Uređaji koji rade na principu elektromagnetske indukcije. Praktična primjena fenomena elektromagnetske indukcije

To već znamo struja, krećući se duž vodiča, stvara oko njega magnetsko polje. Na temelju ovog fenomena, čovjek je izumio i naširoko koristi široku paletu elektromagneta. Ali postavlja se pitanje: ako električni naboji, krećući se, uzrokuju pojavu magnetsko polje, ali zar ne radi i obrnuto?

Odnosno, može li magnetsko polje uzrokovati strujanje električne struje u vodiču? Godine 1831. Michael Faraday je ustanovio da se električna struja stvara u zatvorenom vodljivom električnom krugu kada se mijenja magnetsko polje. Takva struja nazvana je indukcijska struja, a pojava pojave struje u zatvorenom vodljivom krugu s promjenom magnetskog polja koje prodire u ovaj krug naziva se elektromagnetska indukcija.

Fenomen elektromagnetske indukcije

Sam naziv "elektromagnetski" sastoji se od dva dijela: "elektro" i "magnetski". Električni i magnetske pojave međusobno su neraskidivo povezani. A ako električni naboji, krećući se, mijenjaju magnetsko polje oko sebe, tada magnetsko polje, mijenjajući se, htjeli-ne htjeli, tjera električne naboje da se kreću, tvoreći električnu struju.

U ovom slučaju, promjenjivo magnetsko polje uzrokuje pojavu električne struje. Stalno magnetsko polje neće uzrokovati kretanje električnih naboja, te se sukladno tome ne formira indukcijska struja. Više detaljno razmatranje pojava elektromagnetske indukcije, izvođenje formula i zakon elektromagnetske indukcije odnosi se na tečaj devetog razreda.

Primjena elektromagnetske indukcije

U ovom članku ćemo govoriti o korištenju elektromagnetske indukcije. Rad mnogih motora i strujnih generatora temelji se na korištenju zakona elektromagnetske indukcije. Princip njihovog rada prilično je jednostavan za razumijevanje.

Promjena magnetskog polja može biti uzrokovana, na primjer, pomicanjem magneta. Stoga, ako se magnet pomakne unutar zatvorenog kruga nekim utjecajem treće strane, tada će se u tom krugu pojaviti struja. Tako možete stvoriti strujni generator.

Ako, naprotiv, struja iz izvora treće strane prolazi kroz krug, tada će se magnet unutar kruga početi kretati pod utjecajem magnetskog polja koje stvara električna struja. Na taj način se može sastaviti električni motor.

Gore opisani generatori struje pretvaraju mehaničku energiju u električnu energiju u elektranama. Mehanička energija je energija ugljena, dizel gorivo, vjetar, voda i tako dalje. Električna energija se putem žica opskrbljuje potrošačima i tamo se u elektromotorima ponovno pretvara u mehaničku energiju.

Elektromotori usisavača, sušila za kosu, mješalica, hladnjaka, električnih mlinova za meso i brojnih drugih uređaja koje svakodnevno koristimo temelje se na primjeni elektromagnetske indukcije i magnetskih sila. O korištenju istih tih pojava u industriji ne treba govoriti, jasno je da je sveprisutna.

Khudoley Andrej, Khnykov Igor

Praktična primjena fenomena elektromagnetske indukcije.

Preuzimanje datoteka:

Pregled:

Da biste koristili pregled prezentacija, stvorite sebi račun ( račun) Google i prijavite se: https://accounts.google.com

Naslovi slajdova:

Elektromagnetska indukcija u Moderna tehnologija Izvode učenici 11 "A" razreda MOUSOSH br. 2 grada Suvorova Khnykov Igor, Khudoley Andrey

Fenomen elektromagnetske indukcije otkrio je 29. kolovoza 1831. Michael Faraday. Fenomen elektromagnetske indukcije sastoji se od pojave električne struje u vodljivom krugu, koji ili počiva u magnetskom polju koje se mijenja u vremenu, ili se kreće u stalnom magnetskom polju na način da broj vodova magnetske indukcije prodire kroz promjene kruga.

EMF elektromagnetske indukcije u zatvorenoj petlji numerički je jednak i suprotan po predznaku brzini promjene magnetskog toka kroz površinu omeđenu ovom petljom. Smjer indukcijska struja(kao i vrijednost EMF), smatra se pozitivnim ako se poklapa s odabranim smjerom zaobilaženja kruga.

Faradayev pokus Trajni magnet se umetne u zavojnicu spojenu na galvanometar ili ukloni iz nje. Kada se magnet kreće u krugu, nastaje električna struja.Unutar mjesec dana Faraday je eksperimentalno otkrio sve bitne značajke fenomena elektromagnetske indukcije. U ovom trenutku, Faradayeve pokuse može izvesti svatko.

Glavni izvori elektromagnetskog polja Glavni izvori elektromagnetskog polja su: Električni vodovi. Ožičenje (unutar zgrada i građevina). Električni aparati za kućanstvo. Osobna računala. TV i radio odašiljačke stanice. Satelitske i mobilne komunikacije (uređaji, repetitori). Električni transport. radarske instalacije.

Električni vodovi Žice radnog dalekovoda stvaraju elektromagnetsko polje industrijske frekvencije (50 Hz) u susjednom prostoru (na udaljenosti od nekoliko desetaka metara od žice). Štoviše, jakost polja u blizini linije može varirati u širokom rasponu, ovisno o njenom električnom opterećenju. Zapravo granice zona sanitarne zaštite postavljeni su duž granične crte najudaljenije od žica s maksimalnom jakošću električnog polja od 1 kV / m.

Električno ožičenje Električno ožičenje uključuje: strujne kabele za sustave za održavanje života u zgradama, žice za distribuciju električne energije, kao i razvodne ploče, kutije za napajanje i transformatore. Električno ožičenje je glavni izvor elektromagnetskog polja industrijske frekvencije u stambenim prostorijama. U ovom slučaju, razina jakosti električnog polja koju emitira izvor često je relativno niska (ne prelazi 500 V/m).

Kućanski aparati Izvori elektromagnetskih polja su svi Uređaji koji rade pomoću električne struje. Istodobno, razina zračenja varira u najširem rasponu, ovisno o modelu, uređaju uređaja i specifičnom načinu rada. Također, razina zračenja jako ovisi o potrošnji energije uređaja – što je veća snaga, to je viša razina elektromagnetskog polja tijekom rada uređaja. Jačina električnog polja u blizini kućanskih aparata ne prelazi desetke V/m.

Osobna računala Primarni izvor štetnih učinaka na zdravlje korisnika računala je uređaj za prikaz monitora (VOD). Osim monitora i sistemske jedinice, može uključivati ​​i osobno računalo veliki broj drugi uređaji (kao što su pisači, skeneri, prenaponski štitnici, itd.). Svi ovi uređaji rade uz korištenje električne struje, što znači da su izvori elektromagnetskog polja.

Elektromagnetsko polje osobnih računala ima najsloženiji valni i spektralni sastav i teško ga je izmjeriti i kvantificirati. Ima magnetske, elektrostatičke i radijacijske komponente (posebno, elektrostatički potencijal osobe koja sjedi ispred monitora može biti u rasponu od -3 do +5 V). S obzirom na uvjet da osobnih računala danas se široko koristi u svim industrijama ljudska aktivnost, njihov utjecaj na zdravlje ljudi podliježe pažljivom proučavanju i kontroli

Televizijske i radijske odašiljačke postaje Na području Rusije trenutno se nalazi značajan broj radio stanica i centara različitih veza. Odašiljačke stanice i centri nalaze se u područjima posebno određenim za njih i mogu zauzeti prilično velike teritorije(do 1000 ha). Po svojoj strukturi obuhvaćaju jednu ili više tehničkih zgrada, u kojima se nalaze radio odašiljači, te antenska polja na kojima se nalazi i do nekoliko desetaka antensko-feeder sustava (AFS). Svaki sustav uključuje zračeću antenu i dovodnu liniju koja dovodi emitirani signal.

Satelitska komunikacija Satelitski komunikacijski sustavi sastoje se od odašiljačke stanice na Zemlji i satelita - repetitora u orbiti. Odašiljajuće satelitske komunikacijske stanice emitiraju usko usmjereni snop valova, gustoća energetskog toka u kojem doseže stotine W/m. Satelitski komunikacijski sustavi stvaraju velike jakosti elektromagnetskog polja na znatnim udaljenostima od antena. Na primjer, stanica snage 225 kW, koja radi na frekvenciji od 2,38 GHz, stvara gustoću energetskog toka od 2,8 W/m2 na udaljenosti od 100 km. Rasipanje energije u odnosu na glavni snop vrlo je malo i događa se najviše u području izravnog postavljanja antene.

Stanična komunikacija Stanična radiotelefonija danas je jedan od telekomunikacijskih sustava koji se najintenzivnije razvija. Glavni elementi sustava staničnu komunikaciju su bazne stanice i mobilni radiotelefoni. Bazne stanice održavaju radio komunikaciju s mobilnim uređajima, zbog čega su izvori elektromagnetskog polja. Sustav koristi princip podjele područja pokrivenosti u zone, ili takozvane "ćelije", s radijusom od km.

Intenzitet zračenja bazne stanice određen je opterećenjem, odnosno prisutnošću vlasnika Mobiteli u području pružanja usluge određene bazne stanice i njihovoj želji da koriste telefon za razgovor, što zauzvrat u osnovi ovisi o dobu dana, lokaciji postaje, danu u tjednu i drugim čimbenicima. Noću je opterećenje stanica gotovo na nuli. Intenzitet zračenja mobilnih uređaja uvelike ovisi o stanju komunikacijskog kanala "mobilni radiotelefon - bazna stanica" (što je veća udaljenost od bazne stanice, to je veći intenzitet zračenja uređaja).

Električni promet Električni prijevoz (trolejbusi, tramvaji, vlakovi podzemne željeznice i dr.) snažan je izvor elektromagnetskog polja u frekvencijskom području Hz. Istodobno, u velikoj većini slučajeva, vučni elektromotor djeluje kao glavni emiter (kod trolejbusa i tramvaja kolektori zračne struje natječu se s elektromotorom po jačini zračenog električnog polja).

Radarske instalacije Radarske i radarske instalacije obično imaju antene tipa reflektora („posude”) i emitiraju usko usmjereni radio snop. Periodično pomicanje antene u prostoru dovodi do prostornog diskontinuiteta zračenja. Također postoji privremeni prekid zračenja zbog cikličkog rada radara za zračenje. Rade na frekvencijama od 500 MHz do 15 GHz, ali neke posebne instalacije mogu raditi na frekvencijama do 100 GHz ili više. Zbog posebne prirode zračenja, mogu stvoriti zone s velikom gustoćom energetskog toka (100 W/m2 ili više) na tlu.

Detektori metala Tehnološki se princip rada detektora metala temelji na fenomenu registriranja elektromagnetskog polja koje se stvara oko bilo kojeg metalnog predmeta kada se stavi u elektromagnetsko polje. Ovo sekundarno elektromagnetno polje razlikuje se i po intenzitetu (jačini polja) i po drugim parametrima. Ovi parametri ovise o veličini predmeta i njegovoj vodljivosti (zlato i srebro imaju puno bolju vodljivost od npr. olova) te, naravno, o udaljenosti antene detektora metala od samog objekta (dubini pojavljivanja).

Gornja tehnologija odredila je sastav detektora metala: sastoji se od četiri glavna bloka: antene (ponekad su odašiljajuće i prijemne antene različite, a ponekad su iste antene), elektroničke jedinice za obradu, jedinice za izlaz informacija (vizualni - LCD zaslon ili indikator sa strelicama i audio - priključak za zvučnik ili slušalice) i napajanje.

Metalni detektori su: Pretraga Inspekcija Za građevinske svrhe

Pretraga Ovaj detektor metala dizajniran je za traženje svih vrsta metalnih predmeta. U pravilu, oni su najveći po veličini, cijeni i, naravno, u smislu funkcija modela. To je zbog činjenice da ponekad trebate pronaći objekte na dubini do nekoliko metara u debljini zemlje. Snažna antena sposobna je generirati visoku razinu elektromagnetskog polja i detektirati čak i najmanje struje na velikim dubinama uz visoku osjetljivost. Na primjer, detektor metala za pretraživanje detektira metalni novčić na dubini od 2-3 metra u zemlji, koji čak može sadržavati željezne geološke spojeve.

Inspekcija Koriste ga specijalne službe, carinici i zaštitari raznih organizacija za traženje metalnih predmeta (oružje, plemeniti metali, žice eksplozivnih naprava i sl.) skrivenih na tijelu i u odjeći osobe. Ove detektore metala odlikuju kompaktnost, jednostavnost korištenja, prisutnost načina kao što je tiha vibracija ručke (tako da osoba koja se traži ne zna da je tragatelj nešto pronašao). Raspon (dubina) detekcije novčića rublje u takvim detektorima metala doseže 10-15 cm.

Također široka upotreba dobio lučne detektore metala koji izgledaju kao luk i zahtijevaju da osoba prođe kroz njega. Uz njih vertikalni zidovi postavljene su ultraosjetljive antene koje otkrivaju metalne predmete na svim razinama ljudskog rasta. Obično se postavljaju ispred kulturno-zabavnih mjesta, u bankama, ustanovama itd. glavna značajka lučni detektori metala - visoka osjetljivost (podesiva) i velika brzina obrade protoka ljudi.

Za građevinske svrhe Ovaj sat detektori metala uz pomoć zvučnih i svjetlosnih alarma pomažu građevinarima da pronađu metalne cijevi, konstrukcijski ili pogonski elementi smješteni kako u debljini zidova tako i iza pregrada i lažnih panela. Neki detektori metala za građevinske svrhe često se kombiniraju u jednom uređaju s detektorima drvena konstrukcija, detektori napona na strujnim žicama, detektori curenja itd.

Emitiranje. U okolnom prostoru stvara se izmjenično magnetsko polje, pobuđeno promjenjivom strujom električno polje, što zauzvrat pobuđuje magnetsko polje i tako dalje. Međusobno generirajući jedno drugo, ova polja čine jedno promjenjivo elektromagnetno polje - elektromagnetski val. Nakon što je nastalo na mjestu gdje postoji žica sa strujom, elektromagnetno polje se širi u svemir brzinom svjetlosti -300 000 km/s.

Magnetoterapija.U frekvencijskom spektru razna mjesta okupiran radio valovima, svjetlom, x-zrake i drugi elektromagnetska radijacija. Obično ih karakteriziraju neprekidno međusobno povezana električna i magnetska polja.

Sinhrofazotroni.Trenutno se pod magnetskim poljem podrazumijeva poseban oblik materije koji se sastoji od nabijenih čestica. U modernoj fizici, snopovi nabijenih čestica koriste se za prodor duboko u atome kako bi ih proučavali. Sila kojom magnetsko polje djeluje na pokretnu nabijenu česticu naziva se Lorentzova sila.

Mjerači protoka - brojači. Metoda se temelji na primjeni Faradayeva zakona za vodič u magnetskom polju: u strujanju električno vodljive tekućine koja se kreće u magnetskom polju inducira se EMF proporcionalan brzini strujanja, koji se elektronskim dijelom pretvara u električni analogni/digitalni signal.

DC generator.U generatorskom načinu rada armatura stroja rotira pod utjecajem vanjskog momenta. Između polova statora postoji konstanta magnetski tok piercing sidro. Vodiči namota armature kreću se u magnetskom polju i stoga se u njima inducira EMF, čiji se smjer može odrediti pravilom " desna ruka". U ovom slučaju na jednoj četkici u odnosu na drugu nastaje pozitivan potencijal. Ako je opterećenje spojeno na terminale generatora, tada će u njemu teći struja.

Fenomen EMR se široko koristi u transformatorima. Razmotrimo ovaj uređaj detaljnije.

TRANSFORMATORI.) - statički elektromagnetski uređaj koji imaju dva ili više induktivno spojenih namota i namijenjeni su za pretvaranje elektromagnetskom indukcijom jednog ili više sustava izmjenične struje u jedan ili više drugih sustava izmjenične struje.

Pojava indukcijske struje u rotirajućem krugu i njezina primjena.

Fenomen elektromagnetske indukcije koristi se za pretvaranje mehaničke energije u električnu energiju. U tu svrhu se koriste generatori, princip rada

što se može razmotriti na primjeru ravnog okvira koji rotira u jednoličnom magnetskom polju

Neka se okvir rotira u jednoličnom magnetskom polju (B = const) jednoliko s kutnom brzinom u = const.

Magnetski tok spojen na područje okvira S, u bilo kojem trenutku t jednaki

gdje - ut- kut rotacije okvira u tom trenutku t(ishodište je odabrano tako da kod /. = 0 postoji a = 0).

Kada se okvir okreće, u njemu će se pojaviti promjenjivi indukcijski emf

mijenja se s vremenom prema harmonijskom zakonu. EMF %" maksimum kod grijeha Wt= 1, tj.

Dakle, ako je u homogenom

Ako se okvir ravnomjerno rotira u magnetskom polju, tada u njemu nastaje promjenjivi EMF koji se mijenja prema harmonijskom zakonu.

Proces pretvaranja mehaničke energije u električnu je reverzibilan. Prođe li struja kroz okvir smješten u magnetsko polje, na njega će djelovati zakretni moment i okvir će se početi okretati. Ovaj princip se temelji na radu električnih motora dizajniranih za pretvaranje električna energija u mehanički.

Ulaznica 5.

Magnetno polje u materiji.

Eksperimentalne studije pokazao da sve tvari u većoj ili manjoj mjeri imaju magnetska svojstva. Ako se dva zavoja sa strujama stave u bilo koji medij, tada se mijenja jačina magnetske interakcije između struja. Ovo iskustvo pokazuje da se indukcija magnetskog polja stvorenog električnim strujama u tvari razlikuje od indukcije magnetskog polja stvorenog istim strujama u vakuumu.

Fizička veličina koja pokazuje koliko se puta indukcija magnetskog polja u homogenom mediju razlikuje po apsolutnoj vrijednosti od indukcije magnetskog polja u vakuumu naziva se magnetska permeabilnost:

Magnetska svojstva tvari određena su magnetskim svojstvima atoma odn elementarne čestice(elektroni, protoni i neutroni) koji čine atome. Trenutno je utvrđeno da magnetska svojstva protoni i neutroni su gotovo 1000 puta slabiji od magnetskih svojstava elektrona. Stoga su magnetska svojstva tvari uglavnom određena elektronima koji čine atome.

Tvari su iznimno raznolike po svojim magnetskim svojstvima. U većini tvari ta su svojstva slabo izražena. Slabo magnetne tvari dijele se u dvije velike skupine - paramagnete i dijamagnete. Razlikuju se po tome što se pri uvođenju u vanjsko magnetsko polje paramagnetski uzorci magnetiziraju tako da se njihovo vlastito magnetsko polje ispostavi da je usmjereno duž vanjskog polja, a dijamagnetski uzorci se magnetiziraju prema vanjskom polju. Dakle, za paramagnete μ > 1, a za dijamagnete μ< 1. Отличие μ от единицы у пара- и диамагнетиков чрезвычайно мало. Например, у алюминия, который относится к парамагнетикам, μ – 1 ≈ 2,1·10–5, у хлористого железа (FeCl3) μ – 1 ≈ 2,5·10–3. К парамагнетикам относятся также платина, воздух и многие другие вещества. К диамагнетикам относятся медь (μ – 1 ≈ –3·10–6), вода (μ – 1 ≈ –9·10–6), висмут (μ – 1 ≈ –1,7·10–3) и другие вещества. Образцы из пара- и диамагнетика, помещенные в неоднородное магнитное поле между полюсами электромагнита, ведут себя по-разному – парамагнетики втягиваются в область сильного поля, диамагнетики – выталкиваются (рис. 1.19.1).

Problemi magnetostatike u materiji.

Magnetske karakteristike materije - vektor magnetizacije, magnetski

osjetljivost i magnetska permeabilnost tvari.

Vektor magnetizacije - magnetski moment elementarnog volumena koji se koristi za opisivanje magnetskog stanja tvari. U odnosu na smjer vektora magnetskog polja razlikuju se uzdužna i poprečna magnetizacija. Poprečna magnetizacija doseže značajne vrijednosti u anizotropnim magnetima, a blizu je nuli u izotropnim magnetima. Stoga je u potonjem moguće vektor magnetizacije izraziti u smislu jakosti magnetskog polja i koeficijenta x koji se naziva magnetska susceptibilnost:

Magnetska osjetljivost - fizička veličina karakterizirajući odnos između magnetskog momenta (magnetizacije) tvari i magnetskog polja u toj tvari.

Magnetska propusnost - fizikalna veličina koja karakterizira odnos između magnetske indukcije i jakosti magnetskog polja u tvari.

Obično se označava grčko pismo. Može biti ili skalar (za izotropne tvari) ili tenzor (za anizotropne tvari).

U opći pogled se ubrizgava kao tenzor ovako:

Ulaznica 6.

Klasifikacija magneta

magneti nazivaju se tvari koje su sposobne steći vlastito magnetsko polje u vanjskom magnetskom polju, tj. biti magnetizirane. Magnetska svojstva tvari određena su magnetskim svojstvima elektrona i atoma (molekula) tvari. Prema svojim magnetskim svojstvima, magneti se dijele u tri glavne skupine: dijamagneti, paramagneti i feromagneti.

1. Magneti s linearnom ovisnošću:

1) Paramagneti - tvari koje su slabo magnetizirane u magnetskom polju, a rezultirajuće polje u paramagnetima je jače nego u vakuumu, magnetska propusnost paramagneta m\u003e 1; Takva svojstva posjeduju aluminij, platina, kisik itd.;

paramagneti ,

2) Diamagneti - tvari koje su slabo magnetizirane prema polju, odnosno polje u dijamagnetima je slabije nego u vakuumu, magnetska permeabilnost m< 1. К диамагнетикам относятся медь, серебро, висмут и др.;

dijamagneti ;

Uz nelinearnu ovisnost:

3) feromagneti - tvari koje se mogu jako magnetizirati u magnetskom polju,. To su željezo, kobalt, nikal i neke legure. 2.

feromagneti.

Ovisi o pozadini i funkcija je napetosti; postoji histereza.

I može doseći visoke vrijednosti u usporedbi s para- i dijamagnetima.

Zakon ukupne struje za magnetsko polje u materiji (teorem o kruženju vektora B)

Gdje su I i I ", redom, algebarski zbroji makrostruja (struja vodljivosti) i mikrostruja (molekularnih struja) pokrivenih proizvoljnom zatvorenom petljom L. Dakle, cirkulacija vektora magnetske indukcije B duž proizvoljno zatvorene petlje jednaka je algebarski zbroj struja vodljivosti i molekularnih struja obuhvaćenih ovim Vektor B tako karakterizira rezultirajuće polje koje stvaraju i makroskopske struje u vodičima (struje vodljivosti) i mikroskopske struje u magnetima, pa linije vektora magnetske indukcije B nemaju izvore i su zatvorene.

Vektor intenziteta magnetskog polja i njegova cirkulacija.

Jačina magnetskog polja - (standardna oznaka H) je vektorska fizička veličina jednaka razlici između vektora magnetske indukcije B i vektora magnetizacije M.

U SI: gdje je magnetska konstanta

Uvjeti na sučelju između dva medija

Istraživanje odnosa među vektorima E I D na granici između dva homogena izotropna dielektrika (čije su permitivnosti ε 1 i ε 2) u nedostatku besplatnih naknada na granici.

Zamjena projekcija vektora E vektorske projekcije D, podijeljeno s ε 0 ε, dobivamo

konstruirati ravan cilindar zanemarive visine na granici između dva dielektrika (slika 2); jedna baza cilindra je u prvom dielektriku, druga je u drugom. Baze ΔS su toliko male da unutar svake od njih vektor D isto. Prema Gaussovom teoremu za elektrostatičko polje u dielektriku

(normalan n I n" nasuprot bazama cilindra). Zato

Zamjena projekcija vektora D vektorske projekcije E, pomnoženo s ε 0 ε, dobivamo

Dakle, kada prolazi kroz sučelje između dva dielektrična medija, tangencijalna komponenta vektora E(E τ) i normalna komponenta vektora D(D n) mijenjaju se kontinuirano (ne dožive skok), a normalna komponenta vektora E(E n) i tangencijalna komponenta vektora D(D τ) doživjeti skok.

Iz uvjeta (1) - (4) za sastavne vektore E I D vidimo da se linije ovih vektora lome (lome). Pronađimo kako su kutovi α 1 i α 2 povezani (na slici 3 α 1 > α 2). Koristeći (1) i (4), E τ2 = E τ1 i ε 2 E n2 = ε 1 E n1 . Razložimo vektore E 1 I E 2 u tangencijalne i normalne komponente na sučelju. Od sl. 3 vidimo to

Uzimajući u obzir gore napisane uvjete, nalazimo zakon loma vlačnih linija E(a time i linije pomaka D)

Iz ove formule možemo zaključiti da, ulaskom u dielektrik s višom permitivnošću, linije E I D odmaknuti se od normalnog.

Ulaznica 7.

Magnetski momenti atoma i molekula.

Elementarne čestice imaju magnetni moment, atomske jezgre, elektronske ljuske atoma i molekula. Magnetski moment elementarnih čestica (elektrona, protona, neutrona i drugih), kako pokazuje kvantna mehanika, nastaje zbog postojanja vlastitog mehaničkog momenta - spina. Magnetski moment jezgre sastoji se od vlastitog (spin) magnetskog momenta protona i neutrona koji tvore te jezgre, kao i magnetskog momenta povezanog s njihovim orbitalnim gibanjem unutar jezgre. Magnetski trenutak elektronske ljuske atomi i molekule građeni su od spinskog i orbitalnog magnetskog momenta elektrona. Spin magnetski moment elektrona msp može imati dvije jednake i suprotno usmjerene projekcije na smjer vanjskog magnetskog polja H. Apsolutna vrijednost projekcije

gdje je mb = (9,274096 ±0,000065) 10-21erg/gs - Borov magneton gdje je h - Planckova konstanta, e i me - naboj i masa elektrona, c - brzina svjetlosti; SH je projekcija spin mehaničkog momenta na smjer polja H. Apsolutna vrijednost spin magnetskog momenta

vrste magneta.

MAGNETSKI, tvar s magnetskim svojstvima, koja su određena prisutnošću vlastitih ili induciranih vanjskim magnetskim poljem magnetskih momenata, kao i prirodom međudjelovanja među njima. Postoje dijamagneti, kod kojih vanjsko magnetsko polje stvara rezultirajući magnetski moment usmjeren suprotno od vanjskog polja, i paramagneti kod kojih se ti smjerovi podudaraju.

Dijamagneti- tvari koje su magnetizirane protiv smjera vanjskog magnetskog polja. U nedostatku vanjskog magnetskog polja, dijamagneti su nemagnetski. Pod djelovanjem vanjskog magnetskog polja svaki atom dijamagneta dobiva magnetski moment I (a svaki mol tvari dobiva ukupni magnetski moment), proporcionalan magnetskoj indukciji H i usmjeren prema polju.

Paramagneti- tvari koje su magnetizirane u vanjskom magnetskom polju u smjeru vanjskog magnetskog polja. Paramagneti su slabo magnetske tvari, magnetska propusnost se neznatno razlikuje od jedinice.

Atomi (molekule ili ioni) paramagneta imaju svoje magnetske momente, koji se pod djelovanjem vanjskih polja orijentiraju duž polja i time stvaraju rezultirajuće polje koje je veće od vanjskog. Paramagneti se uvlače u magnetsko polje. U nedostatku vanjskog magnetskog polja, paramagnet nije magnetiziran, jer su zbog toplinskog gibanja unutarnji magnetski momenti atoma orijentirani potpuno nasumično.

Orbitalni magnetski i mehanički momenti.

Elektron u atomu kreće se oko jezgre. U klasičnoj fizici gibanje točke duž kružnice odgovara kutnom momentu L=mvr, gdje je m masa čestice, v njezina brzina, r polumjer putanje. U kvantna mehanika ova formula je neprimjenjiva, budući da su polumjer i brzina nesigurni (vidi "Odnos nesigurnosti"). Ali sama veličina kutnog momenta postoji. Kako to definirati? Iz kvantnomehaničke teorije atoma vodika slijedi da modul kutnog momenta elektrona može poprimiti sljedeće diskretne vrijednosti:

gdje je l takozvani orbitalni kvantni broj, l = 0, 1, 2, … n-1. Dakle, kutni moment elektrona, kao i energija, je kvantiziran, t.j. uzima diskretne vrijednosti. Imajte na umu da za velike vrijednosti kvantni broj l (l >>1) jednadžba (40) će poprimiti oblik . Ovo nije ništa drugo nego jedan od postulata N. Bohra.

Iz kvantnomehaničke teorije atoma vodika slijedi još jedna važan zaključak: projekcija kutnog momenta elektrona na neki zadani smjer u prostoru z (na primjer, smjer linije sile magnetsko ili električno polje) se također kvantizira prema pravilu:

gdje je m = 0, ± 1, ± 2, …± l takozvani magnetski kvantni broj.

Elektron koji se kreće oko jezgre je elementarna kružna električna struja. Ova struja odgovara magnetskom momentu pm. Očito, on je proporcionalan mehaničkom kutnom momentu L. Omjer magnetskog momenta pm elektrona i mehaničkog kutnog momenta L naziva se žiromagnetski omjer. Za elektron u atomu vodika

znak minus označava da su vektori magnetskog i mehaničkog momenta usmjereni u suprotnim smjerovima). Odavde možete pronaći takozvani orbitalni magnetski moment elektrona:

hidromagnetski odnos.

Ulaznica 8.

Atom u vanjskom magnetskom polju. Precesija ravnine orbite elektrona u atomu.

Kada se atom uvede u magnetsko polje indukcijom, na elektron koji se kreće u orbiti koja je ekvivalentna zatvorenom krugu sa strujom djeluje moment sila:

Vektor orbitalnog magnetskog momenta elektrona mijenja se na sličan način:

,

(6.2.3)

Iz ovoga slijedi da su vektori i , i sama orbita precese oko smjera vektora . Na slici 6.2 prikazano je precesijsko gibanje elektrona i njegov orbitalni magnetski moment, kao i dodatno (precesijsko) gibanje elektrona.

Ova precesija se zove Larmorova precesija . Kutna brzina ove precesije ovisi samo o indukciji magnetskog polja i podudara se s njom u smjeru.

,

(6.2.4)

Inducirani orbitalni magnetski moment.

Larmorov teorem:jedini rezultat utjecaja magnetskog polja na orbitu elektrona u atomu je precesija orbite i vektora - orbitalni magnetski moment elektrona s kutnom brzinom oko osi koja prolazi kroz jezgru atoma paralelno s vektorom indukcije magnetskog polja.

Precesija orbite elektrona u atomu dovodi do pojave dodatne orbitalne struje usmjerene suprotno struji ja:

gdje je površina projekcije orbite elektrona na ravninu okomitu na vektor. Znak minus kaže da je suprotan vektoru. Tada je ukupni orbitalni moment atoma:

,

dijamagnetski učinak.

Dijamagnetski učinak je učinak u kojem se komponente magnetskih polja atoma zbrajaju i tvore vlastito magnetsko polje tvari, što slabi vanjsko magnetsko polje.

Budući da je dijamagnetski učinak posljedica djelovanja vanjskog magnetskog polja na elektrone atoma tvari, dijamagnetizam je karakterističan za sve tvari.

Dijamagnetski učinak javlja se u svim tvarima, ali ako molekule tvari imaju svoje magnetske momente, koji su orijentirani u smjeru vanjskog magnetskog polja i pojačavaju ga, tada je dijamagnetski učinak blokiran jačim paramagnetskim efektom i tvar ispada da je paramagnet.

Dijamagnetski učinak javlja se u svim tvarima, ali ako molekule tvari imaju svoje magnetske momente, koji su orijentirani u smjeru vanjskog magnetskog polja i povećavaju erOj, tada se dijamagnetski učinak preklapa jačim paramagnetskim efektom i tvar ispada da je paramagnet.

Larmorov teorem.

Ako se atom stavi u vanjsko magnetsko polje s indukcijom (slika 12.1), tada će na elektron koji se kreće u orbiti djelovati rotacijski moment sila, nastojeći uspostaviti magnetski moment elektrona u smjeru magnetskog polja. linije (mehanički moment - protiv polja).

Ulaznica 9

9.Snažno magnetske tvari - feromagneti- tvari sa spontanom magnetizacijom, tj. magnetizirane su čak i u odsutnosti vanjskog magnetskog polja. Uz svog glavnog predstavnika, željeza, feromagneti uključuju, na primjer, kobalt, nikal, gadolinij, njihove legure i spojeve.

Za feromagnete, ovisnost J iz H prilično komplicirano. Dok se dižete H magnetizacija J prvo brzo raste, zatim sporije, i na kraju, tzv magnetsko zasićenjeJ nas, više ne ovisi o snazi ​​polja.

Magnetska indukcija U=m 0 ( H+J) u slabim poljima brzo raste s povećanjem H zbog povećanog J, ali u jakim poljima, budući da je drugi član konstantan ( J=J NAS), U raste s povećanjem H prema linearnom zakonu.

Bitna karakteristika feromagneta nisu samo velike vrijednosti m (na primjer, za željezo - 5000), već i ovisnost m o H. U početku, m raste s povećanjem H, zatim, dosegnuvši maksimum, počinje opadati, težeći 1 u slučaju jakih polja (m= B/(m 0 H)= 1+J/N, pa kad J=J us =konst s rastom H stav J/H->0, i m.->1).

Značajka feromagneti također se sastoji u činjenici da za njih ovisnost J iz H(i shodno tome, i B iz H) određena je prapoviješću magnetizacije feromagneta. Ovaj fenomen je dobio ime magnetska histereza. Ako magnetizirate feromagnet do zasićenja (točka 1 , riža. 195), a zatim počnite smanjivati ​​napetost H magnetizirajuće polje, zatim, kako iskustvo pokazuje, smanjenje J opisan krivuljom 1 -2, iznad krivulje 1 -0. Na H=0 J različito od nule, tj. promatrano u feromagnetu zaostala magnetizacijaJoc. Prisutnost preostale magnetizacije povezana je s postojanjem trajni magneti. Pod djelovanjem polja magnetizacija nestaje H C , koji ima smjer suprotan od polja koje je uzrokovalo magnetizaciju.

napetost H C pozvao prisilna sila.

S daljnjim povećanjem suprotnog polja, feromagnet se remagnetizira (krivulja 3-4), a kod H=-H dolazimo do zasićenja (točka 4). Tada se feromagnet može ponovno demagnetizirati (krivulja 4-5 -6) i remagnetizirati do zasićenja (krivulja 6- 1 ).

Dakle, pod djelovanjem izmjeničnog magnetskog polja na feromagnet, magnetizacija J se mijenja u skladu s krivuljom 1 -2-3-4-5-6-1, koji se zove histerezna petlja. Histereza dovodi do činjenice da magnetizacija feromagneta nije jednovrijedna funkcija H, tj. iste vrijednosti H odgovara više vrijednosti J.

Različiti feromagneti daju različite histerezne petlje. feromagneti s malom (u rasponu od nekoliko tisućinki do 1-2 A/cm) prisilnom silom H C(s uskom histerezisnom petljom) nazivaju se mekano, s velikom (od nekoliko desetaka do nekoliko tisuća ampera po centimetru) prisilnom silom (sa širokom petljom histereze) - tvrd. Količine H C, J oc i m max određuju primjenjivost feromagneta u različite praktične svrhe. Dakle, tvrdi se feromagneti (na primjer, ugljični i volfram čelici) koriste za izradu trajnih magneta, a meki (na primjer, meko željezo, legura željeza i nikla) ​​koriste se za izradu jezgri transformatora.

Feromagneti imaju još jednu bitnu osobinu: za svaki feromagnet postoji određena temperatura, tzv Curie točka, pri čemu gubi svoja magnetska svojstva. Kada se uzorak zagrije iznad Curiejeve točke, feromagnet se pretvara u obični paramagnet.

Proces magnetizacije feromagneta popraćen je promjenom njegovih linearnih dimenzija i volumena. Ovaj fenomen je dobio ime magnetostrikcija.

Priroda feromagnetizma. Prema Weissovim idejama, feromagneti na temperaturama ispod Curiejeve točke imaju spontanu magnetizaciju, bez obzira na prisutnost vanjskog magnetizirajućeg polja. Spontana magnetizacija je, međutim, u očitoj suprotnosti s činjenicom da mnogi feromagnetski materijali, čak i na temperaturama ispod Curiejeve točke, nisu magnetizirani. Da bi uklonio ovu kontradikciju, Weiss je uveo hipotezu da se feromagnet ispod Curiejeve točke dijeli na veliki broj mala makroskopska područja - domene, spontano magnetiziran do zasićenja.

U nedostatku vanjskog magnetskog polja, magnetski momenti pojedinih domena su nasumično orijentirani i međusobno se kompenziraju, tako da rezultirajući magnetski moment feromagneta nula a feromagnet nije magnetiziran. Vanjsko magnetsko polje orijentira uz polje magnetske momente ne pojedinačnih atoma, kao što je slučaj u paramagnetima, već čitavih područja spontane magnetizacije. Stoga, s rastom H magnetizacija J i magnetska indukcija U već u prilično slabim poljima rastu vrlo brzo. To također objašnjava povećanje m feromagneti do maksimalne vrijednosti u slabim poljima. Eksperimenti su pokazali da ovisnost B o R nije tako glatka kao što je prikazano na Sl. 193, ali ima stepenasti pogled. To ukazuje da se unutar feromagneta domene okreću skokom preko polja.

Kada je vanjsko magnetsko polje oslabljeno na nulu, feromagneti zadržavaju preostalu magnetizaciju, budući da toplinsko gibanje nije u stanju brzo dezorijentirati magnetske momente tako velikih formacija kao što su domene. Stoga se opaža pojava magnetske histereze (slika 195). Kako bi se demagnetizirao feromagnet, mora se primijeniti prisilna sila; tresenje i zagrijavanje feromagneta također doprinose demagnetizaciji. Pokazalo se da je Curiejeva točka temperatura iznad koje dolazi do uništenja strukture domene.

Eksperimentalno je dokazano postojanje domena u feromagnetima. Izravna eksperimentalna metoda za njihovo promatranje je metoda puderaste figure. Vodena suspenzija finog feromagnetskog praha (na primjer, magnetita) nanosi se na pažljivo poliranu površinu feromagneta. Čestice se talože uglavnom na mjestima maksimalne nehomogenosti magnetskog polja, tj. na granicama između domena. Stoga taloženi prah ocrtava granice domena, a slična slika se može fotografirati pod mikroskopom. Linearne dimenzije domene bile su jednake 10 -4 -10 -2 cm.

Princip rada transformatora, koji se koristi za povećanje ili smanjenje napona izmjenične struje, temelji se na fenomenu međusobne indukcije.

Primarni i sekundarni zavojnice (namoti), respektivno n 1 I N 2 zavoja, montirana na zatvorenu željeznu jezgru. Budući da su krajevi primarnog namota spojeni na izvor izmjeničnog napona s emf. ξ 1 , onda nastaje naizmjenična struja ja 1 , stvarajući izmjenični magnetski tok F u jezgri transformatora, koji je gotovo potpuno lokaliziran u željeznoj jezgri i stoga gotovo potpuno prodire u zavoje sekundarnog namota. Promjena ovog toka uzrokuje pojavu emf u sekundarnom namotu. međusobna indukcija, au primarnom - emf. samoindukcija.

Trenutno ja 1 primarni namot određuje se prema Ohmovom zakonu: gdje R 1 je otpor primarnog namota. Pad napona ja 1 R 1 na otpor R 1 za polja koja se brzo mijenjaju mala je u usporedbi sa svakim od dva emfs, dakle . emf međusobna indukcija koja se javlja u sekundarnom namotu,

Shvaćamo to emf, koji nastaje u sekundarnom namotu, gdje znak minus pokazuje da je emf. u primarnom i sekundarnom namotu su suprotne faze.

Omjer broja zavoja N 2 /N 1 , pokazujući koliko je puta emf. više (ili manje) u sekundarnom namotu transformatora nego u primarnom naziva se omjer transformacije.

Zanemarujući gubitke energije, koji u modernim transformatorima ne prelaze 2% i uglavnom su povezani s oslobađanjem Joule topline u namotima i pojavom vrtložnih struja, te primjenom zakona o očuvanju energije, možemo zapisati da strujne snage u oba transformatora namoti su gotovo isti: ξ 2 ja 2 »ξ 1 ja 1 , naći ξ 2 /ξ 1 = ja 1 /ja 2 = N 2 /N 1, tj. struje u namotima su obrnuto proporcionalne broju zavoja u tim namotima.

Ako N 2 /N 1 >1, onda imamo posla pojačani transformator, povećanje varijable emf. i snižavanje struje (koristi se, na primjer, za prijenos električne energije na velike udaljenosti, budući da se u tom slučaju smanjuju gubici Joule topline, proporcionalni kvadratu jakosti struje); ako N 2 /N 1 <1, onda imamo posla s niži transformator, smanjenje emf. i povećanje struje (koristi se, na primjer, u električnom zavarivanju, jer zahtijeva veliku struju pri niskom naponu).

Transformator s jednim namotom naziva se autotransformator. U slučaju pojačanog autotransformatora, e.m.f. napaja se dio namota, a sekundarni emf. skinut sa cijelog namota. U padajućem autotransformatoru mrežni napon se primjenjuje na cijeli namot, a sekundarni emf. skinut s namota.

11. Harmonijska fluktuacija - pojava periodične promjene veličine, u kojoj ovisnost o argumentu ima karakter sinusne ili kosinusne funkcije. Na primjer, količina koja varira u vremenu na sljedeći način harmonično fluktuira:

Ili, gdje je x vrijednost promjenjive veličine, t je vrijeme, preostali parametri su konstantni: A je amplituda oscilacija, ω je ciklička frekvencija oscilacija, je puna faza oscilacija, je početna faza oscilacija. Generalizirano harmonijsko titranje u diferencijalnom obliku

Vrste vibracija:

Slobodne oscilacije nastaju pod djelovanjem unutarnjih sila sustava nakon što je sustav izvučen iz ravnoteže. Da bi slobodne oscilacije bile harmonične, potrebno je da oscilatorni sustav bude linearan (opisan linearnim jednadžbama gibanja), te da u njemu ne bi trebalo biti disipacije energije (potonje bi uzrokovalo prigušenje).

Prisilne oscilacije izvode se pod utjecajem vanjske periodične sile. Da bi bili harmonični, dovoljno je da oscilatorni sustav bude linearan (opisan linearnim jednadžbama gibanja), a sama vanjska sila se mijenja tijekom vremena kao harmonijska oscilacija (odnosno da je vremenska ovisnost ove sile sinusoidna) .

Mehaničko harmonijsko titranje je pravocrtno nejednoliko gibanje u kojem se koordinate tijela koje oscilira (materijalne točke) mijenjaju prema kosinusnom ili sinusnom zakonu ovisno o vremenu.

Prema ovoj definiciji, zakon promjene koordinata ovisno o vremenu ima oblik:

gdje je wt vrijednost ispod predznaka kosinusa ili sinusa; w je koeficijent čije će fizičko značenje biti otkriveno u nastavku; A je amplituda mehaničkih harmonijskih oscilacija. Jednadžbe (4.1) su glavne kinematičke jednadžbe mehaničkih harmonijskih vibracija.

Periodične promjene intenziteta E i indukcije B nazivaju se elektromagnetske oscilacije.Elektromagnetske oscilacije su radio valovi, mikrovalovi, infracrveno zračenje, vidljivo svjetlo, ultraljubičasto zračenje, x-zrake, gama-zrake.

Izvođenje formule

Elektromagnetski valovi kao univerzalni fenomen bili su predviđeni klasičnim zakonima elektriciteta i magnetizma, poznatim kao Maxwellove jednadžbe. Ako pomno pogledate Maxwellovu jednadžbu u nedostatku izvora (naboja ili struje), otkrit ćete da uz mogućnost da se ništa neće dogoditi, teorija također dopušta netrivijalna rješenja za promjenu električnih i magnetskih polja. Počnimo s Maxwellovim jednadžbama za vakuum:

gdje je vektorski diferencijalni operator (nabla)

Jedno od rješenja je najjednostavnije.

Da bismo pronašli drugo, zanimljivije rješenje, koristimo vektorski identitet, koji vrijedi za bilo koji vektor, u obliku:

Da vidimo kako ga možemo koristiti, uzmimo operaciju vrtloga iz izraza (2):

Lijeva strana je ekvivalentna:

gdje pojednostavljujemo korištenjem gornje jednadžbe (1).

Desna strana je ekvivalentna:

Jednadžbe (6) i (7) su jednake, tako da rezultiraju diferencijalnom jednadžbom vektorske vrijednosti za električno polje, tj.

Primjena sličnih početnih rezultata u sličnoj diferencijalnoj jednadžbi za magnetsko polje:

Ove diferencijalne jednadžbe su ekvivalentne valnoj jednadžbi:

gdje je c0 brzina vala u vakuumu; f opisuje pomak.

Ili još jednostavnije: gdje je d'Alembertov operator:

Imajte na umu da je u slučaju električnih i magnetskih polja brzina:

Diferencijalna jednadžba harmonijskih oscilacija materijalne točke , ili , gdje je m masa točke; k - koeficijent kvazielastične sile (k=tω2).

Harmonični oscilator u kvantnoj mehanici je kvantni analog jednostavnog harmonijskog oscilatora, pri čemu se ne razmatraju sile koje djeluju na česticu, već Hamiltonian, odnosno ukupna energija harmonijskog oscilatora, a potencijalna energija se pretpostavlja kvadratno ovisno o koordinatama. Uzimanje u obzir sljedećih pojmova u širenju potencijalne energije u odnosu na koordinatu dovodi do koncepta anharmoničkog oscilatora

Harmonični oscilator (u klasičnoj mehanici) je sustav koji, kada se pomakne iz ravnotežnog položaja, doživljava povratnu silu F proporcionalnu pomaku x (prema Hookeovom zakonu):

gdje je k pozitivna konstanta koja opisuje krutost sustava.

Hamiltonijan kvantnog oscilatora mase m, čija je prirodna frekvencija ω, izgleda ovako:

U koordinatnom prikazu , . Problem nalaženja energetskih razina harmonijskog oscilatora svodi se na pronalaženje takvih brojeva E za koje sljedeća parcijalna diferencijalna jednadžba ima rješenje u klasi kvadratno integrabilnih funkcija.

Anharmonički oscilator podrazumijeva se kao oscilator s nekvadratnom ovisnošću potencijalne energije o koordinati. Najjednostavnija aproksimacija anharmoničkog oscilatora je aproksimacija potencijalne energije do trećeg člana u Taylorovom nizu:

12. Opružno njihalo - mehanički sustav koji se sastoji od opruge s koeficijentom elastičnosti (krutosti) k (Hookeov zakon), čiji je jedan kraj kruto učvršćen, a na drugom je opterećenje mase m.

Kada na masivno tijelo djeluje elastična sila, vraćajući ga u ravnotežni položaj, ono oscilira oko tog položaja.Takvo tijelo nazivamo opružno njihalo. Vibracije su uzrokovane vanjskom silom. Oscilacije koje se nastavljaju nakon što je vanjska sila prestala djelovati nazivaju se slobodnim oscilacijama. Oscilacije uzrokovane djelovanjem vanjske sile nazivaju se prisilne. U ovom slučaju, sama sila naziva se uvjerljivom.

U najjednostavnijem slučaju, opružno njihalo je kruto tijelo koje se kreće duž vodoravne ravnine, pričvršćeno na zid oprugom.

Drugi Newtonov zakon za takav sustav u odsustvu vanjskih sila i sila trenja ima oblik:

Ako je sustav pod utjecajem vanjskih sila, tada će se jednadžba osciliranja prepisati na sljedeći način:

Gdje je f(x) rezultanta vanjskih sila u odnosu na jediničnu masu tereta.

U slučaju slabljenja proporcionalnog brzini oscilacija s koeficijentom c:

Period proljetnog njihala:

Matematičko njihalo je oscilator, koji je mehanički sustav koji se sastoji od materijalne točke smještene na bestežinskoj nerastezljivoj niti ili na bestežinskom štapu u jednoličnom polju gravitacijskih sila. Period malih prirodnih titranja matematičkog njihala duljine l, nepomično suspendiranog u jednoličnom gravitacijskom polju s ubrzanjem slobodnog pada g, jednako je i ne ovisi o amplitudi i masi njihala.

Diferencijalna jednadžba opružnog njihala x=Asos (wot+jo).

Jednadžba njihala

Oscilacije matematičkog njihala opisuju se običnom diferencijalnom jednadžbom oblika

gdje je w pozitivna konstanta određena isključivo iz parametara njihala. nepoznata funkcija; x(t) je kut odstupanja njihala u trenutku od donjeg ravnotežnog položaja, izražen u radijanima; , gdje je L duljina ovjesa, g je ubrzanje slobodnog pada. Jednadžba za male oscilacije njihala u blizini donjeg položaja ravnoteže (tzv. harmonijska jednadžba) ima oblik:

Njihalo koje stvara male oscilacije kreće se po sinusoidi. Budući da je jednadžba gibanja obična DE drugog reda, za određivanje zakona gibanja njihala potrebno je postaviti dva početna uvjeta - koordinatu i brzinu, iz kojih se određuju dvije nezavisne konstante:

gdje je A amplituda titranja njihala, početna faza titranja, w je ciklička frekvencija koja se određuje iz jednadžbe gibanja. Gibanje njihala naziva se harmonijsko titranje.

Fizičko njihalo je oscilator, koji je kruto tijelo koje oscilira u polju bilo koje sile oko točke koja nije središte mase ovog tijela, ili nepokretne osi okomite na smjer sila i koja ne prolazi kroz centar mase ovog tijela.

Moment inercije oko osi koja prolazi kroz točku ovjesa:

Zanemarujući otpor medija, diferencijalna jednadžba za oscilacije fizičkog njihala u polju gravitacije zapisuje se na sljedeći način:

Smanjena duljina uvjetna je karakteristika fizičkog njihala. Brojčano je jednaka duljini matematičkog njihala, čiji je period jednak razdoblju zadanog fizičkog njihala. Smanjena duljina se izračunava na sljedeći način:

gdje je I moment inercije oko točke ovjesa, m je masa, a je udaljenost od točke ovjesa do središta mase.

Oscilatorni krug je oscilator, koji je električni krug koji sadrži spojeni induktor i kondenzator. U takvom krugu mogu se pobuđivati ​​strujne (i naponske) oscilacije.Ocilatorni krug je najjednostavniji sustav u kojem se mogu javiti slobodne elektromagnetske oscilacije.

rezonantna frekvencija kruga određena je takozvanom Thomsonovom formulom:

Paralelni titrajni krug

Neka je kondenzator kapaciteta C napunjen na napon. Energija pohranjena u kondenzatoru je

Magnetska energija koncentrirana u zavojnici je maksimalna i jednaka

Gdje je L induktivnost zavojnice, maksimalna vrijednost struje.

Energija harmonijskih vibracija

Tijekom mehaničkih vibracija, oscilirajuće tijelo (ili materijalna točka) ima kinetičku i potencijalnu energiju. Kinetička energija tijela W:

Ukupna energija u krugu:

Elektromagnetski valovi nose energiju. Kada se valovi šire, nastaje tok elektromagnetske energije. Ako izdvojimo područje S, orijentirano okomito na smjer širenja vala, tada će za kratko vrijeme Δt kroz područje protjecati energija ΔWem, jednaka ΔWem = (we + wm)υSΔt

13. Zbrajanje harmonijskih oscilacija istog smjera i iste frekvencije

Tijelo koje oscilira može sudjelovati u nekoliko oscilatornih procesa, tada treba pronaći rezultirajuću oscilaciju, drugim riječima, oscilacije se moraju zbrojiti. U ovom dijelu ćemo dodati harmonijske oscilacije istog smjera i iste frekvencije

metodom rotirajućih amplitudnih vektora grafički konstruiramo vektorske dijagrame ovih oscilacija (slika 1). Porez kako se vektori A1 i A2 rotiraju istom kutnom brzinom ω0, tada će fazna razlika (φ2 - φ1) između njih ostati konstantna. Dakle, jednadžba rezultirajuće oscilacije bit će (1)

U formuli (1) amplituda A i početna faza φ određuju se izrazima

To znači da tijelo, sudjelujući u dvjema harmonijskim titranjima istog smjera i iste frekvencije, vrši i harmonijsko titranje u istom smjeru i s istom frekvencijom kao i zbrojene titranje. Amplituda rezultirajuće oscilacije ovisi o razlici faza (φ2 - φ1) dodanih oscilacija.

Zbrajanje harmonijskih oscilacija istog smjera sa bliskim frekvencijama

Neka su amplitude dodanih oscilacija jednake A, a frekvencije jednake ω i ω + Δω, i Δω<<ω. Выберем начало отсчета так, чтобы начальные фазы обоих колебаний были равны нулю:

Zbrajanjem ovih izraza i uzimajući u obzir da je u drugom faktoru Δω/2<<ω, получим

Periodične promjene amplitude oscilacija koje nastaju kada se zbroje dvije harmonijske oscilacije istog smjera s bliskim frekvencijama nazivaju se otkucaji.

Otkucaji proizlaze iz činjenice da jedan od dva signala konstantno zaostaje za drugim u fazi, a u onim trenucima kada se oscilacije javljaju u fazi, ukupni signal se pojačava, a u onim trenucima kada su dva signala izvan faze, oni poništavaju jedno drugo. Ti se trenuci povremeno mijenjaju kako se zaostatak povećava.

Grafikon oscilacija otkucaja

Nađimo rezultat zbrajanja dvaju harmonijskih oscilacija iste frekvencije ω, koje se javljaju u međusobno okomitim smjerovima duž osi x i y. Radi jednostavnosti odabiremo ishodište reference tako da početna faza prve oscilacije bude jednaka nuli i zapisujemo je u obliku (1)

gdje je α fazna razlika obiju oscilacija, A i B jednaki su amplitudama dodanih oscilacija. Jednadžba putanje rezultirajuće oscilacije odredit će se isključivanjem vremena t iz formule (1). Zapisujući zbrojene oscilacije kao

i zamjenjujući u drugoj jednadžbi s i po , nalazimo, nakon jednostavnih transformacija, jednadžbu elipse čije su osi proizvoljno orijentirane u odnosu na koordinatne osi: (2)

Budući da putanja rezultirajućeg titranja ima oblik elipse, takve se oscilacije nazivaju eliptično polarizirane.

Dimenzije osi elipse i njezina orijentacija ovise o amplitudama dodanih oscilacija i razlici faza α. Razmotrimo neke posebne slučajeve koji su nam fizički zanimljivi:

1) α = mπ (m=0, ±1, ±2, ...). U tom slučaju elipsa postaje ravni segment (3)

gdje znak plus odgovara nultim i parnim vrijednostima m (slika 1a), a znak minus odgovara neparnim vrijednostima m (slika 2b). Rezultirajuća oscilacija je harmonijska oscilacija s frekvencijom ω i amplitudom, koja se javlja duž ravne crte (3), stvarajući kut s osi x. U ovom slučaju imamo posla s linearno polariziranim oscilacijama;

2) α = (2m+1)(π/2) (m=0, ± 1, ±2,...). U ovom slučaju, jednadžba će izgledati ovako

Lissajousovi likovi su zatvorene putanje nacrtane točkom koja istovremeno vrši dvije harmonijske oscilacije u dva međusobno okomita smjera. Prvi ga je proučavao francuski znanstvenik Jules Antoine Lissajous. Oblik figura ovisi o odnosu između razdoblja (frekvencija), faza i amplituda obiju oscilacija. U najjednostavnijem slučaju jednakosti oba razdoblja, figure su elipse, koje se s faznom razlikom od 0 ili degeneriraju u segmente, a s faznom razlikom od P / 2 i jednakošću amplituda, pretvaraju u krug. Ako se razdoblja obiju oscilacija ne podudaraju točno, tada se fazna razlika cijelo vrijeme mijenja, zbog čega je elipsa cijelo vrijeme deformirana. Lissajousove brojke se ne promatraju za bitno različita razdoblja. Međutim, ako su periodi povezani kao cijeli brojevi, tada se nakon vremenskog intervala jednakog najmanjem višekratniku obiju razdoblja, pokretna točka ponovno vraća u isti položaj - dobivaju se Lissajousovi figure složenijeg oblika. Lissajousovi likovi upisani su u pravokutnik čije se središte poklapa s ishodištem koordinata, a stranice su paralelne s koordinatnim osi i smještene s obje njihove strane na udaljenostima jednakim amplitudama titranja.

gdje A, B - amplitude oscilacija, a, b - frekvencije, δ - fazni pomak

14. Prigušene oscilacije nastaju u zatvorenom mehaničkom sustavu

U kojoj dolazi do gubitaka energije za prevladavanje sila

otpor (β ≠ 0) ili u zatvorenom oscilatornom krugu, u

gdje prisutnost otpora R dovodi do gubitka energije vibracija na

zagrijavanje vodiča (β ≠ 0).

U ovom slučaju, opća diferencijalna jednadžba osciliranja (5.1)

poprima oblik: x′′ + 2βx′ + ω0 x = 0 .

Logaritamski dekrement prigušenja χ fizička je veličina recipročna broju oscilacija nakon kojih se amplituda A smanjuje za faktor e.

APERIODIČKI PROCES-prolazni proces u dinamici. sustav, za koji izlazna vrijednost, koja karakterizira prijelaz sustava iz jednog stanja u drugo, ili monotono teži stabilnoj vrijednosti, ili ima jedan ekstrem (vidi sliku). Teoretski, može trajati beskonačno dugo. A. p. odvijaju se, na primjer, u automatskim sustavima. upravljanje.

Grafovi aperiodičnih procesa promjene parametra x(t) sustava u vremenu: xust - stabilna (granična) vrijednost parametra

Najmanji aktivni otpor kruga, pri kojem je proces aperiodičan, naziva se kritični otpor

To je također takav otpor pri kojem se u strujnom krugu ostvaruje način slobodnih neprigušenih oscilacija.

15. Oscilacije koje nastaju pod djelovanjem vanjske periodično promjenjive sile ili vanjske periodično promjenjive emf nazivaju se prisilne mehaničke, odnosno prisilne elektromagnetske oscilacije.

Diferencijalna jednadžba će imati sljedeći oblik:

q′′ + 2βq′ + ω0 q = cos(ωt) .

Rezonancija (fr. resonance, od lat. resono - odgovaram) je pojava naglog povećanja amplitude prisilnih oscilacija, koja nastaje kada se frekvencija vanjskog utjecaja približi određenim vrijednostima (rezonantnim frekvencijama) određenim svojstvima sustava. Povećanje amplitude samo je posljedica rezonancije, a razlog je podudarnost vanjske (uzbudljive) frekvencije s unutarnjom (prirodnom) frekvencijom oscilatornog sustava. Uz pomoć fenomena rezonancije mogu se izolirati i/ili pojačati čak i vrlo slabe periodične oscilacije. Rezonancija je pojava da pri određenoj frekvenciji pokretačke sile oscilatorni sustav posebno reagira na djelovanje te sile. Stupanj odziva u teoriji oscilacija opisuje se veličinom koja se naziva faktor kvalitete. Fenomen rezonancije prvi je opisao Galileo Galilei 1602. godine u djelima posvećenim proučavanju njihala i glazbenih žica.

Mehanički rezonantni sustav najpoznatiji većini ljudi je uobičajeno ljuljanje. Gurnete li zamah prema njegovoj rezonantnoj frekvenciji, raspon kretanja će se povećati, inače će gibanje izumrijeti. Rezonantna frekvencija takvog njihala s dovoljnom točnošću u području malih pomaka iz ravnotežnog stanja može se pronaći formulom:

gdje je g ubrzanje slobodnog pada (9,8 m/s² za Zemljinu površinu), a L je duljina od točke ovjesa njihala do njegova središta mase. (Preciznija formula je prilično komplicirana i uključuje eliptički integral). Važno je da rezonantna frekvencija ne ovisi o masi njihala. Također je važno da visak ne možete zamahnuti na više frekvencija (viši harmonici), ali to se može učiniti na frekvencijama jednakim dijelovima temeljnih (niži harmonici).

Amplituda i faza prisilnih oscilacija.

Razmotrimo ovisnost amplitude A prisilnih oscilacija o frekvenciji ω (8.1)

Iz formule (8.1) proizlazi da amplituda pomaka A ima maksimum. Za određivanje rezonantne frekvencije ωres - frekvencije na kojoj amplituda pomaka A doseže svoj maksimum - potrebno je pronaći maksimum funkcije (1), ili, što je isto, minimum radikalnog izraza. Diferencirajući radikalni izraz s obzirom na ω i izjednačavajući ga s nulom, dobivamo uvjet koji određuje ωres:

Ova jednakost vrijedi za ω=0, ± , za koje samo pozitivna vrijednost ima fizičko značenje. Dakle, rezonantna frekvencija (8.2)

Fenomen elektromagnetske indukcije prvenstveno se koristi za pretvaranje mehaničke energije u energiju električne struje. U tu svrhu prijavite se alternatori(indukcijski generatori). Najjednostavniji generator izmjenične struje je žičani okvir koji se jednoliko okreće kutnom brzinom w= konst u jednoličnom magnetskom polju s indukcijom U(slika 4.5). Tok magnetske indukcije koji prodire u okvir s površinom S, jednako je

Uz jednoliku rotaciju okvira, kut rotacije , gdje je frekvencija rotacije. Zatim

Prema zakonu elektromagnetske indukcije, EMF inducirana u okviru pri
njena rotacija,

Ako je opterećenje (potrošač električne energije) spojeno na stezaljke okvira pomoću uređaja s kontaktom četkom, tada će kroz njega teći izmjenična struja.

Za industrijsku proizvodnju električne energije u elektranama se koriste sinkroni generatori(turbo generatori, ako je stanica toplinska ili nuklearna, i hidrogeneratori, ako je stanica hidraulična). Stacionarni dio sinkronog generatora naziva se stator, i rotirajući - rotor(slika 4.6). Rotor generatora ima istosmjerni namot (uzbudni namot) i snažan je elektromagnet. DC struja primijenjena na
uzbudni namotaj kroz aparat za kontakt s četkicom, magnetizira rotor i u tom slučaju nastaje elektromagnet sa sjevernim i južnim polom.

Na statoru generatora nalaze se tri namota izmjenične struje, koji su jedan u odnosu na drugi pomaknuti za 120 0 i međusobno su povezani prema određenom sklopnom krugu.

Kada se pobuđeni rotor okreće uz pomoć parne ili hidraulične turbine, njegovi polovi prolaze ispod namota statora i u njima se inducira elektromotorna sila koja se mijenja prema harmonijskom zakonu. Nadalje, generator je, prema određenoj shemi električne mreže, spojen na čvorove potrošnje električne energije.

Prebacujete li električnu energiju od generatora stanica do potrošača putem dalekovoda izravno (na naponu generatora, koji je relativno mali), tada će nastati veliki gubici energije i napona u mreži (obratite pozornost na omjere , ). Stoga je za ekonomičan transport električne energije potrebno smanjiti snagu struje. Međutim, budući da prenesena snaga ostaje nepromijenjena, napon mora
povećati za isti faktor kako se struja smanjuje.

Kod potrošača električne energije, zauzvrat, napon se mora smanjiti na potrebnu razinu. Zovu se električni uređaji u kojima je napon povećan ili smanjen za određeni broj puta transformatori. Rad transformatora također se temelji na zakonu elektromagnetske indukcije.

Razmotrite princip rada transformatora s dva namota (slika 4.7). Kada izmjenična struja prolazi kroz primarni namot, oko njega nastaje izmjenično magnetsko polje s indukcijom U, čiji je protok također promjenjiv

Jezgra transformatora služi za usmjeravanje magnetskog toka (magnetski otpor zraka je velik). Promjenjivi magnetski tok, koji se zatvara duž jezgre, inducira promjenjivi EMF u svakom od namota:

U snažnim transformatorima otpori zavojnica su vrlo mali,
stoga su naponi na stezaljkama primarnog i sekundarnog namota približno jednaki EMF-u:

gdje k- omjer transformacije. Na k<1 () transformator je podizanje, u k>1 () transformator je snižavanje.

Kada je spojen na sekundarni namot transformatora opterećenja, struja će teći u njemu. Uz povećanje potrošnje električne energije prema zakonu
uštede energije, energija koju daju generatori stanice trebala bi se povećati, tj

To znači da povećanjem napona transformatorom
u k puta, moguće je smanjiti jačinu struje u krugu za isti iznos (u ovom slučaju gubici Joulea se smanjuju za k 2 puta).

Tema 17. Osnove Maxwellove teorije za elektromagnetsko polje. Elektromagnetski valovi

U 60-im godinama. 19. stoljeća Engleski znanstvenik J. Maxwell (1831-1879) sažeo je eksperimentalno utvrđene zakone električnog i magnetskog polja i stvorio potpunu jedinstvenu teorija elektromagnetskog polja. Omogućuje vam da odlučite glavni zadatak elektrodinamike: pronaći karakteristike elektromagnetskog polja zadanog sustava električnih naboja i struja.

Maxwell je to pretpostavio svako izmjenično magnetsko polje pobuđuje vrtložno električno polje u okolnom prostoru, čije je kruženje uzrok emf elektromagnetske indukcije u krugu:

(5.1)

Jednadžba (5.1) se zove Maxwellova druga jednadžba. Značenje ove jednadžbe je da promjenjivo magnetsko polje stvara vrtložno električno polje, a potonje, zauzvrat, uzrokuje promjenjivo magnetsko polje u okolnom dielektriku ili vakuumu. Budući da magnetsko polje stvara električna struja, onda, prema Maxwellu, vrtložno električno polje treba smatrati određenom strujom,
koji teče i u dielektriku i u vakuumu. Maxwell je ovu struju nazvao struja pristranosti.

Struja pomaka, kako slijedi iz Maxwellove teorije
i Eichenwaldovim pokusima, stvara isto magnetsko polje kao struja vodljivosti.

U svojoj teoriji, Maxwell je uveo koncept puna struja jednak zbroju
struje provođenja i pomaka. Dakle, ukupna gustoća struje

Prema Maxwellu, ukupna struja u krugu je uvijek zatvorena, odnosno prekida se samo struja vodljivosti na krajevima vodiča, a u dielektriku (vakumu) između krajeva vodiča postoji struja pomaka koja zatvara struja vodljivosti.

Uvodeći koncept ukupne struje, Maxwell je generalizirao teorem vektorske cirkulacije (ili ):

(5.6)

Jednadžba (5.6) se zove Maxwellova prva jednadžba u integralnom obliku. To je generalizirani zakon ukupne struje i izražava glavni stav elektromagnetske teorije: struje pomaka stvaraju ista magnetska polja kao i vodljive struje.

Jedinstvena makroskopska teorija elektromagnetskog polja koju je stvorio Maxwell omogućila je s jedinstvenog stajališta ne samo objašnjenje električnih i magnetskih pojava, već i predviđanje novih, čije je postojanje naknadno potvrđeno u praksi (npr. otkriće elektromagnetskih valova).

Sažimajući gore navedene odredbe, predstavljamo jednadžbe koje čine osnovu Maxwellove elektromagnetske teorije.

1. Teorem o kruženju vektora magnetskog polja:

Ova jednadžba pokazuje da se magnetska polja mogu stvoriti bilo pokretnim nabojima (električne struje) ili izmjeničnim električnim poljima.

2. Električno polje može biti i potencijalno () i vrtložno (), dakle ukupna jakost polja . Budući da je cirkulacija vektora jednaka nuli, tada je cirkulacija vektora ukupne jakosti električnog polja

Ova jednadžba pokazuje da izvori električnog polja mogu biti ne samo električni naboji, već i vremenski promjenjiva magnetska polja.

3. ,

gdje je volumna gustoća naboja unutar zatvorene površine; je specifična vodljivost tvari.

Za stacionarna polja ( E= konst , B= const) Maxwellove jednadžbe imaju oblik

odnosno izvori magnetskog polja u ovom slučaju su samo
struje vodljivosti, a izvori električnog polja su samo električni naboji. U ovom konkretnom slučaju, električno i magnetsko polje su neovisni jedno o drugom, što omogućuje odvojeno proučavanje trajna električna i magnetska polja.

Korištenje poznatog iz vektorske analize Stokes i Gauss teoremi, može se zamisliti kompletan sustav Maxwellovih jednadžbi u diferencijalnom obliku(karakteriziranje polja u svakoj točki u prostoru):

(5.7)

Očito, Maxwellove jednadžbe nije simetrično s obzirom na električna i magnetska polja. To je zbog činjenice da priroda
Ima električnih naboja, ali nema magnetskih naboja.

Maxwellove jednadžbe su najopćenitije jednadžbe za električnu energiju
i magnetska polja u medijima u mirovanju. Oni igraju istu ulogu u teoriji elektromagnetizma kao Newtonovi zakoni u mehanici.

elektromagnetski val naziva se izmjeničnim elektromagnetskim poljem koje se širi u prostoru konačnom brzinom.

Postojanje elektromagnetskih valova proizlazi iz Maxwellovih jednadžbi, formuliranih 1865. na temelju generalizacije empirijskih zakona električnih i magnetskih pojava. Elektromagnetski val nastaje zbog međusobnog povezivanja izmjeničnih električnih i magnetskih polja – promjena jednog polja dovodi do promjene drugog, odnosno što se indukcija magnetskog polja brže mijenja u vremenu, to je jačina električnog polja veća, a obratno. Dakle, za stvaranje intenzivnih elektromagnetskih valova potrebno je pobuditi elektromagnetske oscilacije dovoljno visoke frekvencije. Fazna brzina određuju se elektromagnetski valovi
električna i magnetska svojstva medija:

U vakuumu () brzina širenja elektromagnetskih valova podudara se sa brzinom svjetlosti; u materiji, dakle brzina širenja elektromagnetskih valova u tvari je uvijek manja nego u vakuumu.

Fenomen elektromagnetske indukcije je pojava koja se sastoji u nastanku elektromotorne sile ili napona u tijelu koje se nalazi u magnetskom polju koje se neprestano mijenja. Elektromotorna sila kao posljedica elektromagnetske indukcije također nastaje ako se tijelo kreće u statičkom i nehomogenom magnetskom polju ili rotira u magnetskom polju tako da se njegove linije koje sijeku zatvorenu konturu mijenjaju.

Inducirana električna struja

Pojam "indukcije" označava pojavu procesa kao rezultat utjecaja drugog procesa. Na primjer, električna struja može biti inducirana, odnosno može se pojaviti kao posljedica izlaganja vodiča magnetskom polju na poseban način. Takva električna struja naziva se inducirana. Uvjeti za nastanak električne struje kao rezultat fenomena elektromagnetske indukcije razmatraju se kasnije u članku.

Koncept magnetskog polja

Prije početka proučavanja fenomena elektromagnetske indukcije, potrebno je razumjeti što je magnetsko polje. Jednostavnim riječima, magnetsko polje je područje prostora u kojem magnetski materijal pokazuje svoje magnetske učinke i svojstva. Ovo područje prostora može se prikazati pomoću linija koje se nazivaju linijama magnetskog polja. Broj ovih linija predstavlja fizikalnu veličinu koja se naziva magnetski tok. Linije magnetskog polja su zatvorene, počinju na sjevernom polu magneta i završavaju na južnom.

Magnetno polje ima sposobnost djelovanja na sve materijale koji imaju magnetska svojstva, kao što su željezni vodiči električne struje. Ovo polje karakterizira magnetska indukcija, koja se označava B i mjeri se u teslama (T). Magnetska indukcija od 1 T je vrlo jako magnetsko polje koje djeluje silom od 1 newtona na točkasti naboj od 1 kulona, ​​koje leti okomito na linije magnetskog polja brzinom od 1 m/s, odnosno 1 T = 1 N * s / ( m * Cl).

Tko je otkrio fenomen elektromagnetske indukcije?

Početkom 30-ih godina 19. stoljeća otkrivena je elektromagnetska indukcija, na čijem principu se temelje mnogi moderni uređaji. Otkriće indukcije obično se pripisuje Michaelu Faradayu (datum otkrića - 29. kolovoza 1831.). Znanstvenik se temeljio na rezultatima eksperimenata danskog fizičara i kemičara Hansa Oersteda koji je otkrio da vodič kroz koji teče električna struja stvara oko sebe magnetsko polje, odnosno počinje pokazivati ​​magnetska svojstva.

Faraday je pak otkrio suprotno od fenomena koji je otkrio Oersted. Primijetio je da promjenjivo magnetsko polje, koje se može stvoriti promjenom parametara električne struje u vodiču, dovodi do pojave razlike potencijala na krajevima bilo kojeg strujnog vodiča. Ako su ti krajevi spojeni, na primjer, kroz električnu svjetiljku, tada će kroz takav krug teći električna struja.

Kao rezultat toga, Faraday je otkrio fizički proces, uslijed kojeg se u vodiču pojavljuje električna struja zbog promjene magnetskog polja, što je fenomen elektromagnetske indukcije. Istodobno, za stvaranje inducirane struje nije važno što se kreće: magnetsko polje ili samo po sebi može se lako pokazati ako se provede odgovarajući eksperiment na fenomenu elektromagnetske indukcije. Dakle, postavljajući magnet unutar metalne spirale, počinjemo ga pomicati. Ako spojite krajeve spirale kroz bilo koji indikator električne struje u krug, možete vidjeti pojavu struje. Sada biste trebali ostaviti magnet na miru i pomicati spiralu gore-dolje u odnosu na magnet. Indikator će također pokazati postojanje struje u krugu.

Faradayev eksperiment

Faradayevi pokusi sastojali su se od rada s vodičem i trajnim magnetom. Michael Faraday prvi je otkrio da kada se vodič kreće unutar magnetskog polja, na njegovim krajevima nastaje razlika potencijala. Pokretni vodič počinje prelaziti linije magnetskog polja, što simulira učinak promjene ovog polja.

Znanstvenik je otkrio da pozitivni i negativni predznaci nastale razlike potencijala ovise o smjeru u kojem se vodič kreće. Na primjer, ako je vodič podignut u magnetskom polju, tada će rezultirajuća razlika potencijala imati polaritet +-, ali ako se ovaj vodič spusti, tada ćemo već dobiti -+ polaritet. Te promjene predznaka potencijala, čija se razlika naziva elektromotorna sila (EMS), dovode do pojave izmjenične struje u zatvorenom krugu, odnosno struje koja stalno mijenja svoj smjer u suprotan.

Značajke elektromagnetske indukcije koje je otkrio Faraday

Znajući tko je otkrio fenomen elektromagnetske indukcije i zašto nastaje inducirana struja, objasnit ćemo neke od značajki ovog fenomena. Dakle, što brže pomičete vodič u magnetskom polju, to će biti veća vrijednost inducirane struje u krugu. Druga značajka fenomena je sljedeća: što je veća magnetska indukcija polja, odnosno što je ovo polje jače, to može stvoriti veću razliku potencijala pri pomicanju vodiča u polju. Ako vodič miruje u magnetskom polju, u njemu ne nastaje EMF, jer nema promjene u linijama magnetske indukcije koje prelaze vodič.

Smjer električne struje i pravilo lijeve ruke

Za određivanje smjera u vodiču električne struje koja nastaje kao rezultat fenomena elektromagnetske indukcije, možete koristiti takozvano pravilo lijeve ruke. Može se formulirati na sljedeći način: ako je lijeva ruka postavljena tako da linije magnetske indukcije, koje počinju na sjevernom polu magneta, ulaze u dlan, a izbočeni palac usmjeren je u smjeru kretanja vodiča u polju magneta, tada će preostala četiri prsta lijeve ruke pokazati smjer kretanja inducirane struje u vodiču.

Postoji još jedna verzija ovog pravila, a to je kako slijedi: ako je kažiprst lijeve ruke usmjeren duž linija magnetske indukcije, a izbočeni palac usmjeren je u smjeru vodiča, tada je srednji prst okrenut za 90 stupnjeva na dlan će pokazati smjer struje koja se pojavila u vodiču.

Fenomen samoindukcije

Hans Christian Oersted otkrio je postojanje magnetskog polja oko vodiča ili zavojnice kroz koju prolazi struja. Znanstvenik je također otkrio da su karakteristike ovog polja izravno povezane s jačinom struje i njezinim smjerom. Ako je struja u zavojnici ili vodiču promjenjiva, tada će generirati magnetsko polje koje neće biti stacionarno, odnosno mijenjat će se. Zauzvrat, ovo izmjenično polje će dovesti do pojave inducirane struje (fenomen elektromagnetske indukcije). Kretanje indukcijske struje uvijek će biti suprotno od izmjenične struje koja kruži vodičem, odnosno oduprijet će se svakoj promjeni smjera struje u vodiču ili zavojnici. Taj se proces naziva samoindukcija. Razlika u električnom potencijalu stvorena u ovom slučaju naziva se EMF samoindukcije.

Imajte na umu da se fenomen samoindukcije događa ne samo kada se promijeni smjer struje, već i s bilo kojom promjenom u njemu, na primjer, s povećanjem zbog smanjenja otpora u krugu.

Kako bi se fizički opisao otpor koji stvara bilo kakva promjena struje u strujnom krugu zbog samoindukcije, uveden je pojam induktiviteta, koji se mjeri u Henryju (u čast američkog fizičara Josepha Henryja). Jedan henry je takav induktivitet za koji, kada se struja promijeni za 1 amper u 1 sekundi, u procesu samoindukcije nastaje EMF, jednak 1 voltu.

Naizmjenična struja

Kada se induktor počne okretati u magnetskom polju, kao rezultat fenomena elektromagnetske indukcije, stvara induciranu struju. Ova električna struja je promjenjiva, odnosno sustavno mijenja svoj smjer.

Izmjenična struja je češća od istosmjerne struje. Dakle, mnogi uređaji koji rade iz središnje električne mreže koriste ovu vrstu struje. Izmjeničnu struju je lakše inducirati i transportirati od istosmjerne struje. U pravilu je frekvencija izmjenične struje u kućanstvu 50-60 Hz, odnosno u 1 sekundi njezin se smjer mijenja 50-60 puta.

Geometrijski prikaz izmjenične struje je sinusna krivulja koja opisuje ovisnost napona o vremenu. Puni period sinusoidalne krivulje za struju u kućanstvu je približno 20 milisekundi. Prema toplinskom učinku, izmjenična struja je slična istosmjernoj struji čiji je napon U max /√2, gdje je U max maksimalni napon na krivulji sinusne izmjenične struje.

Primjena elektromagnetske indukcije u tehnici

Otkriće fenomena elektromagnetske indukcije izazvalo je pravi procvat u razvoju tehnologije. Prije ovog otkrića, ljudi su mogli proizvoditi električnu energiju samo u ograničenim količinama pomoću električnih baterija.

Trenutno se ovaj fizički fenomen koristi u električnim transformatorima, u grijačima koji induciranu struju pretvaraju u toplinu, kao i u elektromotorima i automobilskim generatorima.