электромагнитная индукция — это… Что такое электромагнитная индукция?
возникновение электродвижущей силы (эдс индукции) в замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции через площадь, ограниченную этим контуром; электрический ток, вызванный этой эдс, называется индукционным током.
ЭЛЕКТРОМАГНИ́ТНАЯ ИНДУ́КЦИЯ, возникновение электродвижущей силы (ЭДС индукции) в проводящем контуре, находящемся в переменном магнитном поле или движущемся в постоянном магнитном поле. Электрический ток (см. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК), вызванный этой ЭДС, называется индукционным током.Явление электромагнитной индукции было экспериментально обнаружено М. Фарадеем (см. ФАРАДЕЙ Майкл) в 1831 г. Он обнаружил, что в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля возникает электрический ток. Появление электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного поля, пронизывающего контур, свидетельствует о действии в контуре сторонних сил неэлектростатической природы, то есть о возникновении ЭДС индукции, величина которой зависит от величины магнитного потока (
?i = -k.dФ/dt, где:
Ф — изменение магнитного потока через контур за время dt; коэффициент пропорциональности k в системе СИ равен k = 1, а в системе СГС (Гаусса) k = 1/c, c — скорость света в вакууме. Знак минус определяет направление индукционного тока: индукционный ток имеет такое направление, что создаваемый им поток магнитной индукции через площадь, ограниченную контуром, стремится препятствовать тому изменению потока Ф, которое вызывает появление индукционного тока: при увеличении потока поле индукционного тока направлено навстречу потоку, при уменьшении потока направление потока и поля индукционного тока совпадают. Знак минус в законе Фарадея — математическое выражение правила Ленца (
То есть ЭДС электромагнитной индукции в контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения электромагнитного потока сквозь поверхность, ограниченную этим контуром. Этот закон является универсальным, ЭДС электромагнитной индукции не зависит от способа изменения магнитного потока, и возникновение ЭДС индукции может быть обусловлено сторонними силами разной физической природы.
Изменение магнитного потока может быть вызвано, например, движением магнита, создающего поле. Этот принцип реализуется в промышленных генераторах, где вращающийся электромагнит возбуждает ток в обмотках неподвижного статора.
При движении проводника в неизменном магнитном поле вихревое электрическое поле отсутствует, но сторонние силы возникают за счет силы Лоренца, с которой магнитное поле действует на движущиеся вместе с проводником электрические заряды. При равномерном вращении рамки в однородном магнитном поле в ней возникает переменная ЭДС, изменяющаяся по гармоническому закону. На этом принципе основано действие электрических генераторов небольшой мощности, когда индукционный ток возникает в обмотке ротора, вращающегося в неподвижном магнитном поле. Такие генераторы применяют для преобразования механической энергии в энергию электрического тока.
Электродвижущая сила индукции
Физика > Движение ЭДС
Рассмотрите возникновение электродвижущей силы в подвижном магнитном поле при законе электромагнитной индукции Фарадея: магнитный поток, формула и уравнения.
Движение в магнитном поле, выступающее стационарным по отношению к Земле, индуцирует ЭДС.
Задача обучения
- Выяснить, какой процесс индуцирует ЭДС.
Основные пункты
- Закон индукции Фарадея можно использовать для выведения движущей ЭДС, если перемены в магнитном поле возникли из-за перемещающегося элемента.
- Подвижное магнитное поле формирует электрическое и выступает причиной, почему электрические и магнитные силы воспринимаются как разные проявления одной силы.
- Любая перемена в магнитном потоке индуцирует ЭДС, вступающей в сопротивление изменению. Этот процесс именуют индукцией.
Термины
- Электродвижущая сила (ЭДС) – созданное батареей или магнитной силой напряжение.
- Магнитный поток – мера силы магнитного поля в конкретной области.
- Индукционный – генерация электрического тока изменяющимся магнитным полем.
Любая перемена в магнитном поле индуцирует ЭДС, сопротивляющуюся изменениям. Этот процесс именуют индукцией. К примеру, если к катушке движется магнит, то он индуцирует ЭДС, а перемещающаяся к магниту катушка создает точно такую же ЭДС.
Движение ЭДС
Давайте рассмотрим конкретный пример. У нас есть стержень, который движется на скорости v вдоль пары проводящих рельсов, отдаленных на дистанцию ℓ в однородном магнитном поле. Относительно поля рельсы остаются неподвижными и объединены стабильным резистором. Детальнее рассмотрим площадь, заключенную перемещающимся стержнем, рельсами и резистором. Поле перпендикулярно этому участку, а площадь возрастет из-за движения стержня. В итоге, вырастет и магнитный поток, а значит индуцируется ЭДС.
(а) – Движение ЭДС = Bℓv и индуцируется между рельсами, когда стержень отходит вправо в условиях однородного магнитного поля. Само поле выступает перпендикулярным к перемещающемуся стержню и рельсам. (b) – Закон Ленца указывает направленность индуцированного поля, тока и полярности индуцированной ЭДС. С помощью правила правой руки можно определить текущее направление
Чтобы определить величину индуцированной ЭДС, необходимо задействовать закон индукции Фарадея:
Здесь N = 1, а поток Φ = BAcosθ. У нас есть θ = 0° и cosθ = 1, так как B перпендикулярно A. Теперь Δ = Δ(BA) = BΔA, потому что B равномерно. Отметьте, что создаваемая стержнем площадь: ΔA = ℓx. Введем полученные величины в ЭДС:
Закон Ленца используют, чтобы определить направленность индуцированного поля, тока и полярность индуцированной ЭДС. Поток увеличивается вместе с площадью, поэтому индуцированное поле должно вступить в противостояние с существующим.
Электрическое и магнитное поля
Электрическая и магнитная силы обладают прочной связью. Именно перемещающееся магнитное поле формирует электрическое, что также стало причиной, почему их рассматривают как разные проявления одной силы. Это послужило тому, что ученые стали объединять другие главные силы.
Электромагнитная индукция — это… Что такое Электромагнитная индукция?
Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него.
Электромагнитная индукция была открыта Майклом Фарадеем 29 августа[источник не указан 100 дней] 1831 года. Он обнаружил, что электродвижущая сила, возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Величина электродвижущей силы (ЭДС) не зависит от того, что является причиной изменения потока — изменение самого магнитного поля или движение контура (или его части) в магнитном поле. Электрический ток, вызванный этой ЭДС, называется индукционным током.
Закон Фарадея
Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея (в СИ):
где
- — электродвижущая сила, действующая вдоль произвольно выбранного контура,
- — магнитный поток через поверхность, натянутую на этот контур.
Знак «минус» в формуле отражает правило Ленца, названное так по имени русского физика Э. Х. Ленца:
- Индукционный ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре, имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток.
Для катушки, находящейся в переменном магнитном поле, закон Фарадея можно записать следующим образом:
где
- — электродвижущая сила,
- — число витков,
- — магнитный поток через один виток,
- — потокосцепление катушки.
Векторная форма
В дифференциальной форме закон Фарадея можно записать в следующем виде:
- (в системе СИ)
или
- (в системе СГС).
В интегральной форме (эквивалентной):
- (СИ)
или
- (СГС)
Здесь — напряжённость электрического поля, — магнитная индукция, — произвольная поверхность, — её граница. Контур интегрирования подразумевается фиксированным (неподвижным).
Следует отметить, что закон Фарадея в такой форме, очевидно, описывает лишь ту часть ЭДС, что возникает при изменении магнитного потока через контур за счёт изменения со временем самого поля без изменения (движения) границ контура (об учете последнего см. ниже).
- В этом виде закон Фарадея входит в систему уравнений Максвелла для электромагнитного поля (в дифференциальной или интегральной форме соответственно)[1].
Если же, скажем, магнитное поле постоянно, а магнитный поток изменяется вследствие движения границ контура (например, при увеличении его площади), то возникающая ЭДС порождается силами, удерживающими заряды на контуре (в проводнике) и силой Лоренца, порождаемой прямым действием магнитного поля на движущиеся (с контуром) заряды. При этом равенство продолжает соблюдаться, но ЭДС в левой части теперь не сводится к (которое в данном частном примере вообще равно нулю). В общем случае (когда и магнитное поле меняется со временем, и контур движется или меняет форму) последняя формула верна так же, но ЭДС в левой части в таком случае есть сумма обоих слагаемых, упомянутых выше (то есть порождается частично вихревым электрическим полем, а частично силой Лоренца и силой реакции движущегося проводника).
- Некоторые авторы, например, М. Лившиц в журнале «Квант» за 1998 год[2] отрицают корректность применения термина закон Фарадея или закон электромагнитной индукции и т. п. к формуле в случае подвижного контура (оставляя для обозначения этого случая или его объединения со случаем изменения магнитного поля, например, термин правило потока)[3]. В таком понимании закон Фарадея — это закон, касающийся лишь циркуляции электрического поля (но не ЭДС, создаваемой с участием силы Лоренца), и в этом понимании понятие закон Фарадея в точности совпадает с содержанием соответствующего уравнения Максвелла.
- Однако возможность (пусть с некоторыми оговорками, уточняющими область применимости) совпадающей формулировки «правила потока» с законом электромагнитной индукции нельзя назвать чисто случайной. Дело в том, что, по крайней мере для определенных ситуаций, это совпадение оказывается очевидным проявлением принципа относительности. А именно, например, для случая относительного движения катушки с присоединенным к ней вольтметром, измеряющим ЭДС, и источника магнитного поля (постоянного магнита или другой катушки с током), в системе отсчета, связанной с первой катушкой, ЭДС оказывается равной именно циркуляции электрического поля, тогда как в системе отсчета, связанной с источником магнитного поля (магнитом), происхождение ЭДС связано с действием силы Лоренца на движущиеся с первой катушкой носители заряда. Однако та и другая ЭДС обязаны совпадать, поскольку вольтметр показывает одну и ту же величину, независимо от того, для какой системы отсчета мы ее рассчитали.
Потенциальная форма
При выражении магнитного поля через векторный потенциал закон Фарадея принимает вид:
- (в случае отсутствия безвихревого поля, то есть тогда, когда электрическое поле порождается полностью только изменением магнитного, то есть электромагнитной индукцией).
В общем случае, при учёте и безвихревого (например, электростатического) поля имеем:
История
В 1820 г. Ганс Христиан Эрстед показал, что протекающий по цепи электрический ток вызывает отклонение магнитной стрелки. Если электрический ток порождает магнетизм, то с магнетизмом должно быть связано появление электрического тока. Эта мысль захватила английского ученого М. Фарадея. «Превратить магнетизм в электричество», — записал он в 1822 г. в своём дневнике. Многие годы настойчиво ставил он различные опыты, но безуспешно, и только 29 августа 1831 г. наступил триумф: он открыл явление электромагнитной индукции. Установка, на которой Фарадей сделал своё открытие, заключалась в том, что Фарадей изготовил кольцо из мягкого железа примерно 2 см шириной и 15 см диаметром и намотал много витков медной проволоки на каждой половине кольца. Цепь одной обмотки замыкала проволока, в её витках находилась магнитная стрелка, удаленная настолько, чтобы не сказывалось действие магнетизма, созданного в кольце. Через вторую обмотку пропускался ток от батареи гальванических элементов. При включении тока магнитная стрелка совершала несколько колебаний и успокаивалась; когда ток прерывали, стрелка снова колебалась. Выяснилось, что стрелка отклонялась в одну сторону при включении тока и в другую, когда ток прерывался. М. Фарадей установил, что «превращать магнетизм в электричество» можно и с помощью обыкновенного магнита.
В это же время американский физик Джозеф Генри также успешно проводил опыты по индукции токов, но пока он собирался опубликовать результаты своих опытов, в печати появилось сообщение М. Фарадея об открытии им электромагнитной индукции.
М. Фарадей стремился использовать открытое им явление, чтобы получить новый источник электричества.
См. также
Примечания
- ↑ Это уравнение Максвелла может быть переписано в эквивалентном виде
- ↑ М. Лившиц Закон электромагнитной индукции или «правило потока»? // Квант. — 1998. — № 3. — С. 37—38.
- ↑ Такой отказ объясняется тем, что, в отличие от закона для циркуляции электрического поля, выполняющегося всегда, «правило» корректно работает лишь для случаев, когда контур, в котором вычисляется ЭДС, совпадает физически с проводником (то есть совпадает их движение; в противном же случае правило может не работать (самый известный пример — униполярная машина Фарадея; контур, который в этом случае трудно определить, но кажется довольно очевидным, что он не меняется; во всяком случае, довольно затруднительно указать разумное определение для контура, который бы в этом случае менялся), то есть проявляется парадокс, что для «закона природы» недопустимо.
Ссылки
ЭДС индукции — это… Что такое ЭДС индукции?
ИНДУКЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ КОЭФФИЦИЕНТЫ — параметры, характеризующие эл. магн. взаимодействие в системе замкнутых неразветвлённых электрич. цепей, в к рых протекают квазистационарные токи [см. Квазистационарное (квазистатическое) приближение].На рис. изображено неск. проводящих контуров… … Физическая энциклопедия
ЭДС самоиндукции — Самоиндукция явление возникновения ЭДС индукции в проводящем контуре при изменении протекающего через контур тока. При изменении тока в контуре меняется поток магнитной индукции через поверхность, ограниченную этим контуром, изменение потока… … Википедия
ЗАКОН ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ — закон, открытый в 1831 г. М. Фарадеем. Согласно этому закону устанавливается зависимость ЭДС (см.) Е от скорости изменения магнитного потока Ф через поверхность S, и записывают следующим образом: Закон лежит в основе электротехники (генераторов… … Большая политехническая энциклопедия
Закон электромагнитной индукции Фарадея — Классическая электродинамика … Википедия
Закон индукции Фарадея — Классическая электродинамика Магнитное поле соленоида Электричество · Магнетизм Электростатика Закон Кулона … Википедия
Закон магнитоэлектрической индукции — Классическая электродинамика Магнитное поле соленоида Электричество · Магнетизм Электростатика Закон Кулона … Википедия
ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА — (эдс), физ вели чина, характеризующая источник энергии неэлектростатич. природы в электрич. цепи, необходимый для поддержания в ней электрич. тока. Эдс численно равна работе по перемещению единичного положит. заряда вдоль замкнутой цепи. Полная… … Естествознание. Энциклопедический словарь
электромагнитная индукция — возникновение электродвижущей силы (эдс индукции) в замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции через площадь, ограниченную этим контуром; электрический ток, вызванный этой эдс, называется индукционным током. * * *… … Энциклопедический словарь
Трансформатор — У этого термина существуют и другие значения, см. Трансформатор (значения). Трансформатор силовой ОСМ 0,16 Однофазный сухой многоцелевого назначения мощностью 0.16 кВт … Википедия
Индукция электромагнитная — возникновение электродвижущей силы (эдс индукции) в проводящем контуре, находящемся в переменном магнитном поле или движущемся в постоянном магнитном поле. Электрический ток, вызванный этой эдс, называется индукционным током. И. э. была… … Большая советская энциклопедия
Самоиндукция — это явление возникновения ЭДС индукции в проводящем контуре [1]при изменении протекающего через контур тока. При изменении тока в контуре пропорционально меняется[2] и магнитный поток через поверхность, ограниченную этим контуром[3]. Изменение… … Википедия
ЭДС индукции — это… Что такое ЭДС индукции?
ИНДУКЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ КОЭФФИЦИЕНТЫ — параметры, характеризующие эл. магн. взаимодействие в системе замкнутых неразветвлённых электрич. цепей, в к рых протекают квазистационарные токи [см. Квазистационарное (квазистатическое) приближение].На рис. изображено неск. проводящих контуров… … Физическая энциклопедия
ЭДС самоиндукции — Самоиндукция явление возникновения ЭДС индукции в проводящем контуре при изменении протекающего через контур тока. При изменении тока в контуре меняется поток магнитной индукции через поверхность, ограниченную этим контуром, изменение потока… … Википедия
ЗАКОН ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ — закон, открытый в 1831 г. М. Фарадеем. Согласно этому закону устанавливается зависимость ЭДС (см.) Е от скорости изменения магнитного потока Ф через поверхность S, и записывают следующим образом: Закон лежит в основе электротехники (генераторов… … Большая политехническая энциклопедия
Закон электромагнитной индукции Фарадея — Классическая электродинамика … Википедия
Закон индукции Фарадея — Классическая электродинамика Магнитное поле соленоида Электричество · Магнетизм Электростатика Закон Кулона … Википедия
Закон магнитоэлектрической индукции — Классическая электродинамика Магнитное поле соленоида Электричество · Магнетизм Электростатика Закон Кулона … Википедия
ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА — (эдс), физ вели чина, характеризующая источник энергии неэлектростатич. природы в электрич. цепи, необходимый для поддержания в ней электрич. тока. Эдс численно равна работе по перемещению единичного положит. заряда вдоль замкнутой цепи. Полная… … Естествознание. Энциклопедический словарь
электромагнитная индукция — возникновение электродвижущей силы (эдс индукции) в замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции через площадь, ограниченную этим контуром; электрический ток, вызванный этой эдс, называется индукционным током. * * *… … Энциклопедический словарь
Трансформатор — У этого термина существуют и другие значения, см. Трансформатор (значения). Трансформатор силовой ОСМ 0,16 Однофазный сухой многоцелевого назначения мощностью 0.16 кВт … Википедия
Индукция электромагнитная — возникновение электродвижущей силы (эдс индукции) в проводящем контуре, находящемся в переменном магнитном поле или движущемся в постоянном магнитном поле. Электрический ток, вызванный этой эдс, называется индукционным током. И. э. была… … Большая советская энциклопедия
Самоиндукция — это явление возникновения ЭДС индукции в проводящем контуре [1]при изменении протекающего через контур тока. При изменении тока в контуре пропорционально меняется[2] и магнитный поток через поверхность, ограниченную этим контуром[3]. Изменение… … Википедия