Aplicarea practică a inducției electromagnetice. Inductie electromagnetica

Trimiteți-vă munca bună în baza de cunoștințe este simplu. Foloseste formularul de mai jos

Studenții, studenții absolvenți, tinerii oameni de știință care folosesc baza de cunoștințe în studiile și munca lor vă vor fi foarte recunoscători.

postat pe http://www.allbest.ru/

INTRODUCERE

Nu întâmplător este primul și cel mai important pas în deschiderea acestuia latura noua al interacțiunilor electromagnetice a fost făcut fondatorul ideilor despre câmpul electromagnetic - unul dintre cei mai mari oameni de știință din lume - Michael Faraday (1791-1867). Faraday era absolut sigur de unitatea electrică și fenomene magnetice. La scurt timp după descoperirea lui Oersted, el a scris în jurnalul său (1821): „Transformă magnetismul în electricitate”. De atunci, Faraday, fără încetare, s-a gândit la această problemă. Se spune că purta în mod constant un magnet în buzunarul vestei, care trebuia să-i amintească de sarcina la îndemână. Zece ani mai târziu, în 1831, ca urmare a muncii grele și a credinței în succes, problema a fost rezolvată. El a făcut o descoperire care stă la baza construcției tuturor generatoarelor centralelor electrice ale lumii, care transformă energia mecanică în energie de curent electric. Alte surse: celulele galvanice, termo- și fotocelulele asigură o pondere neglijabilă din energia generată.

Curentul electric, a argumentat Faraday, este capabil să magnetizeze obiecte de fier. Pentru a face acest lucru, puneți doar o bară de fier în interiorul bobinei. Ar putea magnetul, la rândul său, să provoace apariția unui curent electric sau să-i modifice magnitudinea? Multă vreme nu s-a putut găsi nimic.

ISTORIA DESCOPERITĂRII FENOMENULUI INDUCȚIEI ELECTROMAGNETICE

Spune ale signorilor Nobili și Antinori din revista "Antologia"

« Domnul Faraday a descoperit recent noua clasa fenomene electrodinamice. El a trimis un memoriu despre acest lucru Societății Regale din Londra, dar acest memoriu nu a fost încă publicat. Știm despre eldoar o notă comunicată de domnul Afuncţionar al Academiei de Ştiinţe din Paris26 decembrie 1831, pe baza unei scrisori primite de la însuși domnul Faraday.

Această comunicare ne-a determinat pe mine și pe Chevalier Antinori să repetăm imediat experimentul de bază și să-l studiem din diferite puncte de vedere. Ne flatăm cu speranța că rezultatele la care am ajuns sunt de o anumită semnificație și, prin urmare, ne grăbim să le publicăm fără a aveaanteriormateriale, cu excepția notei care a servit drept punct de plecare în cercetarea noastră.»

„Memoriile domnului Faraday”, după cum spune nota, „este împărțit în patru părți.

În primul, intitulat „Excitația electricității galvanice”, găsim următorul fapt principal: Un curent galvanic care trece printr-un fir metalic produce un alt curent în firul care se apropie; al doilea curent este opus în sensul primului și durează doar o clipă. Dacă curentul de excitație este îndepărtat, în fir apare un curent sub influența sa, opus celui care a apărut în el în primul caz, adică. în aceeași direcție cu curentul de excitare.

A doua parte a memoriilor vorbește despre curenții electrici provocați de magnet. Apropiindu-se de magneții bobinei, domnul Faraday a produs curenți electrici; când bobinele au fost îndepărtate, au apărut curenți de sens opus. Acești curenți au un efect puternic asupra galvanometrului, trecând, deși slab, prin saramură și alte soluții. De aici rezultă că acest om de știință, folosind un magnet, a excitat curenții electrici descoperiți de domnul Ampère.

A treia parte a memoriului se referă la starea electrică de bază, pe care domnul Faraday o numește stare electromonică.

Partea a patra vorbește despre un experiment pe cât de curios, pe atât de neobișnuit, aparținând domnului Arago; după cum se știe, acest experiment constă în faptul că acul magnetic se rotește sub influența unui disc metalic rotativ. El a descoperit că atunci când un disc de metal se rotește sub influența unui magnet, curenții electrici pot apărea într-o cantitate suficientă pentru a face o nouă mașină electrică din disc.

TEORIA MODERNĂ A INDUCȚIEI ELECTROMAGNETICE

Curenții electrici creează un câmp magnetic în jurul lor. Ar putea un câmp magnetic să provoace apariția câmp electric? Faraday a descoperit experimental că atunci când fluxul magnetic care pătrunde într-un circuit închis se modifică, în acesta ia naștere un curent electric. Acest fenomen a fost numit inducție electromagnetică. Curentul care apare în timpul fenomenului de inducție electromagnetică se numește inductiv. Strict vorbind, atunci când circuitul se mișcă într-un câmp magnetic, nu se generează un anumit curent, ci un anumit EMF. Un studiu mai detaliat al inducției electromagnetice a arătat că EMF de inducție care apare în orice circuit închis este egală cu rata de modificare a fluxului magnetic prin suprafața delimitată de acest circuit, luată cu semnul opus.

Forța electromotoare din circuit este rezultatul acțiunii forțelor externe, adică. forţe de origine neelectrică. Când un conductor se mișcă într-un câmp magnetic, rolul forțelor exterioare îl joacă forța Lorentz, sub acțiunea căreia se separă sarcinile, în urma căreia apare o diferență de potențial la capetele conductorului. EMF de inducție într-un conductor caracterizează munca de deplasare a unei sarcini pozitive unitare de-a lungul conductorului.

Fenomenul de inducție electromagnetică stă la baza funcționării generatoarelor electrice. Dacă cadrul de sârmă este rotit uniform într-un câmp magnetic uniform, atunci apare un curent indus, schimbându-și periodic direcția. Chiar și un singur cadru care se rotește într-un câmp magnetic uniform este un generator curent alternativ.

STUDIUL EXPERIMENTAL AL FENOMENELOR DE INDUCȚIE ELECTROMAGNETICĂ

Luați în considerare experimentele clasice ale lui Faraday, cu ajutorul cărora a fost descoperit fenomenul inducției electromagnetice:

Când un magnet permanent se mișcă, liniile sale de forță traversează spirele bobinei și apare un curent de inducție, astfel încât acul galvanometrului deviază. Citirile dispozitivului depind de viteza de mișcare a magnetului și de numărul de spire ale bobinei.

În acest experiment, trecem un curent prin prima bobină, care creează flux magnetic iar când a doua bobină se mișcă în interiorul primei, liniile magnetice se intersectează, deci apare un curent de inducție.

La efectuarea experimentului nr. 2, s-a înregistrat că în momentul în care comutatorul a fost pornit, săgeata dispozitivului a deviat și a arătat valoarea EMF, apoi săgeata a revenit în poziția inițială. Când comutatorul a fost oprit, săgeata a deviat din nou, dar în cealaltă direcție și a arătat valoarea EMF, apoi a revenit la poziția inițială. În momentul în care comutatorul este pornit, curentul crește, dar apare un fel de forță care împiedică creșterea curentului. Această forță se autoinduce, de unde și numele Auto-inducție EMF. În momentul opririi se întâmplă același lucru, doar direcția EMF s-a schimbat, așa că săgeata dispozitivului a deviat în sens opus.

Această experiență arată că EMF de inducție electromagnetică apare atunci când amploarea și direcția curentului se modifică. Acest lucru demonstrează că EMF de inducție, care se creează singur, este rata de schimbare a curentului.

În decurs de o lună, Faraday a descoperit experimental toate trăsăturile esențiale ale fenomenului de inducție electromagnetică. A rămas doar să dau legii o formă cantitativă strictă și să dezvăluim pe deplin natura fizică a fenomenului. Faraday însuși a înțeles deja lucrul comun care determină apariția unui curent de inducție în experimente care arată diferit în exterior.

Într-un circuit conductor închis, un curent apare atunci când se modifică numărul de linii de inducție magnetică care pătrund în suprafața delimitată de acest circuit. Acest fenomen se numește inducție electromagnetică.

Și cu cât numărul liniilor de inducție magnetică se modifică mai repede, cu atât este mai mare curentul rezultat. În acest caz, motivul modificării numărului de linii de inducție magnetică este complet indiferent.

Aceasta poate fi o modificare a numărului de linii de inducție magnetică care pătrunde într-un conductor fix din cauza unei modificări a intensității curentului într-o bobină adiacentă și o modificare a numărului de linii din cauza mișcării circuitului într-un câmp magnetic neomogen. , a căror densitate de linii variază în spațiu.

REGULA LENTZ

Curentul inductiv care a apărut în conductor începe imediat să interacționeze cu curentul sau magnetul care l-a generat. Dacă un magnet (sau o bobină cu curent) este adus mai aproape de un conductor închis, atunci curentul de inducție emergent cu câmpul său magnetic respinge în mod necesar magnetul (bobina). Trebuie să se lucreze pentru a apropia magnetul și bobina. Când magnetul este îndepărtat, apare atracția. Această regulă este respectată cu strictețe. Imaginați-vă dacă lucrurile ar fi altfel: ați împins magnetul spre bobină și s-ar repeta în el de la sine. Acest lucru ar încălca legea conservării energiei. La urma urmei, energia mecanică a magnetului ar crește și, în același timp, ar apărea un curent, care în sine necesită cheltuirea de energie, deoarece curentul poate face și el lucru. Curentul electric indus în armătura generatorului, interacționând cu câmpul magnetic al statorului, încetinește rotația armăturii. Numai prin urmare, pentru a roti armătura, este necesar să se lucreze, cu cât este mai mare, cu atât puterea curentului este mai mare. Datorită acestei lucrări, apare un curent inductiv. Este interesant de observat că, dacă câmpul magnetic al planetei noastre ar fi foarte mare și foarte neomogen, atunci mișcările rapide ale corpurilor conductoare pe suprafața sa și în atmosferă ar fi imposibile din cauza interacțiunii intense a curentului indus în corp cu aceasta. camp. Corpurile s-ar mișca ca într-un mediu dens vâscos și în același timp ar fi puternic încălzite. Nici avioanele, nici rachetele nu puteau zbura. O persoană nu și-ar putea mișca rapid nici brațele, nici picioarele, din moment ce corpul uman- un bun dirijor.

Dacă bobina în care este indus curentul este staționară față de bobina adiacentă cu curent alternativ, ca, de exemplu, într-un transformator, atunci în acest caz direcția curentului de inducție este dictată de legea conservării energiei. Acest curent este întotdeauna dirijat în așa fel încât câmpul magnetic pe care îl creează tinde să reducă variațiile de curent în primar.

Repulsia sau atracția unui magnet de către o bobină depinde de direcția curentului de inducție în acesta. Prin urmare, legea conservării energiei ne permite să formulăm o regulă care să determine direcția curentului de inducție. Care este diferența dintre cele două experimente: apropierea magnetului de bobină și îndepărtarea acestuia? În primul caz, fluxul magnetic (sau numărul liniilor de inducție magnetică care pătrund în spirele bobinei) crește (Fig. a), iar în al doilea caz scade (Fig. b). Mai mult, în primul caz, linia de inducție B " camp magnetic, creat de curentul de inducție care a apărut în bobină, ies din capătul superior al bobinei, deoarece bobina respinge magnetul, iar în al doilea caz, dimpotrivă, intră în acest capăt. Aceste linii de inducție magnetică din figură sunt prezentate cu o contur.

Acum am ajuns la punctul principal: odată cu creșterea fluxului magnetic prin spirele bobinei, curentul de inducție are o astfel de direcție încât câmpul magnetic pe care îl creează împiedică creșterea fluxului magnetic prin spirele bobinei. La urma urmei, vectorul de inducție al acestui câmp este îndreptat împotriva vectorului de inducție a câmpului, a cărui modificare generează un curent electric. Dacă fluxul magnetic prin bobină slăbește, atunci curentul inductiv creează un câmp magnetic cu inducție, care crește fluxul magnetic prin spirele bobinei.

Aceasta este esența regula generala determinarea direcției curentului inductiv, care este aplicabilă în toate cazurile. Această regulă a fost stabilită de fizicianul rus E.X. Lenz (1804-1865).

Conform regulii lui Lenz, curentul inductiv care apare într-un circuit închis are o astfel de direcție încât fluxul magnetic creat de acesta prin suprafața delimitată de circuit tinde să prevină modificarea fluxului care generează acest curent. Sau, curentul de inducție are o astfel de direcție încât previne cauza care îl provoacă.

În cazul supraconductorilor, compensarea modificărilor fluxului magnetic extern va fi completă. Fluxul de inducție magnetică printr-o suprafață delimitată de un circuit supraconductor nu se modifică deloc în timp în nicio condiție.

LEGEA INDUCȚIEI ELECTROMAGNETICE

inducție electromagnetică faraday lenz

Experimentele lui Faraday au arătat că puterea curentului indus eu i într-un circuit conductor este proporțională cu rata de schimbare a numărului de linii de inducție magnetică care pătrund în suprafața delimitată de acest circuit. Mai precis, această afirmație poate fi formulată folosind conceptul de flux magnetic.

Fluxul magnetic este clar interpretat ca numărul de linii de inducție magnetică care pătrund într-o suprafață cu o zonă S. Prin urmare, rata de schimbare a acestui număr nu este altceva decât viteza de schimbare a fluxului magnetic. Dacă în scurt timp t fluxul magnetic se modifică în D F, atunci viteza de modificare a fluxului magnetic este egală cu.

Prin urmare, o afirmație care decurge direct din experiență poate fi formulată după cum urmează:

puterea curentului de inducție este proporțională cu viteza de schimbare a fluxului magnetic prin suprafața delimitată de contur:

Amintiți-vă că un curent electric apare în circuit atunci când forțele externe acționează asupra sarcinilor libere. Lucrul acestor forțe atunci când se deplasează o singură sarcină pozitivă de-a lungul unui circuit închis se numește forță electromotoare. În consecință, atunci când fluxul magnetic se modifică prin suprafața delimitată de contur, în aceasta apar forțe externe, a căror acțiune este caracterizată de un EMF, numit EMF de inducție. Să o notăm cu litera E eu .

Legea inducției electromagnetice este formulată special pentru EMF, și nu pentru puterea curentului. Prin această formulare legea exprimă esența fenomenului, care nu depinde de proprietățile conductorilor în care apare curentul de inducție.

Conform legii inducției electromagnetice (EMI), EMF de inducție într-o buclă închisă este egală în valoare absolută cu rata de modificare a fluxului magnetic prin suprafața delimitată de buclă:

Cum se ține cont de direcția curentului de inducție (sau semnul EMF de inducție) în legea inducției electromagnetice în conformitate cu regula Lenz?

Figura prezintă o buclă închisă. Vom considera pozitivă direcția de ocolire a conturului în sens invers acelor de ceasornic. Normala la contur formează un șurub drept cu direcția de bypass. Semnul EMF, adică lucrul specific, depinde de direcția forțelor externe în raport cu direcția de ocolire a circuitului.

Dacă aceste direcții coincid, atunci E i > 0 și, în consecință, eu i > 0. În caz contrar, EMF și puterea curentului sunt negative.

