Законът за електромагнитната индукция. Кой открива феномена на електромагнитната индукция

Феномен електромагнитна индукцияе открит от Майл Фарадей през 1831 г. Дори 10 години по-рано Фарадей мисли за начин да превърне магнетизма в електричество. Той вярвал, че магнитното поле и електрическо полетрябва да са свързани по някакъв начин.

Откриване на електромагнитната индукция

Например, използвайки електрическо полеМожете да магнетизирате железен предмет. Вероятно би трябвало да е възможно да се получи с помощта на магнит електричество.

Първо, Фарадей открива феномена на електромагнитната индукция в проводници, които са неподвижни един спрямо друг. Когато в една от тях се появи ток, ток се индуцира и в другата намотка. Освен това в бъдеще той изчезна и се появи отново само когато захранването на една намотка беше изключено.

След известно време Фарадей доказа в експерименти, че когато една намотка без ток се премести във верига спрямо друга, в краищата на която е приложено напрежение, електрически ток ще се появи и в първата намотка.

Следващият експеримент беше въвеждането на магнит в намотката, като в същото време в нея се появи и ток. Тези експерименти са показани на следващите фигури.

Фарадей формулира основната причина за появата на ток в затворена верига. В затворена проводяща верига ток възниква, когато броят на магнитните индукционни линии, които проникват в тази верига, се промени.

Колкото по-голяма е тази промяна, толкова по-силен ще бъде индукционният ток. Няма значение как постигаме промяна в броя на линиите на магнитна индукция. Например, това може да стане чрез преместване на контура в неравномерно магнитно поле, както се случи при експеримента с магнит или движението на намотка. И можем, например, да променим силата на тока в намотката, съседна на веригата, докато магнитното поле, създадено от тази намотка, ще се промени.

Формулировката на закона

Нека обобщим накратко. Феноменът на електромагнитната индукция е феноменът на възникване на ток в затворена верига, с промяна в магнитното поле, в което се намира тази верига.

За по-прецизна формулировка на закона за електромагнитната индукция е необходимо да се въведе стойност, която да характеризира магнитното поле - потокът на вектора на магнитната индукция.

магнитен поток

Векторът на магнитната индукция се обозначава с буквата B. Той ще характеризира магнитното поле във всяка точка от пространството. Сега разгледайте затворен контур, ограничаващ повърхността с площ S. Нека го поставим в еднородно магнитно поле.

Между вектора нормален към повърхността и вектора на магнитната индукция ще има ъгъл a. Магнитният поток F през повърхността S се нарича физическо количество, Равен на модула на вектора на магнитната индукция върху повърхността и косинуса на ъгъла между вектора на магнитната индукция и нормалата към контура.

F = B * S * cos (а).

Продукт B * cos (a) е вектор в проекцията върху нормалата n. Следователно, формата на магнитния поток може да бъде пренаписана, както следва:

Единицата за магнитен поток е weber. Е 1 Wb. Магнитният поток, създаден в 1Vb магнитно полес индукция на 1 Тесла през повърхността на 1 m ^ 2, която е перпендикулярна на вектора на магнитната индукция.

След откритията на Оерстед и Ампер, стана ясно, че електричеството е с магнитна сила. Сега беше необходимо да се потвърди ефектът от магнитни явленияна електрически. Този проблем беше блестящо решен от Фарадей.

Майкъл Фарадей (1791-1867) е роден в Лондон, в един от най-бедните му части. Баща му беше ковач, а майка му - дъщеря на фермер-арендатор. Когато Фарадей достига училищна възраст, той е изпратен в начално училище. Курс взето от Фарадей тук е много тясна и ограничена само до преподаване на четене, писане и принципи преброяване.

На няколко крачки от къщата, в която са живели семейство Фарадей, беше книжарница, първата в една и съща институция, и хартиената промишленост. Ето удара Фарадей, след като завърши курса основно училищеКогато възникна въпросът за избора на професия за него. Майкъл по това време са минали само 13 години. Дори в юношеството, когато Фарадей току-що е започнал своето самообразование, той се стреми да разчита изключително на факти и да проверява съобщенията от друга страна.

Тези стремежи са го доминирали за цял живот като основни негови черти научна дейностФизически и химически експериментиФарадей стана проделив момче при първото запознанство с физиката и химията. Един ден Майкъл посети една от лекциите на Хъмфри Дейви, великия британски физик.

Фарадей направи подробен запис на лекцията, изкриви я и изпрати Дейви. Той беше толкова впечатлен, че предложи да работи с него на Фарадей като секретар. Скоро Дейви отиде на пътуване до Европа и взе Фарадей. В продължение на две години те посетиха големите европейски университети.

Връщайки се в Лондон през 1815 г., Фарадей започва работа като асистент в една от лабораториите на Кралския институт в Лондон. По това време тя е една от най-добрите физически лаборатории в света.От 1816 до 1818 г. Фарадей публикува редица малки бележки и малки мемоари по химия. Първата работа на Фарадей по физика датира от 1818 г.

Въз основа на опита на техните предшественици и комбиниране на няколко собствени преживявания, до септември 1821 г. Майкъл е отпечатал "Историята на успеха на електромагнетизма". Още по това време той създаде напълно правилна концепция за същността на явлението отклонение на магнитна игла под действието на ток.

След като постигна този успех, Фарадей напусна обучението си в областта на електричеството в продължение на десет години, като се посвети на изучаването на редица предмети от различен вид. През 1823 г. Фарадей прави едно от най-важните открития в областта на физиката – той за първи път постига втечняването на газ и същевременно установява прост, но валиден метод за превръщане на газовете в течност. През 1824 г. Фарадей прави няколко открития в областта на физиката.

Освен всичко друго, той установи факта, че светлината влияе на цвета на стъклото, променяйки го. AT следващата годинаФарадей отново преминава от физика към химия, а резултатът от работата му в тази област е откриването на бензин и сярна нафталинова киселина.

През 1831 г. Фарадей публикува трактат „Особен вид оптична илюзия“, който послужи като основа за красив и любопитен оптичен снаряд, наречен „хромотроп“. През същата година е публикуван друг трактат на учения „За вибриращи плочи“. Много от тези произведения биха могли сами да увековечат името на своя автор. Но най-важното от научни трудовеФарадей са неговите изследвания в областта на електромагнетизма и електрическата индукция.

Строго погледнато, важен клон на физиката, който третира явленията на електромагнетизма и индуктивното електричество и който в момента е от такова огромно значение за технологията, е създаден от Фарадей от нищо.

По времето, когато Фарадей окончателно се посвети на изследванията в областта на електричеството, беше установено, че с обикновени условияналичието на наелектризирано тяло е достатъчно, за да може неговото влияние да възбуди електричество във всяко друго тяло. В същото време се знаеше, че проводникът, през който преминава токът и който също е наелектризирано тяло, не оказва никакво влияние върху други проводници, поставени наблизо.

Какво причини това изключение? Това е въпросът, който интересува Фарадей и чието решение го доведе до него големи откритияв областта на индукционното електричество. Както обикновено, Фарадей започна поредица от експерименти, които трябваше да изяснят същността на въпроса.

Фарадей нави два изолирани проводника, успоредни един на друг на една и съща дървена точилка. Той свърза краищата на единия проводник към батерия от десет елемента, а краищата на другия - към чувствителен галванометър. Когато токът премина през първия проводник,

Фарадей насочи цялото си внимание към галванометъра, очаквайки да забележи от неговите трептения появата на ток и във втория проводник. Но нямаше нищо подобно: галванометърът остана спокоен. Фарадей решава да увеличи тока и въвежда 120 галванични клетки във веригата. Резултатът е същият. Фарадей повтори този експеримент десетки пъти, всички със същия успех.

Всеки друг на негово място би напуснал експериментите, убеден, че токът, преминаващ през проводника, няма ефект върху съседния проводник. Но Фарадей винаги се опитваше да извлече от своите експерименти и наблюдения всичко, което биха могли да дадат, и следователно, без да е получил пряк ефект върху проводника, свързан към галванометъра, той започна да търси странични ефекти.

Той веднага забеляза, че галванометърът, оставайки напълно спокоен по време на цялото преминаване на тока, започва да трепти при самото затваряне на веригата и при отварянето й. Вторият проводник също се възбужда от ток, който в първия случай е противоположен към първия ток и същото с него във втория случай и продължава само един миг.

Тези вторични моментни токове, породени от влиянието на първичните, Фарадей нарече индуктивни и това име се е запазило за тях и досега. Бидейки мигновени, мигновено изчезващи след появата си, индуктивните токове не биха имали практическо значение, ако Фарадей не беше намерил начин с помощта на гениално устройство (комутатор) постоянно да прекъсва и отново провежда първичния ток, идващ от батерията през първи проводник, поради което във втория проводник непрекъснато се възбужда от все повече и повече индуктивни токове, като по този начин става постоянен. Така се намери нов източник електрическа енергия, в допълнение към известните по-рано (триене и химични процеси), - индукция, и новият видот тази енергия е индукционно електричество.

Продължавайки експериментите си, Фарадей открива, че просто приближаване на проводник, усукан в затворена крива към друг, по който протича галваничен ток, е достатъчно, за да възбуди индуктивен ток в неутралния проводник в посока, противоположна на галваничния ток, че отстраняването на неутралния проводник отново възбужда индуктивен ток в него. Токът вече е в същата посока като галваничния ток, протичащ по фиксиран проводник, и че, накрая, тези индуктивни токове се възбуждат само по време на приближаването и отстраняването на проводник към проводника на галваничния ток и без това движение токовете не се възбуждат, независимо колко близо са проводниците един до друг.

Така беше открито ново явление, подобно на описаното по-горе явление на индукция при затваряне и прекратяване на галваничния ток. Тези открития от своя страна доведоха до нови. Ако е възможно да се произведе индуктивен ток чрез затваряне и спиране на галваничния ток, няма ли да се получи същият резултат от намагнитването и демагнетизирането на желязото?

Работата на Ерстед и Ампер вече е установила връзката между магнетизма и електричеството. Известно е, че желязото се превръща в магнит, когато около него се навива изолиран проводник и през него преминава галваничен ток и че магнитни свойстваот това желязо спира веднага щом токът спре.

Въз основа на това Фарадей измисли този вид експеримент: два изолирани проводника бяха навити около железен пръстен; освен това едната тел беше навита около едната половина на пръстена, а другата около другата. Ток от галванична батерия беше прекаран през един проводник, а краищата на другия бяха свързани към галванометър. И така, когато токът се затвори или спря и когато, следователно, железният пръстен беше намагнетизиран или демагнетизиран, иглата на галванометъра се осцилира бързо и след това бързо спря, тоест всички същите мигновени индуктивни токове бяха възбудени в неутралния проводник - това време: вече под влияние на магнетизма.

Така тук за първи път магнетизмът беше превърнат в електричество. След като получи тези резултати, Фарадей реши да разнообрази експериментите си. Вместо железен пръстен той започна да използва желязна лента. Вместо да възбужда магнетизма в желязото с галваничен ток, той магнетизира желязото, като го докосва до постоянен стоманен магнит. Резултатът беше същият: в телта, увита около желязото, винаги! токът се възбужда в момента на намагнитване и размагнитване на желязото.

Тогава Фарадей въведе стоманен магнит в спиралата на телта - приближаването и отстраняването на последния предизвика индукционни токове в жицата. С една дума, магнетизмът, в смисъл на възбуждане на индуктивни токове, действа точно по същия начин като галваничния ток.

По това време физиците бяха интензивно заети с един мистериозен феномен, открит през 1824 г. от Араго и не намериха обяснение, въпреки; че това обяснение е търсено интензивно от такива видни учени от онова време като самия Араго, Ампер, Поасон, Бабай и Хершел.

Въпросът беше следният. Магнитна игла, свободно висяща, бързо се спира, ако под нея се постави кръг от немагнитен метал; ако след това кръгът се приведе в ротационно движение, магнитната стрелка започва да го следва.

В спокойно състояние беше невъзможно да се открие и най-малкото привличане или отблъскване между кръга и стрелата, докато същият кръг, който беше в движение, дърпаше зад себе си не само лека стрела, но и тежък магнит. Това наистина чудотворно явление изглеждаше на учените от онова време като мистериозна гатанка, нещо отвъд естественото.

Фарадей, въз основа на горните си данни, направи предположението, че кръг от немагнитен метал, под въздействието на магнит, циркулира по време на въртене от индуктивни токове, които въздействат върху магнитната игла и я изтеглят зад магнита.

Всъщност, като въведе ръба на кръга между полюсите на голям магнит с форма на подкова и свърже центъра и ръба на кръга с галванометър с проводник, Фарадей получи постоянен електрически ток по време на въртенето на кръга.

След това Фарадей се спря на друго явление, което тогава предизвикваше всеобщо любопитство. Както знаете, ако железните стърготини се поръсят върху магнит, те се групират по определени линии, наречени магнитни криви. Фарадей, привличайки вниманието към това явление, през 1831 г. дава основите на магнитните криви, името „линии на магнитна сила“, което след това влиза в общата употреба.

Изследването на тези "линии" доведе Фарадей до ново откритие, оказало се, че за възбуждането на индуктивни токове не е необходимо приближаването и отстраняването на източника от магнитния полюс. За да се възбуждат токове, е достатъчно да се пресекат линиите на магнитна сила по известен начин.

По-нататъшните творби на Фарадей в споменатата посока придобиват от съвременна гледна точка характера на нещо напълно чудо. В началото на 1832 г. той демонстрира апарат, в който се възбуждат индуктивни токове без помощта на магнит или галваничен ток.

Устройството се състоеше от желязна лента, поставена в телена намотка. Това устройство, при обикновени условия, не даде ни най-малък знак за появата на течения в него; но веднага щом му бъде дадена посока, съответстваща на посоката на магнитната игла, в жицата се възбужда ток.

Тогава Фарадей даде позицията на магнитната игла на една намотка и след това въведе в нея желязна лента: токът отново се възбуди. Причината, която предизвиква тока в тези случаи, е земният магнетизъм, който причинява индуктивни токове като обикновен магнит или галваничен ток. За да покаже и докаже това по-ясно, Фарадей предприе друг експеримент, който напълно потвърди идеите му.

Той разсъждава, че ако кръг от немагнитен метал, например мед, въртящ се в положение, в което пресича линиите на магнитна сила на съседен магнит, дава индуктивен ток, тогава същият кръг, въртящ се при отсъствие на магнит, но в положение, в което кръгът ще пресече линиите на земния магнетизъм, също трябва да дава индуктивен ток.

И наистина, меден кръг, завъртян в хоризонтална равнина, даде индуктивен ток, който предизвика забележимо отклонение на иглата на галванометъра. Фарадей завършва серия от изследвания в областта на електрическата индукция с откритието, направено през 1835 г., на „индуктивния ефект на тока върху самия него“.

Той установи, че при затваряне или отваряне на галваничен ток се възбуждат моментни индуктивни токове в самия проводник, който служи като проводник за този ток.

Руският физик Емил Христофорович Ленц (1804-1861) дава правило за определяне на посоката индукционен ток. „Индукционният ток винаги е насочен по такъв начин, че магнитното поле, което създава, възпрепятства или забавя движението, което причинява индукция“, отбелязва A.A. Коробко-Стефанов в статията си за електромагнитната индукция. - Например, когато намотката се приближи до магнита, полученият индуктивен ток има такава посока, че създаденото от нея магнитно поле ще бъде противоположно на магнитното поле на магнита. В резултат на това между намотката и магнита възникват отблъскващи сили.

Правилото на Ленц следва от закона за запазване и преобразуване на енергията. Ако индукционните токове ускоряват движението, което ги причинява, тогава работата ще се създаде от нищото. Самата намотка след малко натискане би се втурнала към магнита, като в същото време индукционният ток би отделил топлина в него. В действителност индукционният ток се създава поради работата по сближаване на магнита и бобината.

Защо има индуциран ток? Дълбоко обяснение на феномена на електромагнитната индукция е дадено от английския физик Джеймс Клерк Максуел - създателят на завършеното математическа теорияелектромагнитно поле.

За да разберете по-добре същността на въпроса, помислете за един много прост експеримент. Нека бобината се състои от един завой на тел и да бъде пронизана от променливо магнитно поле, перпендикулярно на равнината на завоя. В бобината, разбира се, има индукционен ток. Максуел интерпретира този експеримент с изключителна смелост и неочакваност.

Когато магнитното поле се промени в пространството, според Максуел възниква процес, за който наличието на телена намотка е без значение. Основното тук е появата на затворени кръгови линии на електрическото поле, покриващи променящото се магнитно поле. Под действието на възникващото електрическо поле електроните започват да се движат и в намотката възниква електрически ток. Бобината е просто устройство, което ви позволява да откриете електрическо поле.

Същността на феномена на електромагнитната индукция е, че променливото магнитно поле винаги генерира електрическо поле със затворени силови линии в околното пространство. Такова поле се нарича вихрово поле.

Изследванията в областта на индукцията, произведена от земния магнетизъм, дават на Фарадей възможността да изрази идеята за телеграф още през 1832 г., който тогава е в основата на това изобретение. Като цяло откриването на електромагнитната индукция не без основание се приписва на най-много изключителни открития XIX век - работата на милиони електродвигатели и генератори на електрически ток по света се основава на този феномен ...

Източник на информация: Самин Д.К. „Сто велик научни открития"., М.: "Вече", 2002 г

Отговор:

Следващата важна стъпка в развитието на електродинамиката след експериментите на Ампер е откриването на феномена на електромагнитната индукция. Английският физик Майкъл Фарадей (1791 - 1867) открива феномена на електромагнитната индукция.

Фарадей, все още млад учен, като Ерстед, смяташе, че всички сили на природата са взаимосвързани и освен това, че са способни да се трансформират една в друга. Интересно е, че Фарадей изрази тази идея още преди установяването на закона за запазване и преобразуване на енергията. Фарадей знаеше за откритието на Ампер, че той, образно казано, превръща електричеството в магнетизъм. Размишлявайки върху това откритие, Фарадей стига до заключението, че ако „електричеството създава магнетизъм“, то обратното „магнетизмът трябва да създава електричество“. И още през 1823 г. той записва в дневника си: „Превърнете магнетизма в електричество“. В продължение на осем години Фарадей работи върху решаването на проблема. Дълго време той е преследван от неуспехи и накрая, през 1831 г. той го решава - открива феномена на електромагнитната индукция.

Първо, Фарадей открива феномена на електромагнитната индукция за случая, когато намотките са навити на един и същ барабан. Ако в една намотка се появи или изчезне електрически ток в резултат на свързване или изключване на галванична батерия към нея, тогава в другата намотка в този момент се появява краткотраен ток. Този ток се открива от галванометър, който е свързан към втората намотка.

Тогава Фарадей също установи наличието на индукционен ток в намотката при приближаване или отдалечаване на намотка от нея, в която протича електрически ток.

накрая, третият случай на електромагнитна индукция, който Фарадей открива, е, че в намотката се появява ток, когато се поставя или отстранява магнит от нея.

Откритието на Фарадей привлече вниманието на много физици, които също започнаха да изучават особеностите на феномена на електромагнитната индукция. Следващата задача беше да се установи общият закон на електромагнитната индукция. Трябваше да се установи как и от какво зависи силата на индукционния ток в проводника или от какво зависи стойността на електродвижещата сила на индукцията в проводника, в който се индуцира електрическият ток.

Тази задача се оказа трудна. Той беше напълно разрешен от Фарадей и Максуел по-късно в рамките на доктрината, която те разработиха за електромагнитното поле. Но се опитват да го решат и физици, които се придържат към теорията за далечни разстояния, разпространена за това време в учението за електрическите и магнитните явления.

Нещо, което тези учени успяха да направят. В същото време им помага и правилото, открито от петербургския академик Емил Христианович Ленц (1804 - 1865) за намиране посоката на индукционния ток в различни поводиелектромагнитна индукция. Ленц го формулира по следния начин: „Ако метален проводник се движи близо до галваничен ток или магнит, тогава в него се възбужда галваничен ток в такава посока, че ако този проводник беше неподвижен, токът би могъл да го накара да се движи в обратната посока. посока; приема се, че проводникът в покой може да се движи само в посока на движение или в обратна посока.

Това правило е много удобно за определяне на посоката на индуктивния ток. Ние го използваме дори сега, само че сега е формулирано малко по-различно, с погребването на концепцията за електромагнитна индукция, която Ленц не използва.

Но исторически, основното значение на правилото на Ленц беше, че то подтикна към идеята как да се подходи към намирането на закона за електромагнитната индукция. Факт е, че в правилото на атома се установява връзка между електромагнитната индукция и феномена на взаимодействието на токове. Въпросът за взаимодействието на токовете вече е решен от Ампер. Следователно установяването на тази връзка в началото даде възможност да се определи изразът за електродвижещата сила на индукцията в проводник за редица специални случаи.

AT общ изгледЗаконът за електромагнитната индукция, както казахме за него, е установен от Фарадей и Максуел.

Електромагнитна индукция - явлението на възникване на електрически ток в затворена верига, когато магнитният поток, преминаващ през него, се променя.

Електромагнитната индукция е открита от Майкъл Фарадей на 29 август 1831 г. Той откри, че електродвижещата сила, която възниква в затворена проводяща верига, е пропорционална на скоростта на промяна на магнитния поток през повърхността, ограничена от тази верига. Големината на електродвижещата сила (EMF) не зависи от това какво причинява промяната в потока - промяна в самото магнитно поле или движението на верига (или част от нея) в магнитно поле. Електрическият ток, причинен от това ЕМП, се нарича индукционен ток.

Самоиндукция - възникването на EMF на индукция в затворена проводяща верига, когато токът, протичащ през веригата, се промени.

Когато токът във веригата се промени пропорционално, и магнитен потокпрез повърхността, ограничена от този контур. Промяната в този магнитен поток, дължаща се на закона за електромагнитната индукция, води до възбуждане на индуктивно ЕМП в тази верига.

Това явление се нарича самоиндукция. (Концепцията е свързана с концепцията за взаимна индукция, която е като частен случай).

Посока ЕМП самоиндукциявинаги се оказва така че увеличаване на тока в схема самостоятелно индуцирането EMF предотвратява нарастването (насочено срещу течението), и когато настоящите намалява - низходящ (codirectional с ток). С този имот, EMF самоиндукционната е подобен на силата на инерцията.

Създаване на първото реле 1824 предхожда изобретение г англичанин Stardzhenom електромагнит -. Устройство, което преобразува входния ток на рана намотка проводник на желязно ядро, магнитно поле, образувани вътре и извън ядрото. Магнитното поле се записва (открити) от техните ефекти върху феромагнитен материал близо до сърцевината. Този материал се привлича към сърцевината на електромагнита.

Впоследствие, на ефекта на преобразуване на енергията на електрически ток в механична енергия смислено движение на външната феромагнитен материал (котви) е в основата на различни електромеханични телекомуникационни устройства (телеграфия и телефония), електрическа енергия индустрия. Един от първите такива устройства са електромагнитни релета изобретени от американската Джон. Хенри през 1831 г.

До сега, ние счита електрически и магнитни полета, които не се променят с времето. Установено е, че се генерира електрическо поле електрически зарядиИ на магнитното поле - чрез преместване на такси, т.е. електрически ток ... Преминете към познаване на електрически и магнитни полета, които варират в зависимост от времето.

Повечето важен фактКой успя да намери - това е тясна връзка между електрически и магнитни полета. магнитно поле генерира променлив във времето електрическо поле, различна електрическо поле създава магнитно. Без тази връзка между полетата на различни прояви на електромагнитни сили няма да е толкова голяма, колкото е в действителност. Няма ли да съществува или радио вълни или светлина.

Не е случайно, на първо място, предизвикателствотов откриването на нови свойства на електромагнитните взаимодействия е направена на основателя на представителствата на електромагнитното поле - Фарадей. Фарадей беше сигурен на единен характер на електрическото и магнитното явления. Поради това, той направил откритие, което по-късно става основа на цялата власт модул за генериране на света, превръщането на механичната енергия в електрически ток. (Други източници :. Галванични клетки, батерии и т.н. - дават малка част от енергията, произведена).

Електрически ток, Фарадей мотивирано, е в състояние на намагнитване парче желязо. Може магнит от своя кауза електрически ток?

За дълго време, тази връзка не може да бъде намерен. Беше трудно да се мисли за най-важното, а именно: само движещ магнит или магнитно поле се променя във времето, може да възбуди електрически ток в бобината.

Какви инциденти биха могли да попречат на откриването, показва следния факт. Почти едновременно с Фарадей, швейцарския физик Colladon се опитва да получи електрически ток в намотка с помощта на магнит. При работа, той използва галванометър, леката магнитната стрелка на която е бил поставен във вътрешността на намотката на устройството. Така, че магнитът не засяга пряко иглата, краищата на бобината, в която Colladon избута магнита, които се надяват да се получи ток в него, са изведени в съседната стаяи там са свързани към галванометър. След като добавя магнита в намотката, Colladon отиде в съседната стая и с огорчение,

се е убедил, че галванометричните не показва ток. Ако само той е гледал галванометричните през цялото време и попита някой, който да работи по магнита, щеше да бъде направено забележително откритие. Но това не се случи. Магнит в покой спрямо бобина причинява няма ток в него.

Феноменът на електромагнитната индукция се състои в появата на електрически ток в проводяща верига, която или почива в магнитно поле, което се променя във времето, или се движи в постоянно магнитно поле по такъв начин, че броят на магнитните индукционни линии, проникващи през промени в веригата. Тя е била открита на 29 август 1831 г. Това е рядък случай, когато датата на нов забележителен откритие е известен с такава точност. Ето описание на първия експеримент, дадена от самия Фарадей:

"Рани по широк дървена бобина Меден проводникдълъг 203 фута, и между навивките от нея е навита жица със същата дължина, но изолирани от първия памучен конец. Един от тези спирали е свързан към галванометър, а другият да силна батерия, състояща се от 100 двойки плочи ... Когато веригата е затворен, е възможно да се забележи внезапно, но изключително слабо действие на галванометър и същото е забелязал, когато токът спря. С непрекъснатото преминаване на ток през една от бобините, не е било възможно да се отбележи, никакъв ефект върху галванометричните, или по принцип всеки индуктивен ефект от друга бобина, въпреки факта, че отоплението на цялата намотка, свързан с батерията, и яркостта на скокове искра между въглищата, свидетелства за мощността на батерията "(Фарадей М." Експериментални изследванияна електричество", 1-ва серия).

Така че първоначално индукцията беше открита в проводници, които бяха неподвижни един спрямо друг по време на затварянето и отварянето на веригата. След това, ясно разбирайки, че приближаването или отстраняването на проводници с ток трябва да доведе до същия резултат като затварянето и отварянето на веригата, Фарадей доказа чрез експерименти, че токът възниква, когато намотките се движат една друга.

роднина на приятел. Запознат с произведенията на Ампер, Фарадей разбира, че магнитът е съвкупност от малки токове, циркулиращи в молекули. На 17 октомври, както е записано в неговия лабораторен дневник, в намотката е открит индукционен ток по време на вкарването (или изтеглянето) на магнита. В рамките на един месец Фарадей експериментално открива всички съществени характеристики на феномена на електромагнитната индукция.

В момента експериментите на Фарадей могат да бъдат повторени от всеки. За да направите това, трябва да имате две намотки, магнит, батерия от елементи и достатъчно чувствителен галванометър.

В инсталацията, показана на фигура 238, в една от намотките възниква индукционен ток, когато електрическата верига на другата намотка, която е неподвижна спрямо първата, е затворена или отворена. В инсталацията на фигура 239, реостат променя тока в една от намотките. На фигура 240, а, индукционният ток се появява, когато намотките се движат една спрямо друга, а на фигура 240, b - при движение постоянен магнитпо отношение на бобината.

Самият Фарадей вече е схванал общото нещо, което определя появата на индукционен ток при експерименти, които изглеждат различно външно.

В затворена проводяща верига ток възниква, когато броят на магнитните индукционни линии, проникващи в областта, ограничена от тази верига, се промени. И колкото по-бързо се променя броят на линиите на магнитна индукция, толкова по-голям е полученият индукционен ток. В този случай причината за промяната в броя на линиите на магнитна индукция е напълно безразлична. Това може да бъде промяна в броя на линиите на магнитна индукция, проникващи в областта на фиксирана проводяща верига поради промяна в силата на тока в съседна намотка (фиг. 238), и промяна в броя на линии на индукция поради движението на веригата в нехомогенно магнитно поле, чиято плътност на линиите варира в пространството (фиг. 241).

Векторът на магнитната индукция \(~\vec B\) характеризира магнитното поле във всяка точка от пространството. Нека въведем още една величина, която зависи от стойността на вектора на магнитната индукция не в една точка, а във всички точки на произволно избрана повърхност. Тази величина се нарича поток на вектора на магнитната индукция, или магнитен поток.

Нека да се изолират в магнитното поле такава малка повърхност елемент с площ Δ Стака, че магнитната индукция във всичките си точки могат да се считат за едни и същи. Нека \ (~ \ VEC п \) е нормално за формирането на ъгъла на елемента α с посоката на вектора на магнитната индукция (фиг. 1).

Потокът на вектора на магнитната индукция чрез площта Δ Снаричаме стойност, равна на произведението от модула на вектора на магнитната индукция \ (~ \ VEC B \) и б на площ Си косинус на ъгъла α между векторите \ (~ \ VEC B \) и \ (~ \ VEC п \) (перпендикулярно на повърхността):

\ (~ \ Delta \ Phi = B \ cdot \ Delta S \ cdot \ защото \ а \).

Работете Б cos α = ATп е проекцията на вектора на магнитната индукция на нормалата към елемента. Ето защо

\ (~ \ Delta \ Phi = B_n \ cdot \ Delta S \).

Потокът може да бъде или положителен или отрицателен в зависимост от стойността на ъгъла α .

Ако магнитното поле е еднакъв, тогава поток през плоска повърхност с площ Ссе равнява:

\ (~ \ Phi = B \ cdot S \ cdot \ защото \ а \).

Потокът на магнитната индукция може ясно да се тълкува в количество, пропорционално на броя на линиите на вектора \ (~ \ VEC B \) проникване в дадена област на повърхността.

Най-общо казано, повърхността може да се затвори. В този случай, броят на индукционни линии, въведени от вътрешната страна на повърхността е равен на броя на линиите нея (фиг. 2), оставяйки. Ако повърхността е затворена, след това външната нормално се счита за положителен нормалата към повърхността.

Линиите на магнитната индукция са затворени, което означава, че потокът на магнитната индукция чрез затворена повърхност е равна на нула. (Линии напускащи повърхността дават положителен поток и линии, влизащи отрицателен). Това фундаментално свойство на магнитно поле, се дължи на липсата на магнитни такси. Ако не е имало електрически заряди, а след това на електрическия поток през затворена повърхност ще бъде нула.

електромагнитна индукция

Откриване на електромагнитната индукция

През 1821 г. Майкъл Фарадей пише в дневника си: "Обърни магнетизма в електричество." След 10 години, този проблем е решен от него.

М. Фарадей е уверен в единна естеството на електрически и магнитни явления, но за дълго времевръзката между тези явления не може да бъде намерен. Трудно беше да се мисли за основната точка: само променливи във времето магнитно поле може да възбуди електрически ток във фиксирана намотка, или самата намотка трябва да се движи в магнитно поле.

Откриването на електромагнитната индукция, като Фарадей нарича това явление, е направен на 29 август 1831 г. Тук Кратко описаниепърви опит, дадена от самия Фарадей. "А меден проводник дълъг 203 фута (крак равнява 304.8 mm) се навива по широк дървени намотка и тел със същата дължина се навива между неговите завои, но изолирани от първия памучен конец. Един от тези спирали е свързан към галванометър, а другият да силна батерия, състояща се от 100 двойки плочи ... Когато веригата е затворен, е възможно да се забележи внезапно, но изключително слаб ефект върху галванометър, и същият е забелязан, когато токът спря. С непрекъснатото преминаване на ток през една от бобините, не е било възможно да се отбележи, никакъв ефект върху галванометричните, или по принцип всеки индуктивен ефект от друга бобина, въпреки факта, че отоплението на цялата намотка, свързан с батерията, и яркостта на скоковете искра между въглищата, свидетелства за заряда на батерията.

Така първоначално индукция е открит в проводници, които са неподвижно един спрямо друг по време на затварянето и отварянето на веригата. След това, ясно разбиране, че подходът или отстраняване на проводници с ток трябва да доведе до същия резултат, както затваряне и отваряне на веригата, Фарадей доказано чрез експерименти, че настоящата възниква, когато намотките се движат един спрямо друг (фиг. 3).

Запознати с делата на Ампер, Фарадей разбира, че магнит е колекция от малки токове, които се движат в молекули. На 17 октомври, както е записано в лабораторията си списание, индукционен ток е бил открит в бобината по време на изтласкването в (или изваждане) на магнита (фиг. 4).

До един месец, Фарадей открива експериментално всички съществени характеристики на явлението електромагнитна индукция. Остава само да даде право строг количествен форма и напълно разкрива физическата природа на този феномен. Фарадей себе си вече схванали общата нещо, което определя облика на индукционен ток в експерименти, които изглеждат различно навън.

В затворено провеждане верига, възниква ток, когато броят на магнитна индукция линии проникващи повърхността, ограничена от тази схема промени. Това явление се нарича електромагнитна индукция.

И по-бързо, броят на линии на магнитната индукция промени, по-голямата получения ток. В този случай, причината за промяната в броя на линии на магнитната индукция е напълно безразличен. Това може да бъде промяна в броя на линиите на магнитната индукция проникваща фиксирана проводник поради промяна в текущата сила в съседна намотка, и промяна в броя на редовете, поради движението на веригата в нехомогенни магнитно поле плътността на линиите на които варира в пространството (фиг. 5).

Правилото на Ленц

Индуктивният ток, възникнал в проводника, веднага започва да взаимодейства с тока или магнита, който го е генерирал. Ако магнит (или намотка с ток) се доближи до затворен проводник, тогава възникващият индукционен ток със своето магнитно поле непременно отблъсква магнита (бобината). Трябва да се работи, за да се сближат магнитът и намотката. Когато магнитът се отстрани, се получава привличане. Това правило се спазва стриктно. Представете си, ако нещата бяха различни: бутнахте магнита към намотката и той ще се втурне в нея сам. Това би нарушило закона за запазване на енергията. В крайна сметка механичната енергия на магнита би се увеличила и в същото време би възникнал ток, което само по себе си изисква изразходване на енергия, тъй като токът също може да върши работа. Електрическият ток, индуциран в котвата на генератора, взаимодействайки с магнитното поле на статора, забавя въртенето на котвата. Само затова, за да завъртите котвата, е необходимо да се извърши работа, колкото по-голяма, толкова по-голяма е силата на тока. Поради тази работа възниква индукционен ток. Интересно е да се отбележи, че ако магнитното поле на нашата планета беше много голямо и силно нехомогенно, тогава бързите движения на проводящи тела по нейната повърхност и в атмосферата биха били невъзможни поради интензивното взаимодействие на тока, индуциран в тялото с това поле. Телата ще се движат като в плътна вискозна среда и в същото време ще бъдат силно нагрети. Нито самолети, нито ракети можеха да летят. Човек не може бързо да движи нито ръцете, нито краката си, тъй като човешкото тяло- добър диригент.

Ако бобината, в която се индуцира токът, е неподвижна спрямо съседната намотка с променлив ток, както например в трансформатор, тогава в този случай посоката на индукционния ток се диктува от закона за запазване на енергията. Този ток винаги е насочен по такъв начин, че магнитното поле, което създава, има тенденция да намалява вариациите на тока в първичната.

Отблъскването или привличането на магнит от намотка зависи от посоката на индукционния ток в него. Следователно законът за запазване на енергията ни позволява да формулираме правило, което определя посоката на индукционния ток. Каква е разликата между двата експеримента: приближаването на магнита към намотката и отстраняването му? В първия случай магнитният поток (или броят на магнитните индукционни линии, проникващи в завоите на бобината) се увеличава (фиг. 6, а), а във втория случай намалява (фиг. 6, б). Освен това, в първия случай, линиите на индукция AT"На магнитното поле, създадено от индукционен ток, който е възникнал в бобината, излизането от горния край на бобината, тъй като бобината отблъсква магнита, а във втория случай, напротив, въведете този край. Тези линии на магнитната индукция на фигура 6 са показани с инсулт.

Ориз. 6

Сега ние сме дошли до главната точка: с увеличаване на магнитния поток през намотки на спиралата, индукционния ток има такава посока, че магнитното поле се създава предотвратява растежа на магнитния поток през намотки на спиралата. В края на краищата, векторът индукция \ (~ \ VEC Б "\) на това поле е насочено срещу индукция вектор \ (~ \ VEC B \) на областта, промяната на който генерира електрически ток. Ако магнитния поток през бобината отслабва, тогава индукция ток създава магнитно поле с индукция \ (~ \ VEC Б "\), което увеличава магнитния поток през навивките на бобината.

Това е същността общо правилоопределяне на посоката на индуктивен ток, който е приложим във всички случаи. Това правило е създадена от руския физик Д. Х. Ленц (1804-1865).

Според Правилото на Ленц

индукционния ток, възникващи в затворена верига има такава посока, че магнитният поток, създаден от него през повърхността, ограничена от веригата има тенденция да се предотврати промяната в поток, който генерира този ток.

индуктивен ток има такава посока, че предотвратява причина тя причинява.

В случай на свръхпроводници, обезщетението за промените във външната магнитния поток ще бъде завършена. Потокът на магнитната индукция чрез повърхност, ограничена от свръхпроводящ верига не се променя при всички с времето при никакви условия.

Закон за електромагнитната индукция

експерименти Фарадей показват, че силата на индуцирания ток ази в провеждане верига е пропорционална на степента на промяна в броя на магнитна индукция линии \ (~ \ VEC B \) проникващи повърхността, ограничена от тази схема. По-точно, това твърдение може да се формулира като се използва понятието магнитен поток.

Магнитния поток е ясно тълкува като броя на линиите на магнитната индукция проникващи повърхност с площ С. Ето защо, степента на промяна на този номер е нищо друго освен темпа на изменение на магнитния поток. Ако за кратко време Δ Tмагнитни промени поток до Δ Ф, След което скоростта на изменение на магнитния поток е \ (~ \ Frac (\ Delta \ Phi) (\ Delta т) \).

Ето защо, изявление, че следва директно от опит може да се формулира по следния начин:

силата на индукционния ток е пропорционален на скоростта на изменение на магнитния поток през повърхността, ограничена от контура:

\ (~ I_i \ SIM \ Frac (\ Delta \ Phi) (\ Delta т) \).

Известно е, че електрически ток възниква във веригата, когато външни сили действат на безплатни такси. Работата на тези сили, когато се движат на един положителен заряд по затворена верига се нарича електродвижеща сила. Следователно, когато магнитният поток се променя през повърхността, ограничена от контура, външни сили се появяват в това, действието на който се характеризира с EMF, наречен EMF на индукция. Нека да го обозначават с буквата Еаз

Законът за електромагнитната индукция е формулиран специално за EMF, но не и за силата на тока. С тази формулировка, законът изразява същността на явлението, което не зависи от свойствата на проводниците, при които настъпва индукционния ток.

Според закона за електромагнитната индукция (EMR)

едн на индукция в затворен контур е равна на абсолютната стойност на скоростта на изменение на магнитния поток през повърхността, ограничена от контура:

\ (~ | E_i | = | \ Frac (\ Delta \ Phi) (\ Delta т) | \).

Как да се вземе предвид посоката на индукционния ток (или знака на индукцията EMF) в закона за електромагнитната индукция в съответствие с правилото за Ленц?

Фигура 7 показва затворен контур. Ще разгледаме положителна посока на часовниковите стрелки заобикаляйки контур. Перпендикулярно на контура \ (~ \ ВЕЦ п \) образува прав винт с посоката на байпас. Знакът на електромагнитни полета, т.е., специфичната работа, зависи от посоката на външни сили по отношение на посоката на заобикаляйки веригата. Ако тези посоки съвпадат, а след това Е I> 0 и, съответно, азАз> 0. В противен случай, EMF и силата на тока, са отрицателни.

Нека магнитната индукция \ (~ \ VEC B \) на външното магнитно поле да бъде насочена по нормалата към контура и увеличение с времето. Тогава Ф> 0 и \ (~ \ Frac (\ Delta \ Phi) (\ Delta т) \)> 0. Съгласно правило на Ленц, индукционния ток създава магнитен поток Ф’ < 0. Линии индукции Б"На магнитното поле на индукционния ток са показани на Фигура 7 с тире. Ето защо, индукция ток ази се отнася по часовниковата стрелка (срещу положителна посока байпас) и едн индукционния е отрицателен. Поради това, в закона за електромагнитната индукция, трябва да има знак минус:

\ (~ E_i = - \ Frac (\ Delta \ Phi) (\ Delta т) \).

AT международна системаединици, закона за електромагнитната индукция се използват за установяване на устройството на магнитния поток. Това устройство се нарича Weber (СБ).

Тъй като EMF на индукция ЕАз се изразява в волта, а времето е в секунди, а след това от закона за Вебер EMP може да се определи, както следва:

магнитния поток през повърхността, ограничена от затворен контур е равно на 1 Wb, ако с еднакво намаляване на този поток на нула в 1 S, индукционна едн равно на 1 V възниква в контура:

1 Wb \ u003d 1 V ∙ 1 сек.

поле Vortex

Промяна във времето, магнитното поле генерира електрическо поле. J. Максуел е първият, който се стигне до това заключение.

Сега на явлението електромагнитна индукция се появява пред нас в нова светлина. Основното нещо в това е процес на генериране на електрическо поле от магнитно поле. В този случай, присъствието на проводима верига, като намотка, не променя същността на въпроса. А проводник с доставка на свободни електрони (или други частици) само помага за откриване на възникващите електрическото поле. Полето определя електроните в движение в проводника и по този начин се разкрива. Същността на явлението електромагнитна индукция в определен проводник е не толкова във външния вид на индукционен ток, но във външния вид на електрическо поле, който определя електрически заряди в движение.

Напрегнатостта на електрическото поле, което се случва, когато магнитните промени полеви има напълно различна структура от електростатичен един. Той не е свързан директно с електрически заряди, както и неговите линии на напрежение не може да започва и завършва с тях. Те по принцип не започне или завърши навсякъде, но са затворени линии, подобни на линиите на магнитното поле индукция. Това т.нар вихър електрическо поле. Може да възникне въпросът: защо, всъщност, е тази област, наречена електрически? В края на краищата, тя е с различен произход и с различна конфигурация от електрическото поле статична. Отговорът е прост: област водовъртеж действа на заряда qпо същия начин, както и електростатично единия, а ние все още се счита и смятат, че това основната собственост на терена. Силата действа на заряд е все още \ (~ \ VEC F = р \ VEC Е \), където \ (~ \ VEC Е \) е интензивността на полето за завихряне. Ако магнитния поток е създадена от постоянно магнитно поле концентрира дълъг тесен цилиндрична тръба с радиус r 0 (фиг. 8), е очевидно от симетрия съображения, че линиите на електричното поле сила лежат в равнини, перпендикулярни на линии \ (~ \ VEC B \) и са кръгове. В съответствие с принципите на Ленц, като магнитната индукция \ (~ \ наляво (\ Frac (\ Delta В) (\ Delta т)> 0 \ дясно) \) се увеличава, линиите на полето \ (~ \ VEC Е \) форма отляво винт с посоката на магнитната индукция \ (~ \ VEC B \).

За разлика от статичен или стационарен електрическо поле, дело на поле водовъртеж от затворен път не е равна на нула. В действителност, когато такса се движи по затворената линиясилата на електрическото поле, работата на всички участъци от пътя има един и същ знак, тъй като силата и преместването съвпадат по посока. Вихровото електрическо поле, подобно на магнитното поле, не е потенциално.

Работата на вихровото електрическо поле при преместване на единичен положителен заряд по затворен фиксиран проводник е числено равна на индукционната ЕДС в този проводник.

И така, променливо магнитно поле генерира вихрово електрическо поле. Но не мислите ли, че тук едно твърдение не е достатъчно? Бих искал да знам какъв е механизмът на този процес. Възможно ли е да се обясни как се осъществява тази връзка на полета в природата? И тук естественото ви любопитство не може да бъде задоволено. Тук просто няма механизъм. Законът за електромагнитната индукция е основен закон на природата, което означава, че е основен, първичен. Много явления могат да се обяснят с неговото действие, но самото то остава необяснимо просто поради причината, че няма по-дълбоки закони, от които да следва като следствие. Във всеки случай такива закони в момента не са известни. Това са всички основни закони: законът на гравитацията, законът на Кулон и т.н.

Разбира се, ние сме свободни да задаваме всякакви въпроси пред природата, но не всички имат смисъл. Така например е възможно и необходимо да се изследват причините за различни явления, но е безполезно да се опитваме да разберем защо въобще съществува причинно-следствената връзка. Такава е природата на нещата, такъв е светът, в който живеем.

литература

1. Жилко В.В. Физика: Proc. надбавка за 10 клас. общо образование училище от руски език обучение / В.В. Жилко, А.В. Лавриненко, Л.Г. Маркович. - Мн.: Нар. Асвета, 2001. - 319 с.
2. Мякишев, Г.Я. Физика: Електродинамика. 10-11 клетки. : проучвания. за задълбочено изучаване на физиката / Г.Я. Мякишев, А.3. Синяков, В.А. Слободсков. – М.: Дропла, 2005. – 476 с.