед выражением показывает, что индукционный ток, созданный ЭДС индукции, препятствует изменению магнитного потока в контуре (см. правило Ленца).

41. Индуктивность, ее единица СИ. Индуктивность длинного соленоида.

Индукти́вность (или коэффициент самоиндукции) — коэффициент пропорциональности между электрическим током, текущим в каком-либо замкнутом контуре, и магнитным потоком, создаваемым этим током через поверхность^[1], краем которой является этот контур.^[2][3][4].

В формуле

— магнитный поток, — ток в контуре, — индуктивность.

• Нередко говорят об индуктивности прямого длинного провода(см.). В этом случае и других (особенно — в не отвечающих квазистационарному приближению) случаях, когда замкнутый контур непросто адекватно и однозначно указать, приведенное выше определение требует особых уточнений; отчасти полезным для этого оказывается подход (упоминаемый ниже), связывающий индуктивность с энергией магнитного поля.

Через индуктивность выражается ЭДС самоиндукции в контуре, возникающая при изменении в нём тока^[4]:

.

Из этой формулы следует, что индуктивность численно равна ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1 А за 1 с.

При заданной силе тока индуктивность определяет энергию магнитного поля, создаваемого этим током^[4]:

.

Обозначение и единицы измерения

В системе единиц СИ индуктивность измеряется в генри^[7], сокращенно Гн, в системе СГС — в сантиметрах (1 Гн = 10⁹см)^[4]. Контур обладает индуктивностью в один генри, если при изменении тока на один ампер в секунду на выводах контура будет возникать напряжение в один вольт. Реальный, не сверхпроводящий, контур обладает омическим сопротивлением R, поэтому на нём будет дополнительно возникать напряжение U=I*R, где I — сила тока, протекающего по контуру в данное мгновение времени.

Символ , используемый для обозначения индуктивности, был взят в честь Ленца Эмилия Христиановича (Heinrich Friedrich Emil Lenz)^{[источник не указан 1017 дней]}. Единица измерения индуктивности названа в честь Джозефа Генри (Joseph Henry)^[8]. Сам термин индуктивность был предложен Оливером Хевисайдом (Oliver Heaviside) в феврале 1886 года^{[источник не указан 1017 дней]}.

Электрический ток, который течет в замкнутом контуре, создает вокруг себя магнитное поле, индукция которого, согласно закону Био-Савара-Лапласа, пропорциональна току. Сцепленный с контуром магнитный поток Ф поэтому прямо пропорционален току I в контуре:  (1)  где коэффициент пропорциональности L называетсяиндуктивностью контура.  При изменении в контуре силы тока будет также изменяться и сцепленный с ним магнитный поток; значит, в контуре будет индуцироваться э.д.с. Возникновение э.д.с. индукции в проводящем контуре при изменении в нем силы тока называетсясамоиндукцией.  Из выражения (1) задается единица индуктивности генри (Гн): 1 Гн — индуктивность контура, магнитный поток самоиндукции которого при токе в 1 А равен 1 Вб: 1 Гн = 1 Вб/с = 1 В

·c/А . 

Вычислим индуктивность бесконечно длинного соленоида. Полный магнитный поток сквозь соленоид (потокосцепление) равен μ₀μ(N²I/l)S . Подставив в (1), найдем  (2)  т. е. индуктивность соленоида зависит от длиныl солениода, числа его витков N, его , площади S и магнитной проницаемости μ вещества, из которого изготовлен сердечник соленоида.  Доказано, что индуктивность контура зависит в общем случае только от геометрической формы контура, его размеров и магнитной проницаемости среды, в которой он расположен, и можно провести аналог индуктивности контура с электрической емкостью уединенного проводника, которая также зависит только от формы проводника, его размеров и диэлектрической проницаемости среды.  Найдем, применяя к явлению самоиндукции закон Фарадея, что э.д.с. самоиндукции равна  Если контур не претерпевает деформаций и магнитная проницаемость среды остается неизменной (в дальнейшем будет показано, что последнее условие выполняется не всегда), то L = const и(3)  где знак минус, определяемый правилом Ленца, говорит о том, чтоналичие индуктивности в контуре приводит к замедлению изменения тока в нем.  Если ток со временем увеличивается, то (dI/dt<0) и ξ_s>0 т. е. ток самоиндукции направлен навстречу току, обусловленному внешним источником, и замедляет его увеличение. Если ток со временем уменьшается, то (dI/dt>0) и ξ_s<0 т. е. индукционный ток имеет такое же направление, как и уменьшающийся ток в контуре, и замедляет его уменьшение. Значит, контур, обладая определенной индуктивностью, имеет электрическую инертность, заключающуюся в том, что любое изменение тока уменьшается тем сильнее, чем больше индуктивность контура.

42. Ток при размыкании и замыкании цепи.

При всяком изменении силы тока в проводящем контуре возникает э. д. с. самоиндукции, в результате чего в контуре появляются дополнительные токи, называемые экстратоками самоиндукции. Экстратоки самоиндукции, согласно правилу Ленца, всегда направлены так, чтобы препятствовать изменениям тока в цепи, т. е. направлены противоположно току, создаваемому источником. При выключении источника тока экстратоки имеют такое же направление, что и ослабевающий ток. Следовательно, наличие индуктивности в цепи приводит к замедлению исчезновения или установления тока в цепи.

Рассмотрим процесс выключения тока в цепи, содержащей источник тока с э.д.с. , резистор сопротивлением R и катушку индуктивностью L. Под действием внешней э. д. с. в цепи течет постоянный ток

(внутренним сопротивлением источника тока пренебрегаем).

В момент времени t=0 отключим источник тока. Ток в катушке индуктивностью L начнет уменьшаться, что приведет к возникновению э.д.с. самоиндукции препятствующей, согласно правилу Ленца, уменьшению тока. В каждый момент време­ни ток в цепи определяется законом Ома I=_s/R, или

(127.1)

Разделив в выражении (127.1) переменные, получим Интегрируя это уравнение по I (от I₀ до I) и t (от 0 до t), находим ln (I /I₀) = –Rt/L, или

(127.2)

где =L/R — постоянная, называемая временем релаксации. Из (127.2) следует, что  есть время, в течение которого сила тока уменьшается в е раз.

Таким образом, в процессе отключения источника тока сила тока убывает по экспоненциальному закону (127.2) и определяется кривой 1 на рис. 183. Чем больше индуктивность цепи и меньше ее сопротивление, тем больше  и, следовательно, тем медленнее уменьшается ток в цепи при ее размыкании.

При замыкании цепи помимо внешней э. д. с.  возникает э. д. с. самоиндукции препятствующая, согласно правилу Ленца, возрастанию тока. По закону Ома, или

Введя новую переменную преобразуем это уравнение к виду

где  — время релаксации.

В момент замыкания (t=0) сила тока I = 0 и u = –. Следовательно, интегрируя по и (от – до IR–) и t (от 0 до t), находим ln[(IR–)]/–= —t/, или

(127.3)

где — установившийся ток (при t).

Таким образом, в процессе включения источника тока нарастание силы тока в цепи задается функцией (127.3) и определяется кривой 2 на рис. 183. Сила тока возрастает от начального значения I=0 и асимптотически стремится к установившемуся значению . Скорость нарастания тока определяется тем же временем релаксации =L/R, что и убывание тока. Установление тока происходит тем быстрее, чем меньше индук­тивность цепи и больше ее сопротивление.

Оценим значение э.д.с. самоиндукции , возникающей при мгновенном увеличении сопротивления цепи постоянного тока от R₀ до R. Предположим, что мы размыкаем контур, когда в нем течет установившийся ток . При размыкании цепи ток изменяется по формуле (127.2). Подставив в нее выражение дляI₀ и , получим

Э.д.с. самоиндукции

т. е. при значительном увеличении сопротивления цепи (R/R₀>>1), обладающей боль­шой индуктивностью, э.д.с. самоиндукции может во много раз превышать э.д.с. источника тока, включенного в цепь. Таким образом, необходимо учитывать, что контур, содержащий индуктивность, нельзя резко размыкать, так как это (возникнове­ние значительных э.д.с. самоиндукции) может привести к пробою изоляции и выводу из строя измерительных приборов. Если в контур сопротивление вводить постепенно, то э.д.с. самоиндукции не достигнет больших значений.

43. Явление взаимной индукции. Трансформатор.

Рассмотрим два неподвижных контура (1 и 2), которые расположены достаточно близко друг от друга (рис. 1). Если в контуре 1 протекает ток I₁, то магнитный поток, который создавается этим током (поле, создающее этот поток, на рисунке изображено сплошными линиями), прямо пропорционален I₁. Обозначим через Ф₂₁ часть потока,пронизывающая контур 2. Тогда   (1)  где L₂₁ — коэффициент пропорциональности. 

Рис.1

Если ток I₁ меняет свое значение, то в контуре 2 индуцируется э.д.с. ξ_i2 , которая по закону Фарадея будет равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока Ф₂₁, который создается током в первом контуре и пронизыващет второй:    Аналогичным образом, при протекании в контуре 2 тока I₂ магнитный поток (его поле изображено на рис. 1 штрихами) пронизывает первый контур. Если Ф₁₂ — часть этого потока, который пронизывает контур 1, то    Если ток I₂ меняет свое значение, то в контуре 1 индуцируется э.д.с. ξ_i1 , которая равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока Ф₁₂, который создается током во втором контуре и пронизывает первый:    Явление возникновения э.д.с. в одном из контуров при изменении силы тока в другом называется взаимной индукцией. Коэффициенты пропорциональности L₂₁ и L₁₂ называются взаимной индуктивностью контуров. Расчеты, которые подтверждены опытом, показывают, что L₂₁ и L₁₂ равны друг другу, т. е.   (2)  Коэффициенты пропорциональности L₁₂ и L₂₁ зависят от размеров, геометрической формы, взаимного расположения контуров и от магнитной проницаемости среды, окружающей контуры. Единица взаимной индуктивности та же, что и для индуктивности, — генри (Гн).  Найдем взаимную индуктивность двух катушек, которые намотаны на общий тороидальный сердечник. Этот случай имеет большое практическое значение (рис. 2). Магнитная индукция поля, которое создавается первой катушкой с числом витков N₁, током I₁ и магнитной проницаемостью μ сердечника, B = μμ₀(N₁I₁/l) где l — длина сердечника по средней линии. Магнитный поток сквозь один виток второй катушки Ф₂ = BS = μμ₀(N₁I₁/l)S 

Значит, полный магнитный поток (потокосцепление) сквозь вторичную обмотку, которая содержит N₂ витков,    Поток Ψ создается током I₁, поэтому, используя (1), найдем   (3)  Если рассчитать магнитный поток, который создавается катушкой 2 сквозь катушку 1, то для L₁₂ получим выражение в соответствии с формулой (3). Значит, взаимная индуктивность двух катушек, которые намотаны на общий тороидальный сердечник,   

Трансформа́тор (от лат. transformo — преобразовывать) — это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмоток на каком-либо магнитопроводе и предназначенное для преобразования посредствомэлектромагнитной индукции одной или нескольких систем (напряжений) переменного тока в одну или несколько других систем (напряжений) переменного тока без изменения частоты системы (напряжения) переменного тока

Электромагнитная индукция

Магнитный поток. В однородном магнитном поле, модуль вектора индукции которого равен В, помещен плоский замкнутый контур площадью S. Нормаль n к плоскости контура составляет угол a с направлением вектора магнитной индукции В (см. рис. 1).
Магнитным потоком через поверхность называется величина Ф, определяемая соотношением:
Ф = В·S·cos a.         
      
Единица измерения магнитного потока в систем СИ — 1 Вебер (1 Вб).

Электромагнитная индукция. Явление электромагнитной индукции обнаружено в 1831 г. Фарадеем. Оно выражает взаимосвязь электрических и магнитных явлений.
Рассмотрим некоторые экспериментальные факты:

постоянный магнит вставляют в катушку, замкнутую на гальванометр, или вынимают из нее. При движении магнита в контуре возникает электрический ток

Аналогичный результат будет иметь место в случае перемещения электромагнита, по которому пропускают постоянный ток, относительно первичной катушки или при изменении тока в неподвижной вторичной катушке.

рамку, замкнутую на гальванометр, помещают в однородное магнитное поле и вращают. В рамке возникает электрический ток. Если же рамка движется поступательно, не пересекая силовых линий, то ток в ней не возникает.

рамка движется  в неоднородном магнитном поле. Число линий индукции, пересекающих рамку, изменяется. В рамке возникает электрический ток

Ток, возникающий в контуре при изменении магнитного потока, называют индукционным током.
Вы знаете, что условием существования электрического тока в замкнутом контуре является наличие электродвижущей силы, поддерживающей разность потенциалов. Следовательно, при изменении магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, в нем возникает ЭДС, которую называют ЭДС индукции (ei).

Явление возникновения ЭДС в контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего контур, называется электромагнитной индукцией.
Если контур замкнут, то ЭДС индукции проявляется в возникновении электрического индукционного тока
I = ei/R , где R- сопротивление контура.
Если контур разомкнут, то на концах проводника возникает разность потенциалов, равная ei.
Направление индукционного тока в контуре определяется правилом Ленца:
Индукционный ток направлен так, чтобы своим магнитным полем противодействовать изменению магнитного потока, которым он вызван.
Направление индукционного тока определяется следующим образом:

   1. установить направление внешнего магнитного поля В.
   2. определить увеличивается или уменьшается поток вектора магнитной индукции внешнего поля.
   3. по правилу Ленца указать направление вектора магнитной индукции индукционного тока Вi.
   4. по правилу правого винта определить направление индукционного тока в контуре.

ЭДС индукции в движущемся проводнике. Пусть проводник длиной L перемещается со скоростью V в однородном магнитном поле, пересекая силовые линии. Вместе с проводником движутся заряды, находящиеся в проводнике. На движущийся в магнитном поле заряд действует сила Лоренца. Свободные электроны смещаются к одному концу проводника, а на другом остаются нескомпенсированные положительные заряды. Возникает разность потенциалов, которая и представляет собой ЭДС индукции ei. Ее величину можно определить, рассчитав работу, совершаемую силой Лоренца при перемещении заряда вдоль проводника:
ei = A/q = F·L/q.

Отсюда следует, что
ei = B·V·L·sin a.

Самоиндукция является частным случаем разнообразных проявлений электромагнитной индукции.

Рассмотрим контур, подключенный к источнику тока. По контуру протекает электрический  ток I. Этот ток создает в окружающем пространстве магнитное поле. В результате контур пронизывается собственным магнитным потоком Ф. Очевидно, что собственный магнитный поток пропорционален току в контуре, создавшему магнитной поле:
Ф = L·I.

Коэффициент пропорциональности L называется индуктивностью контура. Индуктивность зависит от размеров, формы проводника, магнитных свойств среды. Единица измерения индуктивности в системе СИ — 1 Генри (Гн).
Если ток в контуре изменяется, то изменяется и собственный магнитный поток Фс. Изменение величины Фс приводит к возникновению в контуре ЭДС индукции. Данное явление называется самоиндукцией, а соответствующее значение — ЭДС самоиндукции eiс.
Из закона электромагнитной индукции следует, что
eiс = dФс/dt.

Если L = const, то eiс= — L·dI/dt.

Единица измерения индукции магнитного поля в международной системе …

10. Единица измерения индукции магнитного поля в Международной системе — …

А) Ом. Б) Кл. В) Н. Г) Тл.

11. Индукция магнитного поля показывает, чему равна сила …

А) Действующая на элемент проводника с током единичной длины, если по нему идет ток единичной силы.

Б) Действующая на проводник с током, если по нему идет ток единичной силы.

В) Тока, действующая на элемент проводника с током единичной длины.

Г) Тока, действующая на проводник с током единичной длины.

12. Сила, действующая со стороны магнитного поля на отдельно взятую движущуюся заряженную частицу, называется …

А) Силой Ампера.

Б) Силой Архимеда.

В) Силой взаимодействия.

Г) Силой Лоренца.

13. При увеличении тока в контуре в 4 раза, индукция магнитного поля …

А) Увеличится в 4 раза.

Б) Уменьшится в 4 раза.

В) Увеличится в 16 раз.

Г) Не изменится.

14. Единица измерения магнитного потока в Международной системе — …

А) Тл. Б) Омм. В) Вб. Г) А.

15. На рисунке изображен проводник с током. Символ «+» означает, что ток в проводнике направлен от наблюдателя. Укажите направление вектора магнитной индукции поля в точке а.

А) Только 1.

Б) Только 2.

В) 1 или 3.

Г) Только 4.

16. На рисунке изображены линии индукции магнитного поля прямого проводника с током и показано положение точек 1, 2, 3. Сравните индукции магнитного поля в этих точках.

А) В > В> В.

Б) В< В< В.

В) В= В= В.

Г) Нет правильного ответа.

17. Магнитный поток, пронизывающий катушку, изменяется со временем так, как показано на рисунке. Укажите промежуток времени, при котором модуль ЭДС индукции имеет максимальное значение.

А) От 0 до 5 с.

Б) От 5 до 10 с.

В) От 10 до 20 с.

Г) Везде одинаков.

18. За 2 с магнитный поток, пронизывающий проволочную рамку, увеличивается с 4 до 12 Вб. Модуль ЭДС индукции, наведенный в рамке, равен …

А) 8 В. Б) 4 В. В) 12 В. Г) 16 В.

19. Если силу тока в катушке увеличить вдвое, то энергия магнитного поля …

А) Увеличится в 2 раза.

Б) Уменьшится в 2 раза.

В) Не изменится.

Г) Увеличится в 4 раза.

20. Три частицы влетели в однородное магнитное поле. На рисунке траектории их движения показаны штриховой линией. Линии магнитной индукции направлены от наблюдателя. Отрицательный заряд имеет …

А) Только 1.

Б) Только 2.

В) Только 3.

Г) 2 и 3.

21. Магнит вводится в алюминиевое кольцо так, как показано на рисунке. Направление тока в кольце указано стрелкой. Каким полюсом магнит вводится в кольцо?

А) Положительным.

Б) Отрицательным.

В) Северным.

Г) Южным.

22. В горизонтально расположенном проводнике длиной 50 см и массой 10 г сила тока равна 20 А. Найдите индукцию магнитного поля, в которое нужно поместить проводник, чтобы сила тяжести уравновесилась силой Ампера.

А) 10 Тл. Б) 10 Тл. В) 0,1 мТл. Г) Нет правильного ответа.

23. Когда металлический стержень присоединили к одному из полюсов источника тока, то вокруг него обра­зовалось … поле.

А) Электрическое.

Б) Магнитное.

В) Электрическое и магнитное.

Г) Нет правильного ответа.

24. Диамагнетики – это вещества, у которых магнитная проницаемость …

А) Больше единицы и они слабо втягиваются в магнитное поле.

Б) Очень большая.

В) Меньше единицы и они слабо выталкиваются из магнитного поля.

Г) Очень маленькая.

25. Три одинаковые катушки включены последовательно в электрическую цепь постоянного тока. Катушка 1 без сердечника, в катушке 2 – сердечник из кобальта, в катушке 3 – сердечник из трансформаторной стали. В какой из катушек индукция магнитного поля будет наименьшей? Магнитная проницаемость воздуха равна 1, кобальта – 175, трансформаторной стали – 8000.

А) 1. Б) 2. В) 3. Г) Индукция магнитного поля во всех катушках одинакова.

Тест № 9 Электромагнитная индукция.

1. Индукционный ток – это направленное движение …

А) Заряженных частиц, по своим действиям в принципе не отличается от электрического тока, проявляется за счет сил неэлектрического происхождения.

Б) Нейтральных частиц, по своим действиям в принципе не отличается от электрического тока, проявляется за счет сил электрического происхождения.

В) Заряженных частиц, по своим действиям отличается от электрического тока, проявляется за счет сил неэлектрического происхождения.

Г) Нейтральных частиц, по своим действиям в принципе отличается от электрического тока, проявляется за счет сил электрического происхождения.

2. На каком опыте можно показать возникновение индук­ционного тока?

А) Проводник, концы которого присоединены к гальвано­метру, надо поместить в магнитное поле.

Б) Проводник, концы которого присоединены к гальвано­метру, надо двигать вдоль магнитных линий.

В) Магнит или проводник, концы которого присоединены к гальванометру, надо двигать так, чтобы магнитные линии пересекали проводник.

Г) Нет правильного ответа.

3. Какую задачу ставил перед собой Фарадей, приступая к работе, которая привела его к открытию явления электромагнитной индукции?

А) С помощью электрического тока получить магнитное поле.

Б) Превратить магнетизм в электричество.

В) С помощью электрического поля получить ток

Г) Нет правильного ответа.

4. Магнитный поток – это физическая величина, равная …

А) Отношению модуля вектора индукции магнитного поля на площадь контура, пронизываемого этим магнитным полем к синусу угла между направлением вектора магнитной индукции и нормалью к поверхности, ограниченной контуром.

Б) Произведению модуля вектора индукции магнитного поля на площадь контура, пронизываемого этим магнитным полем и на косинус угла между направлением вектора магнитной индукции и нормалью к поверхности, ограниченной контуром.

В) Произведению модуля вектора индукции магнитного поля на площадь контура, пронизываемого этим магнитным полем и на синус угла между направлением вектора магнитной индукции и нормалью к поверхности, ограниченной контуром.

Г) Отношению вектора индукции магнитного поля на площадь контура, пронизываемого этим магнитным полем к косинусу угла между направлением вектора магнитной индукции и нормалью к поверхности, ограниченной контуром.

5. Единица измерения магнитного потока в Международной системе — …

А) Тл. Б) Омм. В) Вб. Г) А.

6. Из предложенных вариантов выберите выражение магнитного потока.

А) ВSsin . Б) . В) ВScos . Г) Нет правильного ответа.

7. На острие укреплено коромысло с двумя уравновешивающими друг друга кольцами, изготовленными из немагнитного металла, например, алюминия. Одно кольцо сплошное, другое – разрезанное. Будем вдвигать в кольца постоянный магнит, при этом …

А) Сплошное и разрезанное кольца – оттолкнутся.

Б) Сплошное — оттолкнется, а разрезанное – нет.

В) Оба кольца останутся в первоначальном положении.

Г) Разрезанное оттолкнется, а сплошное – нет.

8. Возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он был вызван, – это …

А) Правило правой руки.

Б) Правило левой руки.

В) Правило буравчика.

Г) Правило Ленца.

9. Направление индукционного тока зависит …

А) От направления магнитной индукции поля, пронизывающего контур.

Б) От направления силовых линий.

В) От магнитного потока.

Г) Нет правильного ответа.

10. Электромагнитной индукцией называют явление возник­новения …

А) Магнитного поля вокруг проводника при прохождении по нему электрического тока.

Б) Электрического тока в проводнике, пересекающем маг­нитные линии.

В) Электрического тока в проводнике.

Г) Правильного ответа нет.

11. Физическая величина, равная отношению работы сторонних сил по перемещению электрического заряда по электрической цепи к величине этого заряда, называется …

А) Электродвижущей силой.

Б) Электромагнитной индукцией.

В) Магнитным потоком.

Г) Правильного ответа нет.

12. Из предложенных вариантов выберите выражение закона электромагнитной индукции.

А) . Б) -. В) . Г) -.

13. Кто придал закону электромагнитной индукции именно такой вид: ?

А) М. Фарадей. Б) Х. Эрстед. В) А. Ампер. Г) Д. Максвелл.

14.Работа трансформатора основана на явлении …

А) Самоиндукции.

Б) Электромагнитной индукции.

В) Магнитной индукции.

Г) Нет правильного ответа.

15. ЭДС, вырабатываемая генератором, зависит от …

А) Периода.

Б) Индукции магнитного поля.

В) Частоты вращения рамки в магнитном поле.

Г) Нет правильного ответа.

16. Явление возникновения ЭДС индукции в катушке, по которой протекает переменный ток, называется…

А) Самоиндукцией.

Б) Электродвижущей силой.

В) Электромагнитной индукцией.

Г) Нет правильного ответа.

17. Из предложенных вариантов выберите выражение индуктивности.

А) . Б) . В) ФI. Г) Нет правильного ответа.

18. Индуктивность численно равна …

А) Магнитному потоку, охватываемому проводником, если сила тока, протекающая по проводнику, равна 1 А.

Б) Силе тока, протекающей по проводнику, если магнитный поток, охватываемый проводником, равен 1 Вб.

В) Магнитному потоку, охватываемому проводником, при изменении силы тока на 1 А за 1 с.

Г) Силе тока, протекающей по проводнику, если магнитная индукция равна 1 Тл.

19. . Что такое k?

А) Коэффициент пропорциональности.

Б) Коэффициент трансформации.

В) Постоянная Больцмана.

Г) Нет правильного ответа.

20. Если силу тока в катушке увеличить вдвое, то энергия магнитного поля …

А) Увеличится в 2 раза.

Б) Уменьшится в 2 раза.

В) Не изменится.

Г) Увеличится в 4 раза.

21. Какой магнитный поток возникает в контуре индуктивностью 3 мГн при силе тока 15 мА?

А) 45 мкВб. Б) 45 Вб. В) 45 мВб. Г) Нет правильного ответа.

22. Чему равна ЭДС самоиндукции в катушке с индуктивностью 0,4 Гн при равномерном уменьшении силы тока с 15 до 10 А за 0,2 с?

А) 0. Б) 10 В. В) 50 В. Г) 0,4 В.

23. По катушке индуктивностью L — 0,6 Гн течет ток I = 15 А, а по катушке с индуктивностью L = 15 Гн течет ток I = 0,6 А. Сравните энергии магнитного поля этих катушек.

А) W = W.

Б) W > W.

В) W < W.

Г) W = W = 0.

24. В катушке с индуктивностью 0,3 Гн сила тока равна 3 мА. Энергия магнитного поля этой катушки равна …

А) 1,35 Дж. Б) 1,35 мкДж. В) 0,45 мДж. Г) Нет правильного ответа.

25. Прямой проводник длиной 80 см движется в магнитном поле со скоростью 36 км/ч под углом 30° к вектору магнитной индукции. В проводнике возникает ЭДС 5 мВ. Магнитная индукция равна …

А) 1,25 мТл.

Б) 3 мТл.

В) 0,8 кТл.

Г) Нет правильного ответа.

Тест № 10. Основы молекулярно – кинетической теории строения вещества.

1. Выберите правильное утверждение:

А) Молекулы одного и того же вещества различны.

Б) Молекулы одного и того же вещества одинаковы.

В) При нагревании тела молекулы вещества увеличиваются в размерах.

Г) При нагревании тела увеличивается масса молекул.

2. Явление диффузии доказывает…

А) Только факт существования.

Б) Только факт движения молекул.

В) Факт существования и движения молекул.

Г) Факт взаимодействия молекул.

3. Опытным обоснованием существования промежутков между молекулами является…

А) Диффузия.

Б) Броуновское движение.

В) Испарение жидкости.

Г) Наблюдение с помощью оптического микроскопа.

4. Броуновское движение — это…

А) Проникновение молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого вещества..

Б) Отрыв молекул с поверхности жидкости или твердых тел.

В) Хаотическое тепловое движение взвешенных частиц в жидкостях или газах.

Г) Движение молекул, объясняющее текучесть жидкости.

5. Выберите величину, которая соответствует порядку значения массы молекулы или соединения.

А) 10 кг. Б) 10 кг. В) 10 кг. Г) 10кг.

6. Физическая величина, определяемая числом структурных элементов, содержащихся в системе, называется…

А) Молярной массой.

Б) Относительной молекулярной массой.

В) Количеством вещества.

Г) Нет правильного ответа.

7. Молярная масса – это физическая величина, …

А) Определяемая отношением массы вещества к его количеству.

Б) Определяемая числом структурных элементов, содержащихся в системе.

В) Равная отношению массы молекулы данного вещества к 1/12 атома углерода.

Г) Определяемая произведением массы вещества к его количеству.

8. Единица измерения количества вещества в Международной системе — …

А) Моль. Б) кг. В) . Г) Моль.

9. Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде …

А) 12 массой 0,012 кг.

Б) 14 массой 0,014 кг.

В) 16 массой 0,016 кг.

Г) 18 массой 0,018 кг.

10. Выберите из предложенных ответов выражение, позволяющее рассчитать число молекул данного вещества.

А) . Б) . В) . Г) .

11. Масса углекислого газа (CO) равна…

А) 7,3 кг.

Б) 7,3 кг.

В) 7,3 кг.

Г) 7,310 кг.

12. В … состоянии молекулы движутся равномерно и прямолинейно до столкновения друг с другом.

А) Газообразном.

Б) Жидком.

В) Твердом.

Г) Кристаллическом.

13. В опыте Штерна пары раскаленного металла проводника М оседали на вращающемся внешнем цилиндре (в т. О молекулы оседали при неподвижном цилиндре). Скорость молекул, осевших в точке 1 …

А) Наименьшая.

Б) Наибольшая.

В) Средняя.

Г) Может быть любой.

14. Графики 1, 2, 3 характеризуют распределение молекул газа по скоростям ( кривая Максвелла). Сравните температуру газов.

А) Т.

Б) Т<Т<Т.

В) Т>Т>Т.

Г) Т>Т<Т.

15. Разрушение твердых веществ является доказательством …

А) Существования сил взаимодействия между молекулами.

Б) Движения молекул.

В) Существования самих молекул.

Г) Броуновского движения.

16. Количество вещества определяется выражением …

А) . Б) . В) . Г) .

17. Единица измерения молярной массы в Международной системе — …

А) Моль. Б) кг. В) . Г) Моль.

18. Молярная масса показывает, …

А) Сколько молей находится в однородном веществе.

Б) Сколько молекул находится в однородном веществе.

В) Какова масса одного моля однородного вещества.

Г) Сколько молекул не находится в однородном веществе.

19. Число Авогадро равно…

А) 6,02 моль.

Б) 6,02 моль.

В) 6,02 кг.

Г) Нет правильного ответа.

20. Количество вещества, содержащееся в алюминиевой отливке массой 2,7 кг, равно …

А) 0,1 моль. Б) 10 моль. В) 100 моль. Г) 100 кг.

21. Число молекул, содержащихся в 56 г азота, равно …

А) 0. Б) 5. В) 12. Г) 12.

22. Масса молекулы воды равна…

А) 3 кг. Б) 0,3 кг. В) 0,3 кг. Г) 3 кг.

23.Массу одной молекулы определяет выражение…

А) . Б) . В) . Г) .

24. Укажите величину, соответствующую порядку линейных размеров молекул веществ.

А) 10 кг. Б) 10 кг. В) 10 кг. Г) 10кг.

25. Какой объем занимает 1 моль любого вещества в газообразном состоянии при нормальных условиях ( р = 101,325 Па и t = 0°)?

А) 23,4 л.

Б) 22,4 л.

В) 22,4 кг.

Г) 22,4 г.

Коды правильных ответов

Тест №1 Кинематика

Тест№2 Динамика

Тест №3. Законы сохранения в механике.

Тест№4 Механические колебания и волны.

Тест №5 Электростатика

Тест №6 Постоянный электрический ток

Тест №7 Электрический ток в средах.

Тест №8 Магнитостатика

Тест №9 Электромагнитная индукция.

Тест №10 Основы молекулярно – кинетической теории строения вещества.

формула через силу тока, индуктивность или площадь, единица измерения в физике

Что такое ЭДС индукции — когда возникает, при каких условиях

Электродвижущая сила, ЭДС — физическая величина, описывающая работу любых сил, которые действуют в квазистационарных цепях постоянного или переменного тока, за исключением диссипативных и электростатических сил.

При замкнутой цепи можно найти ЭДС, воспользовавшись законом Ома:

\(\varepsilon\;=\;I\;\times\;(R\;+\;r).\)

R здесь — сопротивление цепи, r — внутреннее сопротивление источника.
Создание Алессандро Вольтой надежного источника электричества, гальванического элемента, и открытие Хансом Кристианом Эрстедом магнитного действия электрического тока послужили толчком к интенсивному развитию техники электрических измерений в XIX веке.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Выдающаяся роль здесь принадлежит немецкому физику Георгу Симону Ому. Для определения силы тока он использовал принцип крутильных весов Кулона. На длинной тонкой нити подвешено горизонтальное коромысло с заряженным шариком на конце. Второй заряд закреплен на спице, пропущенной сквозь крышку весов.

При их взаимодействии коромысло поворачивается. Вращение головки в верхней части весов закручивало нить, возвращая коромысло в исходное состояние. По углу закручивания можно рассчитать силу взаимодействия зарядов в зависимости от расстояния между ними.

Ом по величине угла закрутки судил о силе тока I в проводнике, т. е. количестве электричества, перенесенном через поперечное сечение проводника за единицу времени.

В качестве основной характеристики источника тока Ом брал величину напряжения \varepsilon на электродах гальванического элемента при разомкнутой цепи. Эту величину \varepsilon он назвал электродвижущей силой, сокращенно ЭДС.

Движущиеся заряды создают вокруг себя магнитное поле. Однако действующая в нем на магнит или другой ток сила отличается от электрической своим направлением — магнитная стрелка старается развернуться перпендикулярно проводу.

Изучение действующей на другой ток силы переросло в отдельное исследование с неожиданным результатом: сила оказалась направленной всегда перпендикулярно внесенному в магнитное поле проводнику, который для простоты исследования был прямолинейным.

Математическое выражение для этой силы, названной силой Ампера, проще всего записать в виде векторного произведения:

\(d\overrightarrow F\;=\;Id\overrightarrow l\;\times\;\overrightarrow B\).

I здесь — сила тока, протекающего через проводник; l — вектор длины проводника, направленный в ту же сторону, куда течет ток; В — характеристика поля. Величина В называется магнитной индукцией и является аналогом электрической напряженности.

Максвелл поставил целью создать теорию эфира, связав его механические характеристики с электрическими и магнитными силами. Тщательно изучив труды Фарадея, он пришел к выводу, что напряженность \(\overrightarrow Е\) электрического поля объясняется упругими напряжениями в эфире, а магнитная индукция \(\overrightarrow B\) — его вихревыми движениями.

Рассматривая замкнутый проводящий контур С, где действует ЭДС индукции \(\varepsilon_i\), Максвелл для получения числа силовых линий магнитного потока \(\triangle Ф\), пересекаемых контуром за время \triangle t, «натягивал» на него некую поверхность S, разбитую на элементарные площадки \(\triangle S\), и отождествлял Ф с магнитным потоком сквозь всю поверхность. Математически это можно выразить так:

\(Ф\;=\;\sum_{\triangle S}\;\;B\triangle S. \)

Объединив это соотношение с идеей Фарадея, Максвелл пришел к собственной формуле:

\(\varepsilon_i\;=\;-\;\frac1с\;\times\;\frac{dФ}{dt}.\)

Выбор коэффициента пропорциональности \(\alpha\) здесь обусловлен необходимостью согласования формулы с законом Био — Савара — Лапласа, в котором появляется та же электродинамическая постоянная с.

Электродинамическая постоянная с — универсальная постоянная, равная скорости распространения электромагнитных волн в вакууме.

Но в опытах Фарадея ЭДС индукции регистрировалась как в движущемся, так и в покоящемся проводящем контуре С, если последний находился в переменном магнитном поле. И здесь встал вопрос, что конкретно перемещает заряды в неподвижном проводнике.

Само по себе магнитное поле не воздействует на заряды, находящиеся в покое, из чего следует: условие возникновения индукционного тока — возникающее в контуре электрическое поле \overrightarrow Е. Так как электростатическое поле в замкнутом контуре не совершает работы, значит, происходит работа вихревого поля, и она равна ЭДС индукции:

\(\varepsilon_i\;=\;\underset С{\oint\;}\;(\overrightarrow{Е\;}\times\;d\overrightarrow l)\)

Самоиндукция — частный случай магнитной индукции, возникновение ЭДС индукции в проводящем контуре, когда в нем меняется ток.

Источником энергии, возникающей в цепи, является в этом случае запас энергии магнитного поля. Полное количество выделившейся джоулевой теплоты можно вычислить, изобразив на графике зависимость магнитного потока Ф(I) от силы тока I:

ЭДС в быту, как обозначается, единицы измерения

В быту явление электромагнитной индукции используют для изменения величины напряжения тока в трансформаторах и дросселях. На принципе магнитной индукции работают электрические счетчики, реле мощности, успокоительные системы стрелочных измерительных приборов.

Существуют также магнитные газовые генераторы, в которых благодаря магнитному полю возникает электродвижущая сила, создающая ток.

Электродвижущая сила индукции в системе СИ измеряется в вольтах. Просто электродвижущая сила обозначается греческой буквой \(\varepsilon \), электродвижущая сила индукции —\( \varepsilon_i.\)

Законы Фарадея и Ленца

Фарадей опытным путем выяснил, что при пересечении проводником магнитных силовых линий по нему проходит заряд \(\triangle Q\). Он связан с числом пересеченных силовых линий \( \triangle Ф\) и электрическим сопротивлением контура R, что выражается законом Фарадея:

\(\triangle Q\;=\;\alpha\frac{\triangle Ф}R. \)

Соприкосновение поля и проводника вызвано либо движением проводника, либо изменениями самого магнитного поля. 

Саму электродвижущую силу индукции, связанную с сопротивлением контура и силой тока согласно закону Ома, можно найти по формуле

\(\varepsilon_i\;=\;\alpha\frac{\triangle Ф}{\triangle t}. \)

\(\triangle t\) здесь — время, за которое проходит через поперечное сечение проводника количество электричества \(\triangle Q.\)
Ленц доказал, что индукционный ток всегда направлен так, чтобы противодействовать вызвавшей его причине. Согласно правилу Ленца, в вышеприведенном соотношении следует выбрать отрицательный знак, считая коэффициент\( \alpha \) положительным: 

\(\varepsilon_i\;=\;-\;\alpha\frac{\triangle Ф}{\triangle t}.\)

Как рассчитать электродвижущую силу индукции, формулы

Через магнитный поток

\(\varepsilon_i\;=\;-\;\alpha\frac{\triangle Ф}{\triangle t}. \)

Через силу тока

ЭДС самоиндукции зависит от изменения силы тока, при этом магнитный поток собственного поля через цепь пропорционален току в ней:

\(\varepsilon_{is\;}\;=\;-\;L\frac{\triangle I}{\triangle t}. \)

L здесь — индуктивность проводника.

Через сопротивление

Для ЭДС индукции уравнение закона Ома можно переписать в виде:
\(\varepsilon_{i\;}\;=\;IR\;-\;\varepsilon.\)

Через угловую скорость

\(\varepsilon_i\;=\;В\omega SN\sin\left(\alpha\right). \)

B здесь — индукция магнитного поля, \(\omega\) — угловая скорость вращения рамки, S — площадь рамки, N — число витков, \(\alpha\) — угол между векторами индукции магнитного поля и скорости движения проводника.

Через площадь

Если магнитный поток изменяется без деформации витков, т. е. их количество и площадь не меняются, то можно найти электродвижущую силу индукции через площадь.
Угол \alpha между вектором магнитного поля и нормалью к плоскости витков будет равен:

\(2\mathrm\pi\;\times\;\mathrm v\;\times\;\mathrm t. \)Полный магнитный поток в момент времени t будет равен:

\(\psi_B\;=\;N\;\times\;B\;\times\;S\;\times\;\cos\left(\alpha\right)=\;N\;\times\;B\;\times\;S\;\times\;\cos\left(2\mathrm\pi\;\times\;\mathrm v\;\times\;\mathrm t\right).\)

Тогда \(\varepsilon_i\;=\;-\;\frac{d\psi_B}{dt}=\;2\mathrm{pivNBSsin}\left(2\mathrm{pivt}\right).\)

Условия возникновения электродвижущей силы индукции, как её рассчитать

Что такое ЭДС индукции: при каких условиях ⚠️ возникает, единицы измерения. Как рассчитать ☑️ электродвижущую силу индукции, формулы

Явление электромагнитной индукции

Электромагнитная индукция – явление возникновения тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего его.

Явление электромагнитной индукции было открыто М. Фарадеем.

Опыты Фарадея

• На одну непроводящую основу были намотаны две катушки: витки первой катушки были расположены между витками второй. Витки одной катушки были замкнуты на гальванометр, а второй – подключены к источнику тока. При замыкании ключа и протекании тока по второй катушке в первой возникал импульс тока. При размыкании ключа также наблюдался импульс тока, но ток через гальванометр тек в противоположном направлении.
• Первая катушка была подключена к источнику тока, вторая, подключенная к гальванометру, перемещалась относительно нее. При приближении или удалении катушки фиксировался ток.
• Катушка замкнута на гальванометр, а магнит движется – вдвигается (выдвигается) – относительно катушки.

Опыты показали, что индукционный ток возникает только при изменении линий магнитной индукции. Направление тока будет различно при увеличении числа линий и при их уменьшении.

Сила индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока. Может изменяться само поле, или контур может перемещаться в неоднородном магнитном поле.

Объяснения возникновения индукционного тока

Ток в цепи может существовать, когда на свободные заряды действуют сторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура равна ЭДС. Значит, при изменении числа магнитных линий через поверхность, ограниченную контуром, в нем появляется ЭДС, которую называют ЭДС индукции.

Электроны в неподвижном проводнике могут приводиться в движение только электрическим полем. Это электрическое поле порождается изменяющимся во времени магнитным полем. Его называют вихревым электрическим полем. Представление о вихревом электрическом поле было введено в физику великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1861 году.

Свойства вихревого электрического поля:

• источник – переменное магнитное поле;
• обнаруживается по действию на заряд;
• не является потенциальным;
• линии поля замкнутые.

Работа этого поля при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна ЭДС индукции в неподвижном проводнике.

Электрическая цепь и индуктивность

Индуктивность характеризует электромагнитные свойства электроцепей. В более узком понятии, это элемент или участок цепи, обладающий большой величиной самоиндукции.

Таким элементом может считаться один, несколько или даже часть витка проводника, на высоких частотах также прямой отрезок провода любой длины.

Введение

В данной статье будет рассмотрено явление самоиндукции, проявляющееся зачастую при коммутации индуктивных нагрузок. Также будут рассмотрены способы защиты и используемое для этого оборудование.

Магнитный поток

Магнитным потоком через площадь ​( S )​ контура называют скалярную физическую величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции ​( B )​, площади поверхности ​( S )​, пронизываемой данным потоком, и косинуса угла ​( alpha )​ между направлением вектора магнитной индукции и вектора нормали (перпендикуляра к плоскости данной поверхности):

Обозначение – ​( Phi )​, единица измерения в СИ – вебер (Вб).

Магнитный поток в 1 вебер создается однородным магнитным полем с индукцией 1 Тл через поверхность площадью 1 м2, расположенную перпендикулярно вектору магнитной индукции:

Магнитный поток можно наглядно представить как величину, пропорциональную числу магнитных линий, проходящих через данную площадь.

В зависимости от угла ​( alpha )​ магнитный поток может быть положительным (( alpha ) < 90°) или отрицательным (( alpha ) > 90°). Если ( alpha ) = 90°, то магнитный поток равен 0.

Изменить магнитный поток можно меняя площадь контура, модуль индукции поля или расположение контура в магнитном поле (поворачивая его).

В случае неоднородного магнитного поля и неплоского контура магнитный поток находят как сумму магнитных потоков, пронизывающих площадь каждого из участков, на которые можно разбить данную поверхность.

Техника безопасности

ВНИМАНИЕ! К работам по монтажу, наладке, ремонту и обслуживанию технологического оборудования допускаются лица, имеющие техническое образование и специальную подготовку (обучение и проверку знаний) по безопасному производству работ в электроустановках с группой не ниже 2 для ремонтного персонала, а также имеющие опыт работ по обслуживанию оборудования, в конструкцию которого вносятся изменения и дополнения, либо производится модернизация. За неисправность оборудования и безопасность работников при неквалифицированном монтаже и обслуживании ООО «КИП‑Сервис» ответственности не несет.

Обозначение и единицы измерения

В честь Ленца, единица измерения индуктивности получила обозначение символом «L». Выражается в Генри, сокращенно Гн (в англоязычной литературе Н), в честь известного американского физика.

Джозеф Генри

Если при изменении тока в один ампер за каждую секунду ЭДС самоиндукции составляет 1 вольт, то индуктивность цепи будет измеряться в 1 генри.

Как может обозначаться индуктивность в других системах:

• В системе СГС, СГСМ – в сантиметрах. Для отличия от единицы длины обозначается абгенри;
• В системе СГСЭ – в статгенри.

Свойства

Имеет следующие свойства:

• Зависит от количества витков контура, его геометрических размеров и магнитных свойств сердечника;
• Не может быть отрицательной;
• Исходя из определения, скорость изменения тока в контуре, ограничена значением его индуктивности;
• При увеличении частоты тока реактивное сопротивление катушки увеличивается;
• Обладает свойством запасать энергию – при отключении тока запасенная энергия стремится компенсировать падение тока.

Самоиндукция

Самоиндукция – это явление возникновения ЭДС индукции в проводнике в результате изменения тока в нем.

При изменении силы тока в катушке происходит изменение магнитного потока, создаваемого этим током. Изменение магнитного потока, пронизывающего катушку, должно вызывать появление ЭДС индукции в катушке.

В соответствии с правилом Ленца ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока при включении и убыванию силы тока при выключении цепи.

Это приводит к тому, что при замыкании цепи, в которой есть источник тока с постоянной ЭДС, сила тока устанавливается через некоторое время.

При отключении источника ток также не прекращается мгновенно. Возникающая при этом ЭДС самоиндукции может превышать ЭДС источника.

Явление самоиндукции можно наблюдать, собрав электрическую цепь из катушки с большой индуктивностью, резистора, двух одинаковых ламп накаливания и источника тока. Резистор должен иметь такое же электрическое сопротивление, как и провод катушки.

Опыт показывает, что при замыкании цепи электрическая лампа, включенная последовательно с катушкой, загорается несколько позже, чем лампа, включенная последовательно с резистором. Нарастанию тока в цепи катушки при замыкании препятствует ЭДС самоиндукции, возникающая при возрастании магнитного потока в катушке.

При отключении источника тока вспыхивают обе лампы. В этом случае ток в цепи поддерживается ЭДС самоиндукции, возникающей при убывании магнитного потока в катушке.

ЭДС самоиндукции ​( varepsilon_{is} )​, возникающая в катушке с индуктивностью ​( L )​, по закону электромагнитной индукции равна:

ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна индуктивности катушки и скорости изменения силы тока в катушке.

Соленоид

Соленоид отличается от обычной катушки по двум признакам:

• Длина обмотки превышает диаметр в несколько раз;
• Толщина обмотки меньше диаметра катушки также в несколько раз.

Соленоидальный тип катушки

Параметры соленоида можно узнать из такого выражения:

L=µ0N2S/l,

где:

• µ0 – магнитная постоянная;
• N – количество витков;
• S – площадь поперечного сечения обмотки;
• l – длина обмотки.

Важно! Приведенное выражение справедливо для соленоида без сердечника. В противном случае необходимо дополнительно внести множитель µ, который равен магнитной проницаемости сердечника.

Обратите внимание! Используя подвижный сердечник, можно производить оперативное изменение параметров соленоида.

Чем большую магнитную проницаемость будет иметь сердечник, тем больше увеличится итоговое значение.

Основные формулы раздела «Электромагнитная индукция»

Алгоритм решения задач по теме «Электромагнитная индукция»:

1. Внимательно прочитать условие задачи. Установить причины изменения магнитного потока, пронизывающего контур.

2. Записать формулу:

• закона электромагнитной индукции;
• ЭДС индукции в движущемся проводнике, если в задаче рассматривается поступательно движущийся проводник; если в задаче рассматривается электрическая цепь, содержащая источник тока, и возникающая на одном из участков ЭДС индукции, вызванная движением проводника в магнитном поле, то сначала нужно определить величину и направление ЭДС индукции. После этого задача решается по аналогии с задачами на расчет цепи постоянного тока с несколькими источниками.

3. Записать выражение для изменения магнитного потока и подставить в формулу закона электромагнитной индукции.

4. Записать математически все дополнительные условия (чаще всего это формулы закона Ома для полной цепи, силы Ампера или силы Лоренца, формулы кинематики и динамики).

5. Решить полученную систему уравнений относительно искомой величины.

6. Решение проверить.

Электромагнитная индукция

3.2

(63.45%)

29

votes

ЭДС индукции — Энциклопедия по машиностроению XXL

В СИ единица магнитного потока выбрана такой, чтобы коэффициент пропорциональности между ЭДС индукции и изменением магнитного потока был равен единице. При этом закон электромагнитной индукции формулируется следующим образом ЭДС индукции в замкнутом контуре равна модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром  [c.188]

Единица магнитного потока в Международной системе единиц называется вебером (Вб). Она определяется на основании использования закона электромагнитной индукции. Магнитный поток через площадь, ограниченную замкнутым контуром, равен 1 Вб, если при равномерном убывании этого потока до нуля за 1 с в контуре возникает ЭДС индукции 1 В  [c.188]

ЭДС индукции в движущихся проводниках. Явление электромагнитной индукции наблюдается и в тех случаях, когда магнитное поле не изменяется во времени, но магнитный поток через контур изменяется из-за движения проводников контура в магнитном поле. В этом случае причиной возникновения ЭДС индукции является не вихревое электрическое поле, а сила Лоренца.  [c.189]

Поэтому ЭДС индукции в контуре будет равна  [c.189]

Совпадение выражений (54.5) и (54.7) показывает, что причиной возникновения ЭДС индукции в контуре в этом случае является действие силы Лоренца на заряды в движущемся проводнике.  [c.190]

Самоиндукция. При изменении силы тока в катушке происходит изменение магнитного потока, создаваемого этим током. Изменение магнитного потока, пронизывающего катушку, должно вызывать появление ЭДС индукции в катушке. Явление возникновения ЭДС индукции в  [c.190]

Мы получили, что работа внешних сил, вызывающих движение проводника в магнитном поле, равна работе ЭДС индукции в электрической цепи.  [c.196]

Машнна постоянного тока как электрический генератор. Физический принцип действия машины постоянного тока как генератора основан на явлении возникновения ЭДС индукции в рамке из проводника при вращении ее в магнитном поле (рис. 203).  [c.196]

При вращении якоря в магнитном поле индуктора в проводах его обмоток возникает ЭДС индукции.  [c.196]

С потребителями электрической энергии через скользящие контакты коллектора и электрических щеток соединяются концы той обмотки якоря, в которой в данный момент времени ЭДС индукции имеет максимальное значение.  [c.196]

Провода обмотки движутся перпендикулярно линиям индукции магнитного поля. При этом между концами проводника возникает ЭДС индукции, которая прямо пропорциональна скорости  [c.196]

При зарядке и разрядке конденсатора колебательного контура изменения силы тока в катушке Lk контура вызывают изменения магнитного поля вокруг нее. При этом происходят изменения магнитного потока и возникает ЭДС индукции во второй катушке Lqb, называемой катушкой обратной связи. Один конец катушки обратной связи соединен с эмиттером транзистора, второй через конденсатор С — с его базой. Катушка обратной связи включена таким образом, что при увеличении силы тока в цепи коллектора на базу подается напряжение, отпирающее транзистор  [c.235]

Изменения магнитного потока создают ЭДС индукции е в витке, согласно закону электромагнитной индукции равную производной потока магнитной индукции, взятой со знаком минус  [c.237]

Следовательно, изменения ЭДС индукции со временем будут происходить по гармоническому закону  [c.237]

Если с помощью контактных колец и скользящих по ним щеток соединить концы витка с электрической цепью, то под действием этой ЭДС индукции в электрической цепи возникнут вынужденные гармонические колебания силы тока — переменный ток.  [c.237]

Отношение ЭДС самоиндукции l в первичной катушке к ЭДС индукции в2 во вторичной катушке равно отношению числа витков П1 в первичной катушке к числу витков Л2 во вторичной катушке  [c.246]

При разомкнутой цепи вторичной катушки — режим холостого хода трансформатора — напряжение 2 на [c.246]

Вторичную катушку пронизывает тот же самый магнитный поток, который проходит через первичную катушку. При изменениях магнитного потока в каждом ее витке возникает ЭДС индукции, изменяющаяся по гармоническому закону, амплитуда изменений ЭДС индукции в одном витке имеет такое же значение, что и ЭДС самоиндукции в одном витке первичной катушки. Если число витков провода вторичной катушки /12, то мгновенное значение ЭДС в ней равно  [c.246]

Виток провода площадью 2,5-10 м вращается с частотой 5 с в однородном магнитном поле с индукцией 1,1 Тл. Определите амплитуду колебаний ЭДС индукции в витке.  [c.295]

С какой частотой должен вращаться виток провода в однородном магнитном поле с индукцией 1,2 Тл, чтобы амплитуда колебаний ЭДС индукции в нем была 1 В Площадь витка 2,5-10″ м .  [c.295]

Ротор электрического генератора длиной Тми диаметром 1,25 м вращается с частотой 3000 оборотов в минуту. Индукция магнитного поля 2 Тл. Определите амплитуду колебаний ЭДС индукции в одном витке обмотки генератора.  [c.296]

ЭДС индукции 188 Эквипотенциальная поверхность 139 Электрическая емкость 143  [c.365]

Зависимость (55), называемая законом электромагнитной индукции Фара дея, устанавливает и величину, и направление ЭДС индукции.  [c.191]

Если в переменное магнитное поле помещен неподвижный проводник, то поток магнитной индукции сквозь сечение контура, охватываемого проводником, изменяется, в связи с чем в проводнике по закону Фарадея возникает ЭДС индукции  [c.191]

Аналогичное соотношение можно получить и для электрического вихревого поля. Согласно (55), ЭДС индукции  [c.192]

Индуктивность и взаимная индуктивность. При изменении магнитного потока, сцепленного с данным контуром, в последнем возникает электродвижущая сила (ЭДС) индукции, определяемая законом Фарадея  [c.253]

Единицу индуктивности можно определить как индуктивность такого контура, который сцеплен с потоком в один максвелл, при протекании по нему тока, равного с единиц, Согласно другому определению единицей индуктивности является индуктивность такого контура, в котором возникает ЭДС индукции, равная единице, при изменении тока в контуре на единиц в секунду. В соответствии с размерностью иногда указанную единицу индуктивности называют сантиметром индуктивности.  [c.255]

Появление электрического тока в замкнутом контуре при изменениях магнитного поля, пронизывающего контур, свидетельствует о действии в контуре сторонних сил неэлектростатической природы или о возникновении ЭДС индукции. Количественное описание явления электромагнитной индукции дается на основе установления связи между ЭДС индукции и физической величиной, называемой магнитным потоком.  [c.187]

Основными частями машины постоянного тока являются индуктор, с помощью которого создается магнитное поле, якорь, в обмотке которого наводлтся ЭДС индукции, гсоллектор и электрические щетки. Коллектором называются изолированные друг от друга проводящие пластипы, присоединенные к катушкам. По пластинам коллектора скользят электрические щетки, соединяющие концы обмоток с внешней йлектрической цепью.  [c.196]

Если внутреннее сопротивление источника тока, т. е. сопротивление проводов обмотки статора, значительно меньше сопротивления внешней электрической цепи, то напряжение и на выходе генератора можно считать равным по абсолютному значению ЭДС индукции в п последовательно включенных витках обмотки и = пе = пВЗш sin ot. (68.5)  [c.238]

В системах магнитоэлектрического типа в последнем урав-пеиии вая ную роль играет ЭДС индукции. D частном случае, когда ироводппк длины I перемещается в равномерном магнитном поле перпендикулярно вектору пндукцни В, наведенная ЭДС индукции онределяется по формуле  [c.284]

Отложения оксидов металлов в трубе обнаруживают при помощи индукционного датчика, представляющего собой постоянный магнит с обмоткой медного провода (оператор водит прибором по поверхности исследуемого трубопровода). При прохождении участка с металлооксидными отложениями магнитное сопротивление цепи магнит — трубопровод уменьщается, что приводит к изменению напряженности магнитного поля магнита и сопровождается возникновением в обмотке магнита ЭДС индукции, поступающей на вход двухкаскадного транзисторного усилителя постоянного тока, и усиленный импульс регистрируется микроамперметром. Отклонение стрелки прибора зависит от толщины слоя отложения и скорости движения датчика по трубопроводу. Однако из-за малой длительности импульса индуктируемой ЭДС, наличия омического сопротивления обмотки магнита и инерционности подвижной части микроамперметра  [c.49]

Формулы (7.62) и (7.63) представляют собой частный случай, когда поток, изменения которого порождают ЭДС индукции, создан в тороиде или длинном соленоиде. В более общем случае контура любой формы с любым числом произвольно расположенньис витков можно, основываясь на законе Био, Савара и Лапласа, выразить потокосцепление с этим контуром в виде  [c.254]

Если мы имеем два контура, более или менее близко расположенных друг относительно друга, то при протекании тока по одному из контуров часть потока или весь поток оказывается сцепленным со вторым контуром. Изменение тока в первом из контуров вызывает возникновение ЭДС индукции во втором контуре. Потокосцеп-ление в одном контуре в зависимости от тока в другом имеет вид, аналогичный (7.64)  [c.255]

ЯВЛЕНИЕ (взаимной индукции заключается в наведении ЭДС индукции во всех проводниках, находящихся вблизи цепи переменного тока самоиндукции — возникновение ЭДС электромагнитной индукции в электрической цепи вследствие изменения в ней электрического тока гидратации — взаимодействие ионов растворенного вещества с молекулами растворителя осмоса — ппоникновение растворителя в раствор через пористую перегородку (мембрану), непроницаемую для растворенного вещества и отделяющую раствор от чистой жидкости сверх гекучестп гелия состоит в способности жидкого гелия-2 протекать без трения через узкие щели и капилляры при температуре Г[c.302]

Линейный индукционный ускоритель — Л. у., в к-ром для ускорения используется эдс индукции, возникающей при изменении во времени магн. потока, охватывающего нрямолинейные траектории частиц. Ускоряющее поло в индукц. Л. у. за время пролёта частиц существенно не меняется.  [c.586]

Зарядовая нейтрализация пучка происходит при инжекции в достаточно плотную плаз.му за счёт вытеснения из его объёма медленных плазменных электронов с характерным временем (4яа) , где а — проводимость плазмы. Если к моменту достижения нейтрализации ток С. п. продолжает нарастать, то эдс индукции создаёт ток оставшихся плазменных электронов, направленный против тока пучка и вызывающий токовую нейтрализацию. При небольшой плотности плазмы, когда плазменная частота озр распределён по всему объёму, так что токовая нейтрализация неполна и имеет интегральный характер. При Ыр > da происходит локальная нейтрализация, за исключением поверхности С. п., где образуется двойной токовый слой толщиной — juip и сосредоточено ыагн. поле. В таких условиях частицы С. и. практически свободны, а сам он электродинамически венаблюдаем. Эффективность переноса пучком мощности и энергии через плазму на расстояния 1м близка к 100%, но на больших расстояниях уменьшается за счёт раал. неустойчивостей С. п., в первую очередь поперечной неустойчивости, выражающейся в изгибании пучка как целого и разбиения его на отд, нити.  [c.503]

Наведенная ЭДС и магнитный поток

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Рассчитайте поток однородного магнитного поля через петлю произвольной ориентации.
• Опишите методы создания электродвижущей силы (ЭДС) с помощью магнитного поля или магнита и проволочной петли.

Аппарат, использованный Фарадеем для демонстрации того, что магнитные поля могут создавать токи, показан на рисунке 1.Когда переключатель замкнут, в катушке в верхней части железного кольца создается магнитное поле, которое передается катушке в нижней части кольца. Гальванометр используется для обнаружения любого тока, наведенного в катушке внизу. Было обнаружено, что каждый раз, когда переключатель замыкается, гальванометр обнаруживает ток в одном направлении в катушке внизу. (Вы также можете наблюдать это в физической лаборатории.) Каждый раз, когда переключатель открывается, гальванометр обнаруживает ток в противоположном направлении.Интересно, что если переключатель остается замкнутым или разомкнутым в течение некоторого времени, через гальванометр нет тока. Замыкание и размыкание переключателя индуцирует ток. Это изменение в магнитном поле, которое создает ток. Более важным, чем текущий ток, является ЭДС, которая его вызывает. Ток является результатом ЭДС , индуцированной изменяющимся магнитным полем , независимо от того, есть ли путь для протекания тока.

Рисунок 1.Аппарат Фарадея для демонстрации того, что магнитное поле может производить ток. Изменение поля, создаваемого верхней катушкой, вызывает ЭДС и, следовательно, ток в нижней катушке. Когда переключатель разомкнут и замкнут, гальванометр регистрирует токи в противоположных направлениях. Когда переключатель остается замкнутым или разомкнутым, через гальванометр не течет ток.

Эксперимент, который легко проводится и часто проводится в физических лабораториях, показан на рисунке 2. ЭДС индуцируется в катушке, когда стержневой магнит толкается внутрь и из нее.ЭДС противоположных знаков создаются движением в противоположных направлениях, и ЭДС также меняются на противоположные за счет изменения полюсов. Те же результаты будут получены, если перемещать катушку, а не магнит — важно относительное движение. Чем быстрее движение, тем больше ЭДС, и когда магнит неподвижен относительно катушки, ЭДС отсутствует.

Рис. 2. Движение магнита относительно катушки создает ЭДС, как показано. Такие же ЭДС возникают при перемещении катушки относительно магнита.Чем больше скорость, тем больше величина ЭДС, а при отсутствии движения ЭДС равна нулю.

Метод создания ЭДС, используемый в большинстве электрических генераторов, показан на рисунке 3. Катушка вращается в магнитном поле, создавая ЭДС переменного тока, которая зависит от скорости вращения и других факторов, которые будут исследованы в следующих разделах. Обратите внимание, что генератор очень похож по конструкции на двигатель (другая симметрия).

Рис. 3. Вращение катушки в магнитном поле создает ЭДС.Это основная конструкция генератора, в котором работа, выполняемая по вращению катушки, преобразуется в электрическую энергию. Обратите внимание, что генератор очень похож по конструкции на двигатель.

Итак, мы видим, что изменение величины или направления магнитного поля вызывает ЭДС. Эксперименты показали, что существует критическая величина, называемая магнитным потоком , Φ , определяемым

Φ = BA cos θ ,

, где B — напряженность магнитного поля над площадью A под углом θ к перпендикуляру к области, как показано на рисунке 5. Любое изменение магнитного потока Φ индуцирует ЭДС. Этот процесс определяется как электромагнитная индукция . Единицы магнитного потока Φ Т м ² . Как видно на рисунке 4, B cos θ = B _⊥ , который является составляющей B , перпендикулярной области A . Таким образом, магнитный поток равен Φ = B _⊥ A , произведению площади и составляющей магнитного поля, перпендикулярной ей.

Рис. 4. Магнитный поток Φ связан с магнитным полем и площадью, на которой оно существует. Поток Φ = BA cos θ связан с индукцией; любое изменение Φ вызывает ЭДС.

Вся индукция, включая приведенные до сих пор примеры, возникает из-за некоторого изменения магнитного потока Φ . Например, Фарадей изменил B и, следовательно, Φ при открытии и закрытии переключателя в своем устройстве (показано на рисунке 1).Это также верно для стержневого магнита и катушки, показанных на рисунке 2. При вращении катушки генератора угол θ и, следовательно, Φ изменяется. Насколько велика ЭДС и какое направление она принимает, зависит от изменения в Φ и от того, как быстро это изменение выполняется, как будет рассмотрено в следующем разделе.

Сводка раздела

• Ключевой величиной в индукции является магнитный поток Φ , определяемый как Φ = BA cos θ , где B — напряженность магнитного поля на площади A под углом θ к перпендикуляру к площади. .
• Единицы магнитного потока Φ Т м ² .
• Любое изменение магнитного потока Φ индуцирует ЭДС — процесс определяется как электромагнитная индукция.

Концептуальные вопросы

1. Каким образом многоконтурные катушки и железное кольцо в версии аппарата Фарадея, показанной на рисунке 1, улучшают наблюдение наведенной ЭДС?

2. Когда магнит вставляется в катушку, как показано на рисунке 2 (а), в каком направлении катушка воздействует на магнит? Нарисуйте диаграмму, показывающую направление тока, индуцируемого в катушке, и создаваемое ею магнитное поле, чтобы обосновать вашу реакцию.Как величина силы зависит от сопротивления гальванометра?

3. Объясните, как магнитный поток может быть равен нулю, когда магнитное поле не равно нулю.

4. Индуцируется ли ЭДС в катушке на рис. 5, когда она растягивается? Если да, укажите причину и укажите направление индуцированного тока.

Рис. 5. Круглая катушка с проволокой натянута в магнитном поле.

Задачи и упражнения

1. Какое значение магнитного потока в катушке 2 на рисунке 6 из-за катушки 1?

Рисунок 6.(а) Плоскости двух катушек перпендикулярны. (б) Проволока перпендикулярна плоскости катушки.

2. Какое значение магнитного потока, проходящего через катушку на Рисунке 6 (b), обусловлено проводом?

Глоссарий

магнитный поток:

величина магнитного поля, проходящего через конкретную область, рассчитанная с помощью Φ = B A cos θ , где B — напряженность магнитного поля на площади A под углом θ к перпендикуляру к площадь

электромагнитная индукция:

Процесс наведения ЭДС (напряжения) с изменением магнитного потока

Почему магнитный поток используется для измерения наведенной ЭДС? И еще несколько вопросов по электромагнитной индукции

Почему при расчете наведенной ЭДС в проволочной петле мы используем магнитный поток?

По закону Фарадея.Это физический закон, полученный в результате обобщения экспериментов. Когда Фарадей открыл это, не было способа вывести это математически или логически из каких-то ранее существовавших знаний.

Площадь, используемая для потока, — это площадь плоскости петли, но разве это пространство во многих случаях не просто воздух?

Да, но детали того, что находится в этом месте, не меняют закон Фарадея; закон Фарадея гласит, что единственное, что имеет значение, — это магнитный поток.Детали того, что там есть, изменят поток, но не изменят закон.

Это не проводящий материал, покрывающий всю эту область

Индуцированное вихревое электрическое поле присутствует всякий раз, когда магнитное поле изменяется. Следовательно, ЭДС, назначенная статическому замкнутому контуру, который находится в этом пространстве, будет иметь отличную от нуля ЭДС. Для этого не требуется наличия токопроводящего материала.

Мы говорим об индуцированной ЭДС в проводах, потому что это практически интересно — индуцированное электрическое поле в проводах или проводниках может влиять на электрический ток, и этот эффект количественно оценивается с помощью ЭДС.

Например, в трансформаторе напряжения с катушкой индуцированное электрическое поле находится внутри и вблизи проводов, но также и дальше от них, в сердечнике. Но в идеальном случае влияние этого электрического поля в проводах гораздо важнее для работы трансформатора — это то, что влияет на электрическое напряжение на выводах его вторичной обмотки.

Кроме того, в учебнике, который мы используем, есть данный пример, который используется для объяснения того, почему относительное движение между проводящим прямым проводом и магнитным полем создает ЭДС…. но здесь нет никаких изменений в потоке. Проволока движется через поле, но равномерно, поэтому поле на проводе не меняется, а также площадь или угол между ними. Так разве ЭДС НЕ индуцировалась в этом случае по закону Фарадея?

Это помогает прояснить, что мы подразумеваем под ЭДС для отрезка пути в пространстве. Это работа, которую будет выполнять электродвижущим агентом (химической или электрической силой), если бы по этому пути переносился один элементарный заряд.

В случае изолированного провода, движущегося через магнитное поле, первоначально из-за магнитного поля заряды будут перемещаться по проводу, и движущийся провод будет выполнять некоторую работу с ними. Но очень скоро электрический заряд накапливается на концах и поверхности провода и будет противодействовать дальнейшему движению зарядов относительно провода. Агент, перемещающий заряды, все еще присутствует (проволока, движущаяся в магнитном поле), но ему полностью противодействует столь же сильная сила электростатического отталкивания.

Один из способов описать это состоит в том, что ЭДС из-за движения в магнитном поле противодействует ЭДС из-за электрической силы накопленных зарядов. Итак, на самом деле есть две разные ЭДС равной силы, но противоположного знака. Суммарная ЭДС равна нулю.

Поток в этом примере не имеет смысла, потому что не указан замкнутый путь. Следовательно, этот изолированный провод в движении не является хорошим примером закона Фарадея. Его лучше рассматривать как объяснение того, откуда исходит сила, движущая носители заряда, и как можно понять закон Фарадея для замкнутых цепей, движущихся в магнитном поле, как результат магнитной силы, действующей на движущийся провод.

уравнений Максвелла — Как измерить напряжение и ток в замкнутой цепи под действием магнитной индукции?

Как устройство знает вклад каждого члена RHS?

Нет, так не работает. Обычный клещевой амперметр переменного тока основан на трансформаторе тока. Измеряемый проводник представляет собой «первичную обмотку» примерно с одной катушкой, а измерительное устройство содержит вторичную обмотку в зажиме. Когда в измеряемом проводе (первичном) присутствует переменный ток, он индуцирует ЭДС во вторичной обмотке и производит ток, который измеряется внутри измерителя.Таким образом, измерение основано на понимании влияния колебательного тока в первичной обмотке на индуцированный электрический ток во вторичной обмотке, которое основано на законе Фарадея и деталях трансформатора в измерителе.

Магнитное поле измеряется напрямую только в токоизмерительных клещах постоянного тока с помощью датчика Холла. Тогда нет тока смещения, магнитное поле определяется только током.

Как измерить $$ \ oint _ {\ partial \ Sigma} \ mathbf {E} \ cdot \ mathrm {d} \ boldsymbol {\ ell} $$

Вольтметр переменного тока покажет напряжение между 2 точками, если цепь разомкнута.Но это меняет представление о замкнутой цепи и замкнутом интеграле. А между 2 точками замкнутого проводника напряжение равно нулю.

Да, введение вольтметра в схему изменит схему — внесет в нее большой импеданс, поэтому измеряемая система изменится. Если мы просто возьмем вольтметр и стандартные неэкранированные кабели, подключим щупы к измеряемым точкам, тогда вольтметр действительно будет измерять интеграл контура, указанный выше, но для только что созданной системы, которая включает в себя вольтметр.Таким образом можно продемонстрировать влияние наведенной ЭДС на показания вольтметра.

Если электрическое поле изменяется достаточно медленно, вольтметр показывает некоторое значение, которое общая ЭДС (включая электростатическое и индуцированное электрическое поле) воздействует на вольтметр внутри. В целом это не очень полезное измерение, поскольку оно зависит от расположения и качества экранирования кабелей датчиков (их взаимной индуктивности с источником изменяющегося магнитного поля) и других деталей, таких как конструкция вольтметра.

Интеграл с обратной связью от полного электрического поля для цепи без вольтметра или амперметра на самом деле является теоретическим понятием — полная наведенная ЭДС в цепи. Измерение его напрямую путем измерения электрического поля во всех точках цепи в принципе возможно, но это будет сложно сделать, и я не знаю ни одного случая, когда это обычно делается. Наиболее значимые измерения электрических систем с помощью вольтметров / осциллографов на самом деле связаны с измерением напряжения между двумя точками (разность потенциалов), а не полной ЭДС через какой-то замкнутый контур (потому что это произвольно).Измерение правильного напряжения вместо случайной ЭДС достигается путем создания цепи с вольтметром / осциллографом с использованием экранированных коаксиальных кабелей пробников с минимальным количеством петель, так что любое влияние наведенного поля (ЭДС) на измерения нейтрализуется.

индукция — Измерение падения напряжения от наведенного тока

Вольтметр в этом случае не показывает классическое падение напряжения , поскольку само понятие напряжения как скалярной функции, градиент которой дает поле, становится избыточным.То, что он косвенно отображает, — это ток через него, который в случае наведенной ЭДС не связан с «падением потенциала» на его конце. (он будет отображать $ V $ как свое показание, где $ V = Ir $, $ I $ ток через него и $ r $ сопротивление вольтметра.

В качестве примера рассмотрим случай, который вы описываете в вопросе. Три резистора сопротивлением $ R = 5 $ каждый соединены в виде треугольника. Вольтметр с сопротивлением $ r = 100 $ подключен через две вершины. Пусть изменение магнитного потока ограничивается только треугольной частью и составляет $ 1 вебер / с $.Следовательно, линейный интеграл поля вдоль линии, полностью включающей область с изменяющимся магнитным потоком, должен составлять $ 1 вольт $. Пусть ток через вольтметр будет $ I_1 $ (от A до C), а через два резистора (кроме того, к которому подключен вольтметр) будет $ I $ (по часовой стрелке). Ток через сопротивление, к которому подключен вольтметр, равен $ I-I_1 $ (от A до C).

Сначала рассмотрим линейный интеграл вдоль треугольного участка по часовой стрелке.Интеграл даст $$ — 2IR- (I-I_1) R = 1 $$ $$ — 15I + 5I_1 = 1 $$ Рассматривая линейный интеграл вдоль $ C \ rightarrow B \ rightarrow A \ rightarrow \ text {Voltmeter} \ rightarrow C $ по часовой стрелке, получаем $$ — 2IR-I_1r = 1 $$, поскольку в обоих случаях изменение магнитного потока (скорость изменения во времени) одинаково, поскольку изменение ограничено треугольной областью, которая полностью ограничена обоими линейными интегралами. $$ — 10I-100I_1 = 1 $$ при решении получаем $ I = 21/310 = 0,068 $ (против часовой стрелки) и $ I_1 = 1/310 = 0,0032 $ (против часовой стрелки). Следовательно, вольтметр покажет $ I_1r = 0.32V $, что равно $ (I-I_1) R $, но не $ 2IR $, поскольку, рассматривая вольтметр, подключенный только к сопротивлению $ AC $, мы получаем простую схему без какого-либо изменения магнитного потока, но рассматриваем вольтметр как будучи присоединенным к сопротивлениям $ CB $ и $ BA $, мы получаем цепь с изменяющимся магнитным потоком, который необходимо учитывать, и, следовательно, показания не будут соответствовать $ 2IR $ или гипотетическому «падению потенциала». через два резистора.

33 Измерение скорости с помощью электромагнитной индукции

Электромагнитные регистраторы скорости продолжают оставаться популярными для измерения движения судна в воде.Этот тип журнала использует хорошо задокументированный принцип Майкла Фарадея измерения потока жидкости мимо датчика с помощью электромагнитной индукции.

Операция основана на принципе, что любой проводник, который перемещается поперек магнитного поля, индуцирует в нем небольшую электродвижущую силу (ЭДС). В качестве альтернативы e.m.f. также будет индуцироваться, если проводник остается неподвижным, а магнитное поле перемещается относительно него. Предполагая, что магнитное поле остается постоянным, амплитуда наведенного e.м.ф. будет прямо пропорционально скорости движения.

При практической установке постоянная э.д.с. в проводнике (морская вода, протекающая мимо датчика), и в коллекторе индуцируется незначительный ток, пропорциональный относительной скорости. Магнитное поле, создаваемое в морской воде, создается соленоидом, который может выходить в воду или устанавливаться заподлицо с корпусом. По мере движения судна морская вода (проводник), протекающая через магнитное поле, имеет малую величину e.м.ф. побудил в это. Эту минутную э.д.с., амплитуда которой зависит от скорости перерезания магнитных силовых линий, регистрируется двумя небольшими электродами, установленными во внешнем корпусе датчика.

На рис. 3.7 показан соленоид, создающий магнитное поле, и проводник, соединенный в виде петли, способной перемещаться под прямым углом к ​​полю. Если проводник перемещать в указанном направлении, в проводе будет индуцироваться крошечный ток и небольшая ЭДС. производится поперек него.В случае электромагнитного каротажа скорости проводником является морская вода, проходящая через магнитное поле. Правило Флеминга показывает, что сгенерированная ЭДС. находится под прямым углом к ​​магнитному полю (H). Индуцированный ток, протекающий в проводнике, позволяет определить ЭДС. на счетчике. Если предположить, что ток включения соленоида составляет постоянный ток. индуцированная ЭДС. это plv, где p = индуцированное магнитное поле, l = длина проводника и v = скорость проводника.

p примерно равно H, напряженности магнитного поля. Следовательно, e.m.f. = Hlv при отсутствии потерь в цепи.

Для уменьшения эффекта электролиза и усиления наведенной ЭДС. проще, переменный ток используется для создания магнитного поля. Напряженность магнитного поля H теперь становится Hmsinwt, а наведенная э.д.с. это: Hmlvsinwt. Если напряженность магнитного поля и длина проводника остаются постоянными, то э.д.с. — скорость.

Рисунок 3.8 показано, что изменения ЭДС, вызванные изменениями скорости, образуют линейный график и, таким образом, линейную индикацию скорости судна. Э.д.с. полученный таким образом очень маленький

Рис. 3.7. Эффект перемещения проводника в магнитном поле.

, но, если требуется, может быть увеличен за счет увеличения тока включения или количества витков провода на соленоиде. Следует отметить следующие моменты.

• Переменный ток При подаче питания на соленоид возникает индуктивный контакт между катушкой и проводами, по которым передается сигнал.Это, в свою очередь, приводит к «нулевой» ошибке, которую необходимо компенсировать, «откладывая» нулевую установку индикатора при калибровке.

• Индуцированная э.д.с. очень мала (для разумных амплитуд тока возбуждения), обычно 100 пВ на узел.

• Индуцированная э.д.с. и, следовательно, индикация скорости будет изменяться в зависимости от проводимости воды.

• Устройство измеряет скорость воды, протекающей мимо корпуса корабля. Этот поток может меняться из-за нелинейности конструкции корпуса.

• Океанские течения могут вносить ошибки.

• Качка и качение влияют на соотношение между скоростью относительно воды и корпусом. Ошибка из-за этого эффекта может быть компенсирована снижением чувствительности приемника. Это достигается с помощью схемы синхронизации CR с большой постоянной времени для гашения колебательного эффекта.

• Точность обычно составляет 0,1% от используемой дальности по носу и корме, и примерно 2% от курса на удар по кораблю.

Рисунок 3.9 показан типичный разрез датчика, показывающий соленоид и считывающие электроды. Система преобразования скорости показана на рисунке 3.10.

Рис. 3.9. Конструктивные детали датчика электромагнитного каротажа.

Рисунок 3.10 Э.д. система быстрого перевода логов.

Описание системы скоростного перевода

Напряжение малого сигнала скорости от датчика, e.m.f.1, подается на дифференциальный трансформатор, где оно сравнивается с опорным напряжением e.m.f.2, создаваемое потенциометром на входе переменного тока. поставлять. Разность потенциалов, возникающая на опорном резисторе, обеспечивает ток питания для соленоида в датчике.

Если напряжение сигнала э.м.д. 1. отличается от эталонного напряжения ЭДС 2. сигнал ошибки по напряжению 8 э.м. производится. Это напряжение ошибки подается на усилитель сигнала скорости, где оно усиливается для выработки мощности, достаточной для привода серводвигателя. Сервопривод, в свою очередь, будет показывать скорость через механическую связь на индикаторе.Также с валом сервопривода соединен ползунок потенциометра скорости, который поворачивается в направлении уменьшения напряжения ошибки 8 э.м.д. Когда напряжение этой ошибки падает до нуля, сервопривод перестает вращаться. Индикатор скорости остается неподвижным до следующей ошибки напряжения 8 э.м.д. производится. Каждый раз, когда создается напряжение ошибки, сервопривод поворачивается, чтобы устранить ошибку и, таким образом, уравновесить систему.

3.3.1 Практическая электромагнитная система регистрации скорости

Потенциал, развиваемый на электродах преобразователя, пропорционален напряженности магнитного поля (и, следовательно, току возбуждения) и скорости потока в объеме воды, на который влияет поле.Напряженность магнитного поля никоим образом не стабилизируется по отношению к каким-либо изменениям в основном напряжении, температуре и т. Д. На корабле, но, эффективно сравнивая ток возбуждения с напряжением на электродах, их соотношение позволяет измерить скорость корабля.

Входной трансформатор T1 (показан на рисунке 3.11) обладает очень высокой индуктивностью и понижающим коэффициентом 5: 1. Это приводит к входному импедансу, наблюдаемому с помощью измерительных электродов, приближающемуся к 20 Mft, что по сравнению с импедансом, представленным соленой водой, можно рассматривать как разомкнутую цепь.Следовательно, изменения солености не влияют на измеренное напряжение и результирующую индикацию скорости. Цепочка переключаемых резисторов (R1 / R5) устанавливает коэффициент усиления всего усилителя вместе с цепью резисторов (R6 / R10), которая регулирует амплитуду сигнала обратной связи.

Выход IC1 связан через IC2, который из-за емкостной обратной связи (не показана) гарантирует, что схема имеет нулевой сдвиг фазы от T1 до T2 к демодулятору. Демодуляция осуществляется посредством TR1 / TR2, которые в свою очередь переключаются с a.c. опорное напряжение, получаемое от тороидального трансформатора, контролирующего ток включения преобразователя. При синхронном возбуждении TR1 / TR2 фазовое соотношение напряжения, обнаруживаемого электродами, определяет полярность демодулированного сигнала. Фазировка 0 ° и 180 ° дает положительный или отрицательный компонент; 90 ° и 270 ° не дают выхода и, следовательно, полностью отклоняют такие фазово-квадратурные сигналы. Демодулированный сигнал подается на интегратор Миллера IC3, который, в свою очередь, приводит в действие генератор тока.Ретрансляторы скорости питаются от этого источника.

Работа контура

При отсутствии движения судна будет нулевой сигнал на входе в IC1 и, следовательно, не будет сигнала на входе микросхемы умножителя. На входе IC1 сигнал обратной связи не формируется. Когда судно движется вперед, слабый сигнал, подаваемый на IC1, обрабатывается в электронном блоке для создания тока, протекающего через ретрансляторы скорости и умножитель. Теперь существует выходной сигнал умножителя, пропорциональный току ретранслятора скорости и опорному напряжению, создаваемому тороидальным трансформатором, контролирующим ток включения преобразователя.Переменный ток от умножителя подается обратно на IC1 последовательно и сдвинуто по фазе на 180 ° с вторичным малым сигналом T1. Это переменный ток. сигнал растет медленно и в конечном итоге с постоянной времени демодулятора становится равным сигналу p.d.

SC Переключатель диапазонов

SC Переключатель диапазонов

Удаленные повторители

Преобразователь

Рисунок 3.11 Упрощенная схема ЭМ. бревно. (Изображение любезно предоставлено Thomas Walker and Son Ltd.)

Преобразователь

Удаленные повторители

200 импульсов на морскую милю 3100 импульсов на морскую милю 1 импульс на морскую милю

Рисунок 3.11 Упрощенная схема ЭМ. бревно. (Изображение любезно предоставлено Thomas Walker and Son Ltd.)

разработан в T1. В это время результирующий сигнал, подаваемый на IC1, падает до нуля, и поэтому выходной сигнал демодулятора остается на постоянном уровне. Любое дальнейшее изменение скорости приводит к дисбалансу вторичной обмотки Т1, что в результате приводит к возникновению переменного тока. сигнал на IC1. В результате выходной сигнал демодулятора увеличивается или уменьшается (быстрее или медленнее скорость корабля) до тех пор, пока не будет восстановлено состояние баланса.Повторители скорости укажут соответствующее изменение скорости.

Дистанционная интеграция

Ток скорости пропускается через резистивную сеть на дистанционной интеграционной плате, чтобы можно было создать пропорциональное напряжение для интеграции. Выходной сигнал этой платы представляет собой последовательность импульсов, частота которой пропорциональна указанной скорости. Импульсы 10 мс подаются на плату управления реле, которая содержит необходимую логику для выдачи следующих выходных сигналов: 200 импульсов на морскую милю, 100 импульсов на морскую милю и 1 импульс на морскую милю.

Прочтите здесь: 34 Измерение скорости с использованием методов акустической корреляции

Была ли эта статья полезной?

Калькулятор закона Фарадея

Этот калькулятор закона Фарадея поможет вам найти электродвижущую силу, индуцированную в замкнутой цепи.

Что такое электромагнитная индукция?

Если вы прикрепите металлический провод к батарее, вы создадите ток — электроны будут двигаться по проводу.Затем, если вы поместите этот провод в магнитное поле, дополнительная электрическая сила будет индуцирована движением электронов в этом поле.

Этот эффект также работает в обратном направлении — когда неподвижные электроны помещаются в переменное магнитное поле, индуцируется электродвижущая сила (ЭДС), и начинает течь ток. Это явление известно как электромагнитная индукция.

Магнитное поле и поток

Магнитное поле имеет две основные характеристики. Первый — это величина поля B и измеряется в теслах (символ T), или в ньютонах на метр на ампер.Второй — магнитный поток Φ — определяется как магнитное поле, проходящее через поверхность, и измеряется в веберах (символ Wb).

Величина и поток взаимозависимы — вы можете использовать приведенное ниже уравнение, чтобы легко переключаться между ними. A обозначает площадь поперечного сечения катушки, в которой индуцируется ЭДС.

Φ = B * A

Teslas и веберов связаны следующей формулой:

1 Вт / 1 м² = 1 T

Закон Ленца и формула закона Фарадея

Закон Фарадея гласит, что индуцированное в цепи напряжение равно скорости изменения, то есть изменения во времени, магнитного потока через контур:

ЭДС = dΦ / dt

Закон Ленца — это второй ключевой закон, описывающий электромагнитную индукцию.Он не описывает величину, а скорее направление тока, утверждая, что ток всегда будет противодействовать потоку, который его произвел. Он включен в закон Фарадея со знаком минус:

ЭДС = - dΦ / dt

Если вы попытаетесь вызвать электродвижущую силу в катушке с несколькими витками, вы также можете умножить это значение на количество витков, чтобы учесть количество витков Н :

ЭДС = - N * dΦ / dt

Это формула, используемая нашим калькулятором закона Фарадея.

Как рассчитать электродвижущую силу?

Обычно вы не сразу узнаете, каков магнитный поток в катушке. Но не волнуйтесь — наш калькулятор электромагнитной индукции тоже может его найти! Просто выполните следующие действия, чтобы рассчитать наведенное напряжение.

1. Определитесь с площадью поперечного сечения и количеством витков в петле. Например, вы можете использовать круглую катушку сечением 30 см² и десятью витками.

2. Узнайте, какова величина магнитного поля.Например, мы можем принять поле в 0,4 тесла.

3. Рассчитайте изменение магнитного потока как произведение магнитного поля на площадь поперечного сечения:

dΦ = B * A

dΦ = 0,4 * 30 * 10⁻⁴ = 0,0012 Wb

4. Теперь определите, за какое время магнитное поле изменится на 0,4 Тл. Можно предположить, что это заняло 8 секунд.

5. Используйте формулу закона Фарадея для вычисления электродвижущей силы:

ЭДС = - N * dΦ / dt

ЭДС = - 10 * 0.0012/8 = -0,0015 В

Индуцированное напряжение равно 0,0015 В. Знак минус указывает, что направление тока противоположно направлению магнитного потока.

Подобные калькуляторы

Если вам понравился этот калькулятор закона Фарадея, не забудьте также проверить калькулятор закона Ома!

Измерение температуры в электромагнитной среде

В этом техническом документе от Omega Engineering обсуждаются проблемы, связанные с использованием термопар в электромагнитной среде, и даются рекомендации по альтернативным типам приборов для измерения температуры. Адрес отдельных разделов:

• Теория и применение термопар
• Уязвимость к электромагнитным воздействиям
• Индуцированное напряжение
• Индукционный нагрев
• Проблемы с синфазным напряжением
• Альтернативные устройства измерения температуры

Теория термопар и их применение

Металлы, используемые в термопаре, должны обладать термоэлектрическими свойствами. Это когда электроны могут диффундировать через материал. При более высоких температурах электроны приобретают кинетическую энергию, становятся более мобильными и увеличивают степень своего движения, тем самым создавая изменения в электрическом потенциале. Многие сплавы на основе никеля обладают такими характеристиками и используются в большинстве обычных проводов для термопар.Например, термопара типа K использует соединения хромеля и алюмеля, оба из которых содержат значительную долю никеля. В основе других комбинаций материалов, используемых в термопарах, лежат платина-родий и вольфрам-рений, которые также обладают термоэлектрическими свойствами.

Возникающие ток и напряжение пропорциональны разнице температур между двумя переходами, хотя соотношение не совсем линейное. Фактические напряжения очень малы. В термопаре типа K (широко используемой благодаря широкому диапазону температур и низкой стоимости) изменение составляет 41 мВ на градус Цельсия.Другие типы термопар производят изменения аналогичной величины. Следовательно, сигналы термопар должны быть усилены для использования в измерительных системах. Неизбежно, что любое дополнительное напряжение в сигналах, вызванное внешними причинами, одновременно усиливается.

Уязвимость к электромагнитным полям

Электромагнитные поля влияют на показания термопары двумя способами, они могут:

1. Наводить напряжение в проводах термопары
2. Вызывать индукционный нагрев термопары

Кроме того, синфазное напряжение относительно земли добавляет напряжение к сигналу термопары .Эти проблемы могут возникать в среде постоянного тока, но более серьезны при наличии переменного тока.

Индуцированное напряжение

Закон Фарадея описывает явление, когда перемещение электрического проводника через магнитное поле приводит к возникновению электрического потенциала. Тот же эффект может создать напряжение в проводах термопар, особенно если провода выровнены перпендикулярно изменяющемуся полю. Учитывая, что эффект Зеебека производит очень малые напряжения, даже небольшое поле может изменить показания температуры.

Индукционный нагрев

Воздействие на проводник переменного электромагнитного поля создает завихрения, вызывающие нагрев. Таким образом, поскольку никель является электропроводным, переменное магнитное поле, которое может быть обнаружено вокруг большого двигателя или генератора, будет нагревать само устройство измерения температуры. Это приведет к появлению сигнала, который неточно отображает измеряемую температуру.

Проблемы с синфазным напряжением

Когда термопара используется вместе или как часть электрического оборудования, она часто подключается к этому источнику питания.После подачи электрического тока разница между землей и землей оборудования может повлиять на напряжение сигнала термопары. Решением в таких случаях является обеспечение гальванической развязки системы измерения температуры или, в качестве альтернативы, поиск других методов измерения температуры.

Альтернативные устройства для измерения температуры

(принцип измерения — изменение сопротивления отрезка платиновой проволоки) известны своей высокой точностью и хорошей устойчивостью к электромагнитным полям. Однако они, как правило, хрупкие и не всегда подходят для промышленных сред.

Преимущество измерения инфракрасного излучения заключается в том, что оно является бесконтактным и может выполняться на расстоянии нескольких футов или более, в зависимости от размера излучателя. Он использует закон Планка, который описывает, как тело излучает энергию пропорционально своей температуре.Одна из проблем, которую необходимо решить, заключается в том, что разные поверхности при одинаковой температуре будут излучать с разной скоростью. Описанная как разница в излучательной способности, это следует учитывать при измерении температуры с помощью любого типа ИК-детектора.

Компания Omega Engineering предлагает несколько инфракрасных датчиков / преобразователей температуры, подходящих для использования в широком диапазоне промышленных ситуаций. OS137 поставляется в корпусе из нержавеющей стали диаметром 1 дюйм NEMA 4 и может использоваться на расстояниях до 48 дюймов (Примечание: цель измерения должна заполнять поле обзора датчика.В противном случае измеренная температура будет неточной).

Доступны три диапазона температур OS137, охватывающие температуры до 538 ° C (1000 ° F). Лазерный прицел можно установить спереди во время настройки, чтобы обеспечить точное совмещение с целью. При заказе необходимо указать тип выхода: на выбор: напряжение, ток или выходы термопары типа K. Существует возможность установки порогового значения срабатывания сигнализации, а коэффициент излучения можно регулировать.

OS136 при диаметре 3⁄4 дюйма является более компактным инфракрасным датчиком / передатчиком.Производительность аналогична OS137, хотя угол обзора шире (что может потребовать более близкого размещения). В отличие от OS137, коэффициент излучения установлен на уровне 0,95, поэтому необходимо внести поправки для различающихся целей.

Takeaways

Хотя можно использовать различные фильтры и различные методы экранирования, другим подходом является переключение технологии измерения. И RTD, и датчик инфракрасного излучения обладают хорошей устойчивостью к электромагнитным полям, хотя RTD часто бывают слишком хрупкими для промышленных сред. Инфракрасные датчики / передатчики обеспечивают бесконтактное измерение с различными вариантами вывода и доступны в прочных защитных корпусах.