Lăsați inducerea magnetică a câmpului magnetic extern să fie direcționată de-a lungul normalului la contur și să crească în timp. Apoi F> 0 și > 0. Conform regulii lui Lenz, curentul de inducție creează un flux magnetic F" < 0. Линии индукции B„Câmpul magnetic al curentului de inducție este prezentat în figură cu o liniuță. Prin urmare, curentul de inducție eu i este îndreptată în sensul acelor de ceasornic (împotriva direcției de bypass pozitivă) iar fem-ul de inducție este negativ. Prin urmare, în legea inducției electromagnetice, trebuie să existe un semn minus:

În Sistemul Internațional de Unități, legea inducției electromagnetice este folosită pentru a stabili unitatea de flux magnetic. Această unitate se numește weber (Wb).

Din moment ce EMF de inducție E i este exprimat în volți, iar timpul este în secunde, apoi din legea Weber EMP poate fi determinată după cum urmează:

fluxul magnetic prin suprafața delimitată de o buclă închisă este de 1 Wb, dacă, cu o scădere uniformă a acestui flux la zero în 1 s, apare în circuit o fem de inducție egală cu 1 V: 1 Wb \u003d 1 V 1 s .

APLICAREA PRACTICĂ A FENOMENELOR DE INDUCȚIE ELECTROMAGNETICĂ

Difuzare

Un câmp magnetic alternativ, excitat de un curent în schimbare, creează un câmp electric în spațiul înconjurător, care, la rândul său, excită un câmp magnetic și așa mai departe. Generandu-se reciproc reciproc, aceste campuri formeaza un singur camp electromagnetic variabil - o unda electromagnetica. Apărând în locul unde există un fir cu curent, câmpul electromagnetic se propagă în spațiu cu viteza luminii -300.000 km/s.

Magnetoterapia

În spectrul de frecvență locuri diferite ocupat de unde radio, lumină, raze X si altii radiatie electromagnetica. Ele sunt de obicei caracterizate de câmpuri electrice și magnetice interconectate continuu.

Sincrofazotroni

În prezent, un câmp magnetic este înțeles ca o formă specială de materie constând din particule încărcate. În fizica modernă, fasciculele de particule încărcate sunt folosite pentru a pătrunde adânc în atomi pentru a le studia. Forța cu care acționează un câmp magnetic asupra unei particule încărcate în mișcare se numește forță Lorentz.

Debitmetre - contoare

Metoda se bazează pe aplicarea legii lui Faraday pentru un conductor într-un câmp magnetic: în fluxul unui lichid conductor electric care se mișcă într-un câmp magnetic, este indus un EMF proporțional cu viteza curgerii, care este convertit de partea electronică în un semnal electric analog/digital.

generator de curent continuu

În modul generator, armătura mașinii se rotește sub influența unui moment extern. Între polii statorului există un flux magnetic constant care pătrunde în armătură. Conductoarele înfășurării armăturii se mișcă într-un câmp magnetic și, prin urmare, în ele este indus un EMF, a cărui direcție poate fi determinată de regula „mâna dreaptă”. În acest caz, un potențial pozitiv apare pe o perie față de a doua. Dacă o sarcină este conectată la bornele generatorului, atunci curentul va curge în ea.

Fenomenul EMR este utilizat pe scară largă în transformatoare. Să luăm în considerare acest dispozitiv mai detaliat.

TRANSFORMATORI

Transformator (din lat. transformo - transform) - static dispozitiv electromagnetic având două sau mai multe înfășurări cuplate inductiv și destinate a fi convertite prin inducție electromagnetică dintr-unul sau mai multe sisteme de curent alternativ în unul sau mai multe alte sisteme de curent alternativ.

Inventatorul transformatorului este omul de știință rus P.N. Yablochkov (1847 - 1894). În 1876, Yablochkov a folosit o bobină de inducție cu două înfășurări ca transformator pentru a alimenta lumânările electrice pe care le-a inventat. Transformatorul Yablochkov avea un miez deschis. Transformatoarele cu miez închis, similare celor folosite astăzi, au apărut mult mai târziu, în 1884. Odată cu inventarea transformatorului a apărut un interes tehnic pentru curentul alternativ, care nu fusese aplicat până în acel moment.

Transformatoarele sunt utilizate pe scară largă în transmisie energie electrica pe distanțe mari, distribuția sa între receptoare, precum și în diverse dispozitive de redresare, amplificare, semnalizare și alte dispozitive.

Transformarea energiei în transformator se realizează printr-un câmp magnetic alternativ. Transformatorul este un miez de plăci subțiri de oțel izolate una de cealaltă, pe care sunt plasate două și uneori mai multe înfășurări (bobine) de sârmă izolata. Înfășurarea la care este conectată sursa de energie electrică AC se numește înfășurare primară, înfășurările rămase sunt numite secundare.

Dacă în înfășurarea secundară a transformatorului sunt înfășurate de trei ori mai multe spire decât în primar, atunci câmpul magnetic creat în miez de înfășurarea primară, care traversează spirele înfășurării secundare, va crea de trei ori mai multă tensiune în el.

Folosind un transformator cu un raport invers, puteți obține la fel de ușor și simplu o tensiune redusă.

Laecuația transformatorului ideal

Un transformator ideal este un transformator care nu are pierderi de energie pentru încălzirea înfășurărilor și a fluxurilor de scurgeri ale înfășurării. Într-un transformator ideal, toate liniile de forță trec prin toate spirele ambelor înfășurări și, deoarece câmpul magnetic în schimbare generează același EMF în fiecare tură, EMF total indus în înfășurare este proporțional cu numărul total de spire. Un astfel de transformator transformă toată energia primită din circuitul primar într-un câmp magnetic și apoi în energia circuitului secundar. În acest caz, energia de intrare este egală cu energia convertită:

Unde P1 este valoarea instantanee a puterii furnizate transformatorului din circuitul primar,

P2 este valoarea instantanee a puterii convertite de transformatorul care intră în circuitul secundar.

Combinând această ecuație cu raportul tensiunilor de la capetele înfășurărilor, obținem ecuația pentru un transformator ideal:

Astfel, obtinem ca odata cu cresterea tensiunii la capetele infasurarii secundare U2, curentul circuitului secundar I2 scade.

Pentru a converti rezistența unui circuit în rezistența altuia, trebuie să înmulțiți valoarea cu pătratul raportului. De exemplu, rezistența Z2 este conectată la capetele înfășurării secundare, valoarea sa redusă la circuitul primar va fi

Această regulă este valabilă și pentru circuitul secundar:

Desemnarea pe diagrame

În diagrame, transformatorul este indicat după cum urmează:

Linia groasă centrală corespunde miezului, 1 este înfășurarea primară (de obicei în stânga), 2.3 este înfășurarea secundară. Numărul de semicercuri într-o aproximare aproximativă simbolizează numărul de spire ale înfășurării (mai multe spire - mai multe semicercuri, dar fără proporționalitate strictă).

APLICAȚII DE TRANSFORMATOR

Transformatoarele sunt utilizate pe scară largă în industrie și viața de zi cu zi în diverse scopuri:

1. Pentru transportul și distribuția energiei electrice.

De obicei, la centralele electrice, generatoarele de curent alternativ generează energie electrică la o tensiune de 6-24 kV și este profitabil să se transmită energie electrică pe distanțe lungi la tensiuni mult mai mari (110, 220, 330, 400, 500 și 750 kV) . Prin urmare, la fiecare centrală se instalează transformatoare care cresc tensiunea.

Distribuția energiei electrice între întreprinderile industriale, aşezări, în orașe și zone rurale, precum și în interior întreprinderile industriale produs prin linii aeriene si cablu, la o tensiune de 220, 110, 35, 20, 10 si 6 kV. Prin urmare, transformatoarele trebuie instalate în toate nodurile de distribuție care reduc tensiunea la 220, 380 și 660 V.

2. Pentru a furniza circuitul dorit pentru pornirea supapelor în dispozitivele convertoare și pentru a potrivi tensiunea la ieșirea și intrarea convertizorului. Transformatoarele utilizate în aceste scopuri se numesc transformatoare.

3. Pentru diverse scopuri tehnologice: sudare ( transformatoare de sudare), alimentarea instalatiilor electrotermale (transformatoare electrice cuptor) etc.

4. Pentru alimentarea diferitelor circuite de echipamente radio, echipamente electronice, dispozitive de comunicații și automatizări, aparate de uz casnic, pentru separarea circuitelor electrice ale diferitelor elemente ale acestor dispozitive, pentru potrivirea tensiunii etc.

5. Să includă instrumente electrice de măsură și unele aparate (relee etc.) în circuite electrice de înaltă tensiune sau în circuite prin care trec curenți mari, pentru extinderea limitelor de măsurare și asigurarea siguranței electrice. Transformatoarele utilizate în aceste scopuri se numesc de măsurare.

CONCLUZIE

Fenomenul inducției electromagnetice și cazurile sale speciale sunt utilizate pe scară largă în inginerie electrică. Folosit pentru a transforma energia mecanică în energie electrică generatoare sincrone. Transformatoarele sunt folosite pentru a crește sau a reduce tensiunea AC. Utilizarea transformatoarelor face posibilă transferul economic de energie electrică de la centralele electrice la nodurile de consum.

BIBLIOGRAFIE:

1. Curs de fizică, manual pentru universități. T.I. Trofimova, 2007.

2. Fundamentele teoriei circuitelor, G.I. Atabekov, Lan, Sankt Petersburg, - M., - Krasnodar, 2006.

3. Mașini electrice, L.M. Piotrovsky, L., Energie, 1972.

4. Transformatoare de putere. Carte de referință / Ed. S.D. Lizunova, A.K. Lokhanin. M.: Energoizdat 2004.

5. Proiectarea transformatoarelor. A.V. Sapojnikov. M.: Gosenergoizdat. 1959.

6. Calculul transformatoarelor. Manual pentru universități. P.M. Tihomirov. Moscova: Energie, 1976.

7. Fizica -tutorial pentru școlile tehnice, autor V.F. Dmitriev, ediția Moscova „Școala superioară” 2004.

Găzduit pe Allbest.ru

Documente similare

Concepte generale, istoria descoperirii inducției electromagnetice. Coeficientul de proporționalitate în legea inducției electromagnetice. Modificarea fluxului magnetic pe exemplul dispozitivului Lenz. Inductanța solenoidului, calculul densității energiei câmpului magnetic.

prelegere, adăugată 10.10.2011

Istoria descoperirii fenomenului de inducție electromagnetică. Investigarea dependenței fluxului magnetic de inducția magnetică. Aplicarea practică a fenomenului de inducție electromagnetică: radiodifuziune, magnetoterapie, sincrofazotroni, generatoare electrice.

rezumat, adăugat 15.11.2009

Lucrați la deplasarea unui conductor cu curent într-un câmp magnetic. Studiul fenomenului de inducție electromagnetică. Metode de obținere a curentului de inducție într-un câmp magnetic constant și alternativ. Natura forței electromotoare a inducției electromagnetice. legea lui Faraday.

prezentare, adaugat 24.09.2013

Inductie electromagnetica- fenomenul generării unui câmp electric vortex de către un câmp magnetic alternant. Istoria descoperirii acestui fenomen de Michael Faraday. Alternator cu inducție. Formula pentru determinarea forței electromotoare de inducție.

rezumat, adăugat 13.12.2011

Inductie electromagnetica. Legea lui Lenz, forța electromotoare. Metode de măsurare a inducției magnetice și a tensiunii magnetice. Curenți turbionari (curenți Foucault). Rotirea cadrului într-un câmp magnetic. Autoinducție, curent la închiderea și deschiderea circuitului. Inducerea reciprocă.

lucrare de termen, adăugată 25.11.2013

Mașini electrice ca acelea în care transformarea energiei are loc ca urmare a fenomenului de inducție electromagnetică, istoria și principalele etape de dezvoltare, realizări în acest domeniu. Crearea unui motor electric cu posibilitate de aplicare practică.

rezumat, adăugat 21.06.2012

Caracteristicile câmpului electric vortex. Explicarea analitică a faptelor experimentale. Legile inducției electromagnetice și Ohm. Fenomene de rotație a planului de polarizare a luminii într-un câmp magnetic. Metode de obținere a curentului de inducție. Aplicarea regulii lui Lenz.

prezentare, adaugat 19.05.2014

Copilăria și tinerețea lui Michael Faraday. Noțiuni introductive la Instituția Regală. Primele studii independente ale lui M. Faraday. Legea inducției electromagnetice, electroliza. Boala Faraday, lucrare experimentală recentă. Semnificaţia descoperirilor lui M. Faraday.

rezumat, adăugat 06.07.2012

O scurtă schiță a vieții, dezvoltării personale și creative a marelui fizician englez Michael Faraday. Cercetările lui Faraday în domeniul electromagnetismului și descoperirea lui a fenomenului de inducție electromagnetică, formularea legii. Experimente cu electricitate.

rezumat, adăugat 23.04.2009

Perioada de școlarizare a lui Michael Faraday, prima sa cercetare independentă (experimente în topirea oțelurilor care conțin nichel). Crearea de către un fizician englez a primului model de motor electric, descoperirea inducției electromagnetice și a legilor electrolizei.

abstract

la disciplina "Fizica"

Subiect: „Descoperirea fenomenului inducției electromagnetice”

Efectuat:

Grupa de elevi 13103/1

St.Petersburg

2. Experimentele lui Faraday. 3

3. Aplicarea practică a fenomenului de inducție electromagnetică. nouă

4. Lista literaturii folosite .. 12

Inducția electromagnetică - fenomenul apariției unui curent electric într-un circuit închis atunci când fluxul magnetic care trece prin acesta se modifică. Inducția electromagnetică a fost descoperită de Michael Faraday la 29 august 1831. El a descoperit că forța electromotoare care apare într-un circuit conductor închis este proporțională cu rata de schimbare a fluxului magnetic prin suprafața delimitată de acest circuit. Mărimea forței electromotoare (EMF) nu depinde de ceea ce cauzează schimbarea fluxului - o modificare a câmpului magnetic în sine sau mișcarea unui circuit (sau a unei părți a acestuia) într-un câmp magnetic. Curentul electric cauzat de acest EMF se numește curent de inducție.

În 1820, Hans Christian Oersted a arătat că un curent electric care curge printr-un circuit determină devierea unui ac magnetic. Dacă un curent electric generează magnetism, atunci apariția unui curent electric trebuie asociată cu magnetismul. Această idee l-a captat pe omul de știință englez M. Faraday. „Transformă magnetismul în electricitate”, a scris el în 1822 în jurnalul său.

Michael Faraday

Michael Faraday (1791-1867) s-a născut la Londra, una dintre cele mai sărace părți ale acesteia. Tatăl său era fierar, iar mama lui era fiica unui fermier. Când Faraday a ajuns la vârsta școlară, a fost trimis la școala elementară. Cursul urmat de Faraday aici a fost foarte restrâns și limitat doar la predarea cititului, scrisului și începutului numărării.

La câțiva pași de casa în care locuia familia Faraday se afla o librărie, care era și un loc de legătorie. Aici a ajuns Faraday, după ce a terminat cursul scoala elementara când a apărut întrebarea despre alegerea unei profesii pentru el. Michael avea la acea vreme doar 13 ani. Deja în tinerețe, când Faraday tocmai începuse autoeducația, s-a străduit să se bazeze numai pe fapte și să verifice rapoartele altora cu propriile sale experiențe.

Aceste aspirații l-au dominat toată viața ca principalele trăsături ale sale activitate științifică Faraday a început să facă experimente fizice și chimice de când era băiat, la prima cunoaștere cu fizica și chimia. Odată, Michael a participat la una dintre prelegerile lui Humphrey Davy, marele fizician englez. Faraday a notat detaliat prelegerea, a legat-o și i-a trimis-o lui Davy. A fost atât de impresionat încât ia oferit lui Faraday să lucreze cu el ca secretar. Curând, Davy a plecat într-o călătorie în Europa și l-a luat pe Faraday cu el. Timp de doi ani au vizitat cele mai mari universități europene.

Întors la Londra în 1815, Faraday a început să lucreze ca asistent într-unul dintre laboratoarele Royal Institution din Londra. La acea vreme era unul dintre cele mai bune laboratoare de fizică din lume. Din 1816 până în 1818, Faraday a publicat o serie de note mici și memorii mici despre chimie. Prima lucrare a lui Faraday despre fizică datează din 1818.

Bazându-se pe experiențele predecesorilor săi și combinând mai multe dintre propriile sale experiențe, până în septembrie 1821, Michael tipărise „Istoria succeselor electromagnetismului”. Deja în acel moment, el a alcătuit un concept complet corect despre esența fenomenului de deviere a unui ac magnetic sub acțiunea unui curent.

După ce a obținut acest succes, Faraday și-a părăsit studiile în domeniul electricității timp de zece ani, dedicându-se studiului unui număr de subiecte de alt fel. În 1823, Faraday a făcut una dintre cele mai importante descoperiri din domeniul fizicii - a realizat pentru prima dată lichefierea unui gaz și, în același timp, a stabilit o metodă simplă, dar validă, pentru transformarea gazelor într-un lichid. În 1824, Faraday a făcut mai multe descoperiri în domeniul fizicii. Printre altele, a stabilit faptul că lumina afectează culoarea sticlei, schimbând-o. În anul următor, Faraday trece din nou de la fizică la chimie, iar rezultatul muncii sale în acest domeniu este descoperirea benzinei și a acidului naftalen sulfuric.

În 1831, Faraday a publicat un tratat Despre un fel special de iluzie optică, care a servit drept bază pentru un proiectil optic frumos și curios numit „cromotrop”. În același an, a fost publicat un alt tratat al omului de știință „Despre plăci vibrante”. Multe dintre aceste lucrări ar putea de la sine imortaliza numele autorului lor. Dar cel mai important dintre lucrări științifice Faraday sunt cercetările sale în domeniul electromagnetismului și inducției electrice.

Experimentele lui Faraday

Obsedat de idei despre conexiunea și interacțiunea inseparabilă a forțelor naturii, Faraday a încercat să demonstreze că la fel cum Ampère ar putea crea magneți cu electricitate, așa este posibil să se creeze electricitate cu ajutorul magneților.

Logica lui era simplă: lucrul mecanic se transformă ușor în căldură; În schimb, căldura poate fi transformată în munca mecanica(sa spunem in motor cu aburi). În general, dintre forțele naturii, se întâmplă cel mai adesea următoarea relație: dacă A dă naștere lui B, atunci B dă naștere lui A.

Dacă prin intermediul electricității Ampère a obținut magneți, atunci, aparent, este posibil să „obțină electricitate din magnetismul obișnuit”. Arago și Ampère și-au propus aceeași sarcină la Paris, Colladon la Geneva.

Strict vorbind, ramura importantă a fizicii, care tratează fenomenele de electromagnetism și electricitate inductivă, și care este în prezent de o importanță atât de mare pentru tehnologie, a fost creată de Faraday din nimic. Când Faraday s-a dedicat în cele din urmă cercetării în domeniul electricității, s-a stabilit că cu conditii obisnuite prezența unui corp electrificat este suficientă pentru ca influența sa să excite electricitatea în orice alt corp. Totodată, se știa că firul prin care trece curentul și care este tot un corp electrificat nu are niciun efect asupra altor fire amplasate în apropiere.

Ce a cauzat această excepție? Aceasta este întrebarea care l-a interesat pe Faraday și a cărei soluție l-a condus descoperiri majoreîn domeniul energiei electrice de inducție. Faraday face o mulțime de experimente, păstrează note pedante. El dedică câte un paragraf fiecărui mic studiu în notele sale de laborator (publicate integral la Londra în 1931 sub titlul „Jurnalul lui Faraday”). Cel puțin faptul că ultimul paragraf din Jurnal este marcat cu numărul 16041 vorbește despre eficiența lui Faraday.

Pe lângă o convingere intuitivă în legătura universală a fenomenelor, nimic, de fapt, nu l-a susținut în căutarea lui „electricitate din magnetism”. În plus, el, ca și profesorul său Devi, s-a bazat mai mult pe propriile experimente decât pe construcții mentale. Davy l-a învățat:

„Un experiment bun are mai multă valoare decât atenția unui geniu precum Newton.

Cu toate acestea, Faraday a fost destinat unor mari descoperiri. Un mare realist, el a smuls în mod spontan lanțurile empirismului, care i-a fost impus cândva de Devi, și în acele momente i-a răsărit o mare perspectivă - a dobândit capacitatea pentru cele mai profunde generalizări.

Prima licărire de noroc a apărut abia pe 29 august 1831. În această zi, Faraday testa un dispozitiv simplu în laborator: un inel de fier de aproximativ șase inci în diametru, înfășurat în jurul a două bucăți de sârmă izolată. Când Faraday a conectat o baterie la bornele unei înfășurări, asistentul său, sergentul de artilerie Andersen, a văzut acul unui galvanometru conectat la cealaltă înfășurare.

Ea se zvâcni și s-a calmat, deși curentul continuu a continuat să curgă prin prima înfășurare. Faraday a revizuit cu atenție toate detaliile acestei instalări simple - totul era în ordine.

Dar acul galvanometrului stătea cu încăpățânare la zero. De supărare, Faraday a decis să oprească curentul, iar apoi s-a întâmplat un miracol - în timpul deschiderii circuitului, acul galvanometrului a oscilat din nou și din nou a înghețat la zero!

Galvanometrul, ramanand perfect nemiscat pe toata durata trecerii curentului, incepe sa oscileze cand circuitul este inchis si cand este deschis. S-a dovedit că în momentul în care un curent este trecut în primul fir și, de asemenea, atunci când această transmisie se oprește, un curent este de asemenea excitat în al doilea fir, care în primul caz are direcția opusă cu primul curent și este la fel cu el în al doilea caz și durează doar o clipă.

Aici, marile idei ale lui Ampere, legătura dintre curentul electric și magnetism, i-au fost dezvăluite cu toată claritatea lui Faraday. La urma urmei, prima înfășurare în care a aplicat curent a devenit imediat un magnet. Dacă îl considerăm ca pe un magnet, atunci experimentul din 29 august a arătat că magnetismul părea să dea naștere electricității. Doar două lucruri au rămas ciudate în acest caz: de ce a dispărut rapid creșterea energiei electrice atunci când electromagnetul a fost pornit? Și mai mult, de ce apare supratensiunea când magnetul este oprit?

A doua zi, 30 august, - Episod nou experimente. Efectul este clar exprimat, dar cu toate acestea complet de neînțeles.

Faraday simte că deschiderea este undeva în apropiere.

„Acum sunt din nou angajat în electromagnetism și cred că am atacat un lucru de succes, dar încă nu pot confirma acest lucru. Se poate foarte bine ca, după toate eforturile mele, în cele din urmă să scot alge marine în loc de pește.

Până în dimineața următoare, 24 septembrie, Faraday pregătise multe diverse dispozitive, în care elementele principale nu mai erau înfășurări cu curent electric, ci magneți permanenți. Și a fost și un efect! Săgeata s-a abătut și s-a repezit imediat la loc. Această mișcare ușoară a avut loc în timpul celor mai neașteptate manipulări cu magnetul, uneori, se părea, din întâmplare.

Următorul experiment este 1 octombrie. Faraday decide să revină la început - la două înfășurări: una cu curent, cealaltă conectată la un galvanometru. Diferența cu primul experiment este absența unui inel de oțel - miezul. Stropirea este aproape imperceptibilă. Rezultatul este banal. Este clar că un magnet fără miez este mult mai slab decât un magnet cu miez. Prin urmare, efectul este mai puțin pronunțat.

Faraday este dezamăgit. Timp de două săptămâni nu se apropie de instrumente, gândindu-se la motivele eșecului.

„Am luat o bară magnetică cilindrică (3/4” în diametru și 8 1/4” lungime) și am introdus un capăt într-o spirală de sârmă de cupru(220 de picioare lungime) conectat la un galvanometru. Apoi, cu o mișcare rapidă, am împins magnetul pe toată lungimea spiralei, iar acul galvanometrului a suferit un șoc. Apoi am scos la fel de repede magnetul din spirală, iar acul s-a balansat din nou, dar în direcția opusă. Aceste balansări ale acului au fost repetate de fiecare dată când magnetul a fost împins înăuntru sau afară.”

Secretul constă în mișcarea magnetului! Impulsul electricității este determinat nu de poziția magnetului, ci de mișcare!

Aceasta înseamnă că „o undă electrică apare numai atunci când magnetul se mișcă și nu datorită proprietăților inerente acestuia în repaus”.

Orez. 2. Experimentul lui Faraday cu o bobină

Această idee este remarcabil de fructuoasă. Dacă mișcarea unui magnet în raport cu un conductor creează electricitate, atunci, aparent, mișcarea unui conductor în raport cu un magnet trebuie să genereze și electricitate! Mai mult, această „undă electrică” nu va dispărea atâta timp cât continuă mișcarea reciprocă a conductorului și a magnetului. Aceasta înseamnă că este posibil să se creeze un generator de curent electric care să funcționeze un timp arbitrar lung, atâta timp cât mișcarea reciprocă a firului și a magnetului continuă!

Pe 28 octombrie, Faraday a instalat un disc rotativ de cupru între polii unui magnet de potcoavă, din care, cu ajutorul contactelor de alunecare (unul pe axă, celălalt la periferia discului), a fost posibilă îndepărtarea. tensiune electrică. A fost primul generator electric creat de mâna omului. Așadar, a fost găsită o nouă sursă de energie electrică, pe lângă cea cunoscută anterior (procese de frecare și chimie), - inducția și noul fel din această energie este electricitatea de inducție.

Experimente similare cu cele ale lui Faraday, după cum sa menționat deja, au fost efectuate în Franța și Elveția. Colladon, profesor la Academia Geneva, a fost un experimentator sofisticat (el, de exemplu, a produs pe lacul Geneva măsurători precise viteza sunetului în apă). Poate, temându-se de scuturarea instrumentelor, el, ca și Faraday, a scos galvanometrul cât mai departe de restul instalației. Mulți au susținut că Colladon a observat aceleași mișcări trecătoare ale săgeții ca și Faraday, dar, așteptându-se la un efect mai stabil și de durată, nu a acordat importanța cuvenită acestor explozii „aleatoare”...

Într-adevăr, opinia majorității oamenilor de știință din acea vreme a fost că efectul invers al „creării de electricitate din magnetism” ar trebui, aparent, să aibă același caracter staționar ca efectul „direct” - „formarea magnetismului” din cauza curentului electric. Neașteptată „tranzitorie” a acestui efect i-a derutat pe mulți, inclusiv pe Colladon, iar aceștia au plătit pentru prejudecățile lor.

Continuând experimentele sale, Faraday a descoperit în continuare că o simplă aproximare a unui fir răsucit într-o curbă închisă la altul, de-a lungul căruia curge un curent galvanic, este suficientă pentru a excita un curent inductiv în direcția opusă curentului galvanic dintr-un fir neutru, că îndepărtarea unui fir neutru excită din nou un curent inductiv în el. curentul este deja în aceeași direcție cu curentul galvanic care curge de-a lungul unui fir fix și că, în sfârșit, acești curenți inductivi sunt excitați numai în timpul apropierii și eliminării fir la conductorul curentului galvanic și, fără această mișcare, curenții nu sunt excitați, indiferent cât de aproape sunt firele unul de celălalt.

Astfel, a fost descoperit un nou fenomen, asemănător cu fenomenul de inducție descris mai sus în timpul închiderii și încetării curentului galvanic. Aceste descoperiri au dat naștere la rândul lor la altele noi. Dacă se poate produce un curent inductiv prin închiderea și oprirea curentului galvanic, nu s-ar obține același rezultat din magnetizarea și demagnetizarea fierului?

Lucrările lui Oersted și Ampère stabiliseră deja relația dintre magnetism și electricitate. Se știa că fierul a devenit un magnet atunci când un fir izolat a fost înfășurat în jurul lui și un curent galvanic a trecut prin el și că proprietățile magnetice ale acestui fier au încetat imediat ce curentul a încetat.

Pe baza acestui lucru, Faraday a venit cu acest tip de experiment: două fire izolate au fost înfășurate în jurul unui inel de fier; în plus, un fir era înfăşurat în jurul unei jumătăţi a inelului, iar celălalt în jurul celeilalte. Un curent de la o baterie galvanică a fost trecut printr-un fir, iar capetele celuilalt au fost conectate la un galvanometru. Și astfel, atunci când curentul s-a închis sau s-a oprit și când, în consecință, inelul de fier a fost magnetizat sau demagnetizat, acul galvanometrului a oscilat rapid și apoi s-a oprit rapid, adică toți aceiași curenți inductivi instantanei au fost excitați în firul neutru - aceasta timp: deja sub influența magnetismului.

Orez. 3. Experimentul lui Faraday cu un inel de fier

Astfel, aici, pentru prima dată, magnetismul a fost transformat în electricitate. După ce a primit aceste rezultate, Faraday a decis să-și diversifice experimentele. În loc de un inel de fier, a început să folosească o bandă de fier. În loc să excite magnetismul în fier cu un curent galvanic, el a magnetizat fierul atingându-l de un magnet de oțel permanent. Rezultatul a fost același: în firul înfășurat în jurul fierului de călcat, un curent era mereu excitat în momentul magnetizării și demagnetizării fierului de călcat. Apoi Faraday a introdus un magnet de oțel în spirala sârmei - apropierea și îndepărtarea acestuia din urmă a provocat curenți de inducție în sârmă. Într-un cuvânt, magnetismul, în sensul de excitare a curenților inductivi, a acționat exact în același mod ca și curentul galvanic.

La acea vreme, fizicienii erau intens ocupați de un fenomen misterios descoperit în 1824 de Arago și nu au găsit o explicație, în ciuda faptului că oameni de știință remarcabili ai acelei vremuri precum Arago însuși, Ampère, Poisson, Babaj și Herschel căutau intens acest lucru. explicaţie. Treaba a fost după cum urmează. Un ac magnetic, agățat liber, se oprește rapid dacă este adus sub el un cerc de metal nemagnetic; dacă cercul este apoi pus în mișcare de rotație, acul magnetic începe să-l urmeze.

Într-o stare de calm, era imposibil să se descopere cea mai mică atracție sau repulsie între cerc și săgeată, în timp ce același cerc, care era în mișcare, trăgea în spate nu doar o săgeată ușoară, ci și un magnet greu. Acest fenomen cu adevărat miraculos li s-a părut oamenilor de știință de atunci o ghicitoare misterioasă, ceva dincolo de firesc. Faraday, pe baza datelor sale de mai sus, a presupus că un cerc de metal nemagnetic, sub influența unui magnet, circulă în timpul rotației de curenți inductivi care afectează acul magnetic și îl atrag în spatele magnetului. Într-adevăr, introducând marginea cercului între polii unui magnet mare în formă de potcoavă și conectând centrul și marginea cercului cu un galvanometru cu un fir, Faraday a primit un curent electric constant în timpul rotației cercului.

În urma acesteia, Faraday s-a hotărât asupra unui alt fenomen care stârnea atunci curiozitatea generală. După cum știți, dacă pilitura de fier este presărată pe un magnet, acestea sunt grupate pe anumite linii, numite curbe magnetice. Faraday, atrăgând atenția asupra acestui fenomen, a dat bazele în 1831 curbelor magnetice, denumirea de „linii de forță magnetică”, care au intrat apoi în uz general. Studiul acestor „linii” l-a condus pe Faraday la o nouă descoperire, s-a dovedit că pentru excitarea curenților inductivi nu este necesară apropierea și îndepărtarea sursei de la polul magnetic. Pentru a excita curenții, este suficient să traversați liniile de forță magnetică într-un mod cunoscut.

Orez. 4. „Linii de forță magnetică”

Lucru în continuare Faraday în direcția menționată a căpătat, din punct de vedere contemporan, caracterul a ceva cu totul miraculos. La începutul anului 1832, a demonstrat un aparat în care curenții inductivi erau excitați fără ajutorul unui magnet sau curent galvanic. Dispozitivul consta dintr-o bandă de fier plasată într-o bobină de sârmă. Acest dispozitiv, în condiții obișnuite, nu a dat cel mai mic semn al apariției curenților în el; dar de îndată ce i s-a dat o direcție corespunzătoare direcției acului magnetic, un curent a fost excitat în fir.

Apoi Faraday a dat poziția acului magnetic unei bobine și apoi a introdus o bandă de fier în ea: curentul a fost din nou excitat. Motivul care a provocat curentul în aceste cazuri a fost magnetismul terestru, care a provocat curenți inductivi precum un magnet obișnuit sau curent galvanic. Pentru a arăta și a dovedi acest lucru mai clar, Faraday a întreprins un alt experiment care i-a confirmat pe deplin ideile.

El a argumentat că, dacă un cerc de metal nemagnetic, de exemplu, cuprul, care se rotește într-o poziție în care intersectează liniile de forță magnetică ale unui magnet vecin, dă un curent inductiv, atunci același cerc, care se rotește în absența un magnet, dar într-o poziție în care cercul va traversa liniile magnetismului terestru, trebuie să dea și un curent inductiv. Și într-adevăr, un cerc de cupru, rotit într-un plan orizontal, a dat un curent inductiv, care a produs o abatere vizibilă a acului galvanometrului. Faraday a finalizat o serie de studii în domeniul inducției electrice odată cu descoperirea, făcută în 1835, a „efectului inductiv al curentului asupra lui însuși”.

El a aflat că atunci când un curent galvanic este închis sau deschis, curenții inductivi instantanei sunt excitați în firul însuși, care servește drept conductor pentru acest curent.

Fizicianul rus Emil Khristoforovici Lenz (1804-1861) a dat o regulă pentru determinarea direcției curentului indus. „Curentul de inducție este întotdeauna direcționat în așa fel încât câmpul magnetic pe care îl creează împiedică sau încetinește mișcarea care provoacă inducția”, notează A.A. Korobko-Stefanov în articolul său despre inducția electromagnetică. - De exemplu, atunci când bobina se apropie de magnet, curentul inductiv rezultat are o astfel de direcție încât câmpul magnetic creat de acesta va fi opus câmpului magnetic al magnetului. Ca rezultat, între bobină și magnet apar forțe de respingere. Regula lui Lenz decurge din legea conservării și transformării energiei. Dacă curenții de inducție ar accelera mișcarea care i-a cauzat, atunci munca ar fi creată din nimic. Bobina însăși, după o mică împingere, s-ar repezi spre magnet și, în același timp, curentul de inducție ar elibera căldură în el. În realitate, curentul de inducție este creat datorită muncii de apropiere a magnetului și a bobinei.

Orez. 5. Regula lui Lenz

De ce există un curent indus? O explicație profundă a fenomenului inducției electromagnetice a fost oferită de fizicianul englez James Clerk Maxwell, creatorul teorie matematică câmp electromagnetic. Pentru a înțelege mai bine esența problemei, luați în considerare un experiment foarte simplu. Lăsați bobina să fie formată dintr-o spire de sârmă și să fie străpunsă de un câmp magnetic alternativ perpendicular pe planul spirei. În bobină, desigur, există un curent de inducție. Maxwell a interpretat acest experiment cu curaj și neașteptare excepționale.

Când câmpul magnetic se modifică în spațiu, potrivit lui Maxwell, apare un proces pentru care prezența unei bobine de sârmă nu are importanță. Principalul lucru aici este apariția liniilor inelare închise ale câmpului electric, care acoperă câmpul magnetic în schimbare. Sub acțiunea câmpului electric emergent, electronii încep să se miște, iar în bobină ia naștere un curent electric. O bobină este doar un dispozitiv care vă permite să detectați un câmp electric. Esența fenomenului de inducție electromagnetică este că un câmp magnetic alternativ generează întotdeauna un câmp electric cu linii de forță închise în spațiul înconjurător. Un astfel de câmp se numește câmp vortex.

Cercetările în domeniul inducției produse de magnetismul terestru i-au oferit lui Faraday ocazia de a exprima ideea unui telegraf încă din 1832, care a stat apoi la baza acestei invenții. În general, descoperirea inducției electromagnetice nu este fără motiv atribuită celui mai mult descoperiri remarcabile Secolul al XIX-lea - munca a milioane de motoare electrice și generatoare de curent electric din întreaga lume se bazează pe acest fenomen ...

Aplicarea practică a fenomenului de inducție electromagnetică

1. Difuzare

Orez. 6. Radio

2. Magnetoterapia

În spectrul de frecvență diferite locuri sunt ocupate de unde radio, lumină, raze X și alte radiații electromagnetice. Ele sunt de obicei caracterizate de câmpuri electrice și magnetice interconectate continuu.

3. Sincrofazotroni

4. Debitmetre

5. Generator DC

6. Transformatoare

Transformatoarele sunt utilizate pe scară largă în transmiterea energiei electrice pe distanțe lungi, distribuția acesteia între receptoare, precum și în diverse dispozitive de redresare, amplificare, semnalizare și alte dispozitive.

Folosind un transformator cu un raport invers al spirelor, puteți obține la fel de ușor și simplu o tensiune redusă.

Lista literaturii folosite

1. [Resursa electronică]. Inductie electromagnetica.

< https://ru.wikipedia.org/>

2. [Resursa electronica].Faraday. Descoperirea inducției electromagnetice.

< http://www.e-reading.club/chapter.php/26178/78/Karcev_-_Maksvell.html >

3. [Resursa electronică]. Descoperirea inducției electromagnetice.

4. [Resursa electronică]. Aplicarea practică a fenomenului de inducție electromagnetică.

După descoperirile lui Oersted și Ampère, a devenit clar că electricitatea are o forță magnetică. Acum a fost necesar să se confirme influența fenomenelor magnetice asupra celor electrice. Această problemă a fost rezolvată cu brio de Faraday.

În 1821, M. Faraday a făcut o înregistrare în jurnalul său: „Transformă magnetismul în electricitate”. După 10 ani, această problemă a fost rezolvată de el.

Deci, Michael Faraday (1791-1867) - fizician și chimist englez.

Unul dintre fondatorii electrochimiei cantitative. Primită (1823) în stare lichida clor, apoi hidrogen sulfurat, dioxid de carbon, amoniac și dioxid de azot. A descoperit (1825) benzenul, i-a studiat fizic și unele Proprietăți chimice. Introducerea conceptului de permitivitate dielectrică. Numele lui Faraday a intrat în sistemul de unități electrice ca unitate de capacitate electrică.

Multe dintre aceste lucrări ar putea, de la sine, să imortalizeze numele autorului lor. Dar cele mai importante dintre lucrările științifice ale lui Faraday sunt cercetările sale în domeniul electromagnetismului și inducției electrice. Strict vorbind, ramura importantă a fizicii, care tratează fenomenele de electromagnetism și electricitate inductivă, și care este în prezent de o importanță atât de mare pentru tehnologie, a fost creată de Faraday din nimic.

Când Faraday s-a dedicat în cele din urmă cercetării în domeniul electricității, s-a stabilit că, în condiții obișnuite, prezența unui corp electrificat este suficientă pentru ca influența sa să excite electricitatea în orice alt corp.

Totodată, se știa că firul prin care trece curentul și care este tot un corp electrificat nu are niciun efect asupra altor fire amplasate în apropiere. Ce a cauzat această excepție? Aceasta este întrebarea care l-a interesat pe Faraday și a cărei soluție l-a condus la cele mai importante descoperiri în domeniul electricității de inducție.

Faraday a înfășurat două fire izolate paralele între ele pe același sucisor de lemn. El a conectat capetele unui fir la o baterie de zece elemente, iar capetele celuilalt la un galvanometru sensibil. Când curentul a fost trecut prin primul fir, Faraday și-a îndreptat toată atenția către galvanometru, așteptându-se să observe din oscilațiile acestuia apariția unui curent în al doilea fir. Cu toate acestea, nu a existat nimic de acest fel: galvanometrul a rămas calm. Faraday a decis să mărească curentul și a introdus 120 de celule galvanice în circuit. Rezultatul este același. Faraday a repetat acest experiment de zeci de ori, toate cu același succes. Oricine altcineva în locul lui ar fi părăsit experimentul, convins că curentul care trece prin fir nu are efect asupra firului adiacent. Dar Faraday a încercat întotdeauna să extragă din experimentele și observațiile sale tot ceea ce puteau oferi și, prin urmare, neavând un efect direct asupra firului conectat la galvanometru, a început să caute efecte secundare.

câmp de curent electric de inducție electromagnetică

A observat imediat că galvanometrul, rămânând complet calm pe toată durata trecerii curentului, a început să oscileze chiar la închiderea circuitului, iar când a fost deschis, s-a dovedit că în momentul în care curentul a trecut în primul fir, și, de asemenea, atunci când această transmisie a încetat, în timpul celui de-al doilea fir este de asemenea excitat de un curent, care în primul caz are sens opus cu primul curent și este la fel cu acesta în al doilea caz și durează doar o clipă.

Fiind instantanee, dispărând instantaneu după apariția lor, curenții inductivi nu ar avea nicio semnificație practică dacă Faraday nu ar fi găsit o cale, cu ajutorul unui dispozitiv ingenios (comutator), să întrerupă constant și să conducă din nou curentul primar care vine din baterie prin intermediul primul fir, datorită căruia în al doilea fir este excitat continuu de curenți din ce în ce mai mulți inductivi, devenind astfel constant. Astfel, a fost găsită o nouă sursă de energie electrică, pe lângă cele cunoscute anterior (frecare și procese chimice), - inducția, și un nou tip al acestei energii - electricitatea de inducție.

INDUCTIE ELECTROMAGNETICA(lat. inductio - ghidare) - fenomenul generării unui câmp electric vortex de către un câmp magnetic alternativ. Dacă introduceți un conductor închis într-un câmp magnetic alternativ, atunci va apărea un curent electric în el. Apariția acestui curent se numește inducție de curent, iar curentul în sine se numește inductiv.

Studiul apariției curentului electric a îngrijorat întotdeauna oamenii de știință. După ce savantul danez Oersted a aflat la începutul secolului al XIX-lea că în jurul unui curent electric ia naștere un câmp magnetic, oamenii de știință s-au întrebat dacă un câmp magnetic ar putea genera curent electric și invers.Primul om de știință care a reușit a fost omul de știință Michael Faraday.

Experimentele lui Faraday

După numeroase experimente, Faraday a reușit să obțină unele rezultate.

1. Apariția curentului electric

Pentru a efectua experimentul, a luat o bobină cu o cantitate mare se întoarce și l-a conectat la un miliampermetru (un dispozitiv care măsoară curentul). În direcția în sus și în jos, omul de știință a mișcat magnetul în jurul bobinei.

În timpul experimentului, un curent electric a apărut efectiv în bobină din cauza unei modificări a câmpului magnetic din jurul acesteia.

Conform observațiilor lui Faraday, acul miliampermetrului a deviat și a indicat că mișcarea magnetului generează un curent electric. Când magnetul s-a oprit, săgeata arăta marcaje zero, adică. nu circulă curent în circuit.

orez. 1 Modificare a intensității curentului în bobină datorită mișcării rejectului

Acest fenomen, în care curentul are loc sub influența unui câmp magnetic alternativ în conductor, a fost numit fenomen de inducție electromagnetică.

2.Schimbarea direcției curentului de inducție

În cercetările sale ulterioare, Michael Faraday a încercat să afle ce influențează direcția curentului electric inductiv rezultat. În timpul experimentelor, el a observat că prin schimbarea numărului de bobine de pe bobină sau a polarității magneților, direcția curentului electric care apare într-o rețea închisă se modifică.

3. Fenomenul de inducție electromagnetică

Pentru a efectua experimentul, omul de știință a luat două bobine, pe care le-a așezat aproape una de alta. Prima bobină cu un numar mare de spire de fir, a fost conectat la o sursă de curent și o cheie care deschide și închide circuitul. A conectat a doua bobină la un miliampermetru fără a fi conectat la o sursă de curent.

În timpul unui experiment, Faraday a observat că atunci când un circuit electric este închis, apare un curent indus, care poate fi văzut din mișcarea săgeții unui miliampermetru. Când circuitul a fost deschis, miliampermetrul a arătat și că în circuit era curent electric, dar citirile au fost exact invers. Când circuitul a fost închis și curentul a circulat uniform, nu exista curent în circuitul electric conform datelor miliametrului.

https://youtu.be/iVYEeX5mTJ8

Concluzie din experimente

Ca urmare a descoperirii lui Faraday s-a dovedit următoarea ipoteză: curentul electric apare doar atunci când câmpul magnetic se modifică. De asemenea, s-a dovedit că modificarea numărului de spire în bobină modifică valoarea curentului (creșterea bobinelor crește curentul). Mai mult, un curent electric indus poate apărea într-un circuit închis doar în prezența unui câmp magnetic alternativ.

Ce determină curentul electric inductiv?

Pe baza tuturor celor de mai sus, se poate observa că, chiar dacă există un câmp magnetic, acesta nu va duce la un curent electric, dacă acest câmp nu este alternativ.

Deci, de ce depinde mărimea câmpului de inducție?

Numărul de spire pe bobină;
Rata de modificare a câmpului magnetic;
Viteza magnetului.

Fluxul magnetic este o mărime care caracterizează un câmp magnetic. Schimbându-se, fluxul magnetic duce la o modificare a curentului electric indus.

Fig. 2 Modificarea puterii curentului la deplasare a) bobina în care se află solenoidul; b) un magnet permanent prin introducerea lui în bobină

legea lui Faraday

Pe baza experimentelor, Michael Faraday a formulat legea inducției electromagnetice. Legea este că, atunci când un câmp magnetic se modifică, acesta duce la apariția unui curent electric, în timp ce curentul indică prezența unei forțe electromotoare de inducție electromagnetică (EMF).

Modificarea vitezei curentului magnetic implică o modificare a vitezei curentului și a EMF.

Legea lui Faraday: EMF de inducție electromagnetică este numeric egală și opusă ca semn ratei de modificare a fluxului magnetic care trece printr-o suprafață delimitată de un contur.

Inductanța buclei. