Явление электродвижущей силы. Практическое применение электромагнитной индукции
Мы уже знаем, что электрический ток, двигаясь по проводнику, создает вокруг него магнитное поле . На основе этого явления человек изобрел и широко применяет самые разнообразные электромагниты . Но возникает вопрос: если электрические заряды, двигаясь, вызывают возникновение магнитного поля, а не работает ли это и наоборот?
То есть, может ли магнитное поле явиться причиной возникновения электрического тока в проводнике? В 1831 году Майкл Фарадей установил, что в замкнутой проводящей электрической цепи при изменении магнитного поля возникает электрический ток . Такой ток назвали индукционным током, а явление возникновения тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля, пронизывающего этот контур, носит название электромагнитной индукции.
Явление электромагнитной индукции
Само название «электромагнитная» состоит из двух частей: «электро» и «магнитная». Электрические и магнитные явления неразрывно связаны друг с другом. И если электрические заряды, двигаясь, изменяют магнитное поле вокруг себя, то и магнитное поле, изменяясь, поневоле заставит перемещаться электрические заряды, образуя электрический ток.
При этом именно изменяющееся магнитного поля вызывает возникновение электрического тока. Постоянное магнитное поле не вызовет движение электрических зарядов, а соответственно, и индукционный ток не образуется. Более детальное рассмотрение явления электромагнитной индукции , вывод формул и закона электромагнитной индукции относится к курсу девятого класса.
Применение электромагнитной индукции
В данной же статье мы поговорим о применении электромагнитной индукции. На использовании законов электромагнитной индукции основано действие многих двигателей и генераторов тока. Принцип их работы понять довольно просто.
Изменение магнитного поля можно вызвать, например, перемещением магнита. Поэтому, если каким-либо сторонним воздействием передвигать магнит внутри замкнутой цепи, то в этой цепи возникнет ток. Так можно создать генератор тока.
Если же наоборот, пустить ток от стороннего источника по цепи, то находящийся внутри цепи магнит начнет двигаться под воздействием магнитного поля, образованного электрическим током. Таким образом можно собрать электродвигатель.
Описанными выше генераторами тока преобразовывают механическую энергию в электрическую на электростанциях. Механическая энергия это энергия угля, дизельного топлива, ветра, воды и так далее. Электричество поступает по проводам к потребителям и там обратным образом преобразовывается в механическую в электродвигателях.
Электродвигатели пылесосов, фенов, миксеров, кулеров, электромясорубок и прочих многочисленных приборов, используемых нами ежедневно, основаны на использовании электромагнитной индукции и магнитных сил. Об использовании в промышленности этих же явлений и говорить не приходится, понятно, что оно повсеместно.
Словом «индукция» в русском языке обозначает процессы возбуждения, наведения, создания чего-либо. В электротехнике этот термин применяется уже более двух столетий.
После знакомства с публикациями 1821 года, описывающими опыты датского ученого Эрстеда об отклонениях магнитной стрелки около проводника с электрическим током, Майкл Фарадей поставил перед собой задачу: преобразовать магнетизм в электричество
.
Через 10 лет исследований он сформулировал основной закон электромагнитной индукции, объяснив, что внутри любого замкнутого контура наводится электродвижущая сила. Ее величина определяется скоростью изменения магнитного потока, пронизывающего рассматриваемый контур, но взятую со знаком минус.
Передача электромагнитных волн на расстояние
Первая догадка, которая осенила мозг ученого, не увенчалась практическим успехом.
Он расположил рядом два замкнутых проводника. Около одного установил магнитную стрелку в качестве индикатора проходящего тока, а в другой провод подал импульс от мощного гальванического источника того времени: вольтова столба.
Исследователь предполагал, что при импульсе тока в первом контуре изменяющееся в нем магнитное поле наведет во втором проводнике ток, который отклонит магнитную стрелку. Но, результат оказался отрицательным — индикатор не сработал. Вернее, ему не хватило чувствительности.
Мозг ученого предвидел создание и передачу электромагнитных волн на расстояние, которые сейчас используются в радиовещании, телевидении, беспроводном управлении, Wi-Fi технологиях и подобных устройствах. Его просто подвела несовершенная элементная база измерительных устройств того времени.
Производство электроэнергии
После проведения неудачного опыта Michael Faraday видоизменил условия эксперимента.
Для опыта Фарадей использовал две катушки с замкнутыми контурами. В первый контур он подавал электрический ток от источника, а во втором наблюдал за появлением ЭДС. Проходящий по виткам обмотки №1 ток создавал вокруг катушки магнитный поток, пронизывающий обмотку №2 и образовывающий в ней электродвижущую силу.
Во время эксперимента Фарадей:
- включал импульсом подачу напряжения в цепь при неподвижных катушках;
- при поданном токе вводил в нижнюю катушку верхнюю;
- закреплял стационарно обмотку №1 и вводил в нее обмотку №2;
- изменял скорость перемещения катушек относительно друг друга.
Во всех этих случаях он наблюдал проявление ЭДС индукции во второй катушке. И лишь при прохождении постоянного тока по обмотке №1 и неподвижных катушках наведения электродвижущей силы не было.
Ученый определил, что наводимая во второй катушке ЭДС зависит от скорости, с которой меняется магнитный поток. Она пропорциональна его величине.
Эта же закономерность полностью проявляется при прохождении замкнутого витка сквозь Под действием ЭДС в проводе образуется электрический ток.
Магнитный поток в рассматриваемом случае изменяется в контуре Sк, созданном замкнутой цепью.
Таким способом созданная Фарадеем разработка позволила поместить в магнитное поле вращающуюся токопроводящую рамку.
Ее затем сделали из большого количества витков, закрепили в подшипниках вращения. По концам обмотки вмонтировали токосъемные кольца и щетки, скользящие по ним, а через выводы на корпусе подключили нагрузку. Получился современный генератор переменного тока.
Его более простая конструкция создалась тогда, когда обмотку закрепили на стационарном корпусе, а вращать стали магнитную систему. В этом случае способ образования токов за счет никак не нарушался.
Принцип работы электродвигателей
Закон электромагнитной индукции, который обсновал Michael Faraday, позволил создать различные конструкции электрических двигателей. Они имеют сходное устройство с генераторами: подвижный ротор и статор, которые взаимодействуют между собой за счет вращающихся электромагнитных полей.
Трансформация электроэнергии
Майкл Фарадей определил возникновение наведенной электродвижущей силы и индукционного тока в рядом расположенной обмотке при изменении магнитного поля в соседней катушке.
Ток внутри близлежащей обмотки наводится при коммутациях цепи выключателя в катушке 1 и всегда присутствует во время работы генератора на обмотку 3
В чем сущность явления электромагнитной индукции
Еще около двухсот лет назад Ганс Христиан Эрстед заметил, что протекающий в цепи ток вызывает отклонение магнитной стрелки, лежащей неподалеку. Отсюда и пошло развитие идеи о том, что электричество и магнетизм взаимосвязаны. Особенно сильно эта мысль заняла М. Фарадея, который и положил начало опытам, приведшим к открытию закона электромагнитной индукции. В одном из своих опытов он обнаружил, что при выдвигании полосового магнита из катушки, подключенной к гальванометру, в катушке наводится некоторая электродвижущая сила. В чем же тут секрет?
Начнем с того, что любой магнит порождает вокруг себя магнитное поле. Если это полосовой магнит, как в опыте Фарадея, то важно заметить, что поле вблизи магнита отличается от того, что вдали от него. Если вы подносите магнит к катушке, то магнитное поле пронизывает ее. Причем в зависимости от того, как глубоко вы задвинули магнит в катушку, катушку будет пронзать разное магнитное поле.
Но каким же образом возникает Э.Д.С.? Возникновение напряжения в катушке обусловлено перемещением зарядов (электронов) в какую-либо одну сторону, то есть возникают полярно противоположные концы с избытком зарядов одного знака. Значит, переменное магнитное поле фактически перемещает заряды.
Изначально предполагалось, что магнитное и электрическое поле взаимосвязаны таким образом, что переменное магнитное поле оказывается способным перемещать электрические заряды, а переменное электрическое – так называемые магнитные. Однако на самом деле это оказалось не совсем так.
Дело в том, что переменное магнитное поле порождает вокруг себя переменное электрическое поле и наоборот. И именно это электрическое поле и перемещает заряды в катушке Фарадея. Этот факт о такой взаимосвязи полей отражен в уравнениях Джеймса Клерка Максвелла. А само явление электромагнитной индукции, проявляющееся в появлении Э.Д.С. в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него – это частный случай, вытекающий из этих уравнений.
Не стоит также забывать о том, что электромагнитная индукция предполагает изменение магнитного потока не только посредством изменения магнитного поля. Другой способ изменить поток – это менять площадь контура. В этом случае напряжение также появляется, то есть заряды также перемещаются по той причине, что само изменение площади означает перемещение контура, что фактически подразумевает собой макроскопическое перемещение зарядов внутри него. Движущиеся таким образом электрические заряды становятся магнитными, что и обуславливает их взаимодействие с внешним магнитным полем.
в чем заключается явление электромагнитной индукции?
Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в проводящем контуре.
Полягає воно в тому, що при будь-якій зміні магнітного потоку, що пронизує контур замкненого провідника (наприклад: якщо переміщати полярний магніт всередині мідної рамки) , в цьому провіднику виникає електричний струм, який існує протягом всього процесу зміни магнітного потоку. Сам магнітний потік — це зміна числа ліній магнітної індукції, що проходять через площину, обмежену проводять контуром (рамкою). На основі явища електромагнітної індукції були створені потужні генератори електричної енергії, трансформатори, синхрофазотрони, витратоміри (лічильники), а також радіомовлення та магнітотерапія.
Использование явления электромагнитной индукции в технике — МегаЛекции
Физическая суть явления электромагнитной индукции
Величина индуцированной ЭДС
Потокосцепления
Использование явления электромагнитной индукции в технике
Явление самоиндукции
Энергия магнитного поля
Вихревые токи
Литература
Данилов Н.А., Иванов Н.М., «Общая электротехника с основами электроники», М .: 2005.
Гаврилов В.А. «Общая электротехника с основами электроники», М .: 1980
Физическая суть явления электромагнитной индукции
Явлением елекипромагнитнои индукции называется виникнення ЭДС в проводнике при пересечении проводником магнитних силовых линий или при изменении величины магнитного потока, пронизывающего контур.
Изменение величины магнитного потока внутри катушки вызывает наведення ЭДС.
Для определения направления ЭДС, индуцированной в контуре или в катушке, что возникает при изменении магнитного потока в них используется правило Ленца:
Индуцированная ЕPC всегда направлена так, что своим смрумом и магнитным потоком противодействует причине, что ее вызвало
Например, если постоянный магнит вносится в катушку то в ней возникает индукционный ток такого направления, противодействует движения магнита к катушке, то есть сверху катушки возникает одноименный полюс, отталкивает магнит Если магнит, который находился внутри катушки, отдаляется от нее, то направление индукционного тока будет таким, еще сверху катушки возникает противолежащий полюс, который притягивает магнит к катушке, то есть препятствует его удалению, что, в свою очередь, и было причиной возникающую тока
Величина индуцированной ЭДС
Величина индуцированной ЭДС при перемещении проводника в магнитном поле определяется по формуле
е=Blv sinα,
где е — индуцированная ЭДС, В; v- скорость движения проводника, м / с; l — длина проводника, м; α — угол между направлением вектора магнитной индукции и направлением движения проводника, градус.
При перемещении проводника под углом 90 ° к направлению магнитной индукции поля индуцированная ЭДС имеет максимальную величину, sin 90 ° = 1 при других углах движения величина ЭДС меньшая. Это объясняется тем, что при перемещении под углом 90 ○ проводник за единицу времени пересекает самую килькисть магнитных силовых линий.
Когда индуцированная ЭДС возникает в контуре или внутри катушки с счет магнитного потока, меняется, то величина ЭДС зависит от скорости изменения магнитного потоку и определяется по формуле
где e — индуцированная ЭДС, В; dФ = Ф1-Ф2 — прирост магнитного потока, Вб; dt = t1-t2 прирост времени: dФ / dt — скорость изменения магнитного потока, убьет / с.
Знак «минус» отображает физическую суть правила Ленца, то есть противодействие индуцированной ЭДС причине, что ее вызвало. Вообще электромагнитная индукция — это явление перетворення механической энергии в электрическую.
Потокосцепления
Если через катушку проходит ток, то образуется магнитный поток Ф, сцепленный с витками катушки N. Если все магнитные линии сцеплении со всеми витками катушки (см. Рис.), То потокосцепления выражается формулой
Ψ = NФ,
где Ψ — потокосцепления, Вб.
Если магнитный поток меняется, то изменение потокосцепления определяется так:
Ψ = NdФ,
Тогда индуцированной ЭДС можно выразить через потокосцепления
Закон электромагнитной индукции выражается так: электродвижущая сила, индуцируется в замкнутом контуре при изменении сцепленного с ним магнитного потока, равна скорости изменения потокосцепления.
Использование явления электромагнитной индукции в технике
Явление электромагнитной индукции широко применяется в технике, например на электростанциях в генераторах большой мощности, которые превращают механическую энергию и электрическую. Это явление применяют также в устройствах, работающих с достаточно малыми мощностями (звукознимачi электропроигрывателей, которые обеспечивают воспроизведение грампластинок; магнитофоны; электродинамические микрофоны) Мощности развивающихся в этих устройствах, измеряются долями микроватт.
Явление самоиндукции
Если с помощью потенциометра изменять напряжение, подаваемое на тороидальных катушку, то при изменении величины тока в обмотке катушки меняется магнитный поток, и поэтому в катушке индукуватиметься ЭДС, называется ЭДС самоиндукции.
Саяомдукциею называется явление возникновения в проводнике или в катушке ЭДС, которая образуется в результате изменения собственного тока и созданного им магнитного потока.
Явление самоиндукции — это частный случай электромагнитной индукции, оно наблюдается во всех электрических колах, где меняется величина тока. В цепях переменного тока ЭДС самоиндукции возникает непрерывно, а в цепях постоянного тока — только в трех случаях, а именно:
при замыкании цепи, поскольку ток в цепи возрастает от нуля до некоторой величины, определяется по закону Ома;
при размыкании цепи, поскольку ток уменьшается от существующей величины до нуля;
при изменении величины тока с помощью реостата или потенциометра.
Направление ЭДС самоиндукции определяется по правилу Ленца, то есть при увеличении величины тока в цепи возникает ЭДС самоиндукции, противоположная по направлению к току, так, что противодействует его росту, который является причиной возникновения ЭДС.
Если ток в цепи уменьшается, то ЭДС самоиндукции имеет тот же направление, что и ток, уменьшается, то есть препятствует его уменьшению. Таким образом, ЭДС противодействует уменьшению тока, поддерживая его.
коэффициент самоиндукции и индуктивность обозначается буквой Д и Единицей индуктивности является генри (Гн).
Формула ЭДС самоиндукции часто спрашивают так:
Отсюда величина ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения тока и индуктивности катушки.
Рассмотрим физическую суть индуктивности L, определяется формулой
Из формулы L = фn / I следует, что индуктивностью катушки называется величина, характеризующая способность данного катушки создавать определенную величину магнитного потоку при токе в катушке 1 А.
Итак, чем больше индуктивность катушки, тем больше величина магнитного потока, созданного током, и тем больше ЭДС самоиндукции при данной скорости изменения тока.
Если в формуле L = фn / I взять единицы величин N, Ф, И, может L = 1 генри. Отсюда единица индуктивности один генри — это индуктивность такого контура, с которым сцеплен магнитний поток один вебер при токе в контуре в один ампер.
Индуктивность катушки равна одному генри, если в ней при изменении тока со скоростью один ампер за одну секунду индуцируется ЭДС самоиндукции в один вольт.
В электронных схемах часто используют катушки с индуктивностью, значительно меньше одного генри, а именно, моли и микрогенри 1 Гн = 103 мГн; 1 Гн = 106 мкГн. В формуле Ldi / dt можно заменить Ldi на dΨ. Тогда ЭДС самоиндукции определится так, как и для электромагнитной индукции:
На практике иногда необходимы безиндукцийни катушки, в которых L = 0 и при изменении тока в которых не возникает ЭДС самоиндукции. Чтобы получить такие катушки, их обмотки выполняют бифилярной, то есть когда в соседних витках катушки ток имеет противоположные направления и магнитные потоки созданные этими витками, имеют противоположные направления. Тогда общий магнитный поток катушки равен нулю. Следовательно, при изменении тока в витках катушки ЭДС самоиндукции не возникает.
Чтобы получить катушки с переменной индуктивностью, в таких котущках индуктивность меняют следующими способами:
1) меняют магнитную проницаемость посредством внесения в катушку или вынесением из нее различных сердечников
2) изменяют количество витков катушки с помощью переключателя.
3) применяют устройство, называемое вариометром.
Энергия магнитного поля
Если через проводник или катушку проходит ток, то часть электроэнергии расходуется на преодоление сопротивления проводника и превращается в тепло, а часть образует магнитное поле, в котором накапливается некоторая часть энергии превращается в потенциальну энергию.
При размыкании цепи ток уменьшается до нуля в течение очень малого промежутка времени, а также уменьшается до нуля и магнитное поле. При этом в проводнике или катушке индуцируется ЭДС самоиндукция за счет накопленной в магнитном поле энергии.
Итак, энергия магнитного поля
Пример
В магнитном поле катушки с индуктивностью L = 0,5 Гн накапливается энергия WL = 6,25 Дж. Найти силу тока в котутци.
Решение. Из формулы WL = LI2 / 2 найдем величину тока:
Взаимоиндукция
Пусть имеем две катушки, расположенные рядом. Через первую катушку проходит ток, созданный источником ЭДС. Часть магнитных силовых линий этой катушки перетинае витки обеих катушек. Обозначим эту часть магнитного потока через Ф12. Если с помощью реостата начать изменять величину тока в цепи первой катушки, то такое изменение магнитного потока обусловливает индуцированной ЭДС, как в первой, так и во второй катушках.
ЭДС, возникающая в витках второй катушки от изменения магнитного потока первой катушки, называется ЭДС взаимоиндукции.
Явление возникновения индуцированной ЭДС в проводниках, расположенных вблизи других проводников, по которым проходит переменный во времени электрический ток, называется взаимоиндукции.
ЭДС взаимоиндукции образовываться также при замыкании и размыкании цепи первой катушки том, что при этом тоже происходит изменение тока и его магнитного потока от нуля до постоянной величины и от постоянной величины до нуля.
ЭДС самоиндукции во второй катушке определяется формулой
Изменение потокосцепления dΨ2 происходит за счет изменения тока di1, следовательно,
Тогда
Согласно этой формуле, величина ЭДС самоиндукции зависит от постоянных величин катушек и сердечника
N1N2 μa S/l
Обозначим это выражение буквой М:
Тогда
Коэффициент пропорциональности М называют взаимной индуктивности.
Итак, взаимной индуктивности и зиваеться величина, характеризующая степень передачи энергии от одной электрической цепи в другого.0диницею взаемоиндуктивности является генри.
Если круг второй обмотки включено на потребителя енергии, то ЭДС взаимной индукции eM2 создает в нем ток i2 магнитный поток Ф2, которые при
Таким образом, напряжение источника U1 частично падает на сопротивлении катушки R1, а частично идет на преодоление противодействия ЭДС самоиндукции eL1 и ЭДС взаемоиндукции EM1.
Связь между взаимной индуктивности M и индуктивностями катушек:
M2 = L1L2.
Отсюда
Это равенство выполняется при отсутствии магнитного рассеяния, то есть когда все магнитный поток, образованный током первой обмотки, проходит внутри второй обмотки, например, весь магнитный поток замыкается по ферромагнитного сердечника, вследствие его малого сопротивления магнитному потоку. При наличии магнитного рассеяния часть магнитного потока не проходит внутри второй катушки и ЭДС взаимоиндукции меньше, тогда это равенство надо брать с коэффициентом K
Коэффициент связи характеризует степень индуктивной связи двух контуров. Рассматривают три степени связи: очень слабый связь, K = 0,001 … 0,01; слабый связь, К = 0,01 … 0,1; сильная связь, К = 0,1 … 0,9.
При отсутствии индуктивной связи между катушками общая индуктивность цепи
L = L1+L2,
Для согласованного соединения катушек можно доказать, что при отсутствии индуктивной связи общая индуктивность
При наличии индуктивной связи при согласованном соединении катушек а при встречном соединении
Как видим, индуктивность взаимосвязанных катушек зависит от
коэффициента связи. На этом принципе построены приборы, предназначенные для постепенного изменения индуктивности, которые называются вариометрами. Вариометр имеет две последовательно соединенные катушки, одна из которых неподвижна, а другая — подвижная, малого размера и может вращаться внутри первой. При вращении подвижной катушки меняется взаимное положение катушек, поэтому меняется и коэффициент связи.
Когда магнитные потоки катушек имеют одинаковое направление, то индуктивность вариометра максимальная
Lmax = L1+L2+2M,
когда магнитные потоки имеют противоположные направления, то индуктивнисть вариометра наименьшая
Lmin = L1+L2-2M
Явление взаимоиндукции широко применяется в технике, на нем основана работа трансформаторов; индукционных катушек в системе зажигания автомашин и передачи энергии от одного индуктивно связанного контура ко второму, и тому подобное. Иногда взаимоиндукция бывает вредной. Например, образуются препятствия в линиях связи от внешних магнитных полей, мощных радиостанций, линий электропередач и т. Д. Магнитные поля индуцируют токи в линиях связи, которые мешают передачи сигналов связи.
Вихревые токи
Рекомендуемые страницы:
Воспользуйтесь поиском по сайту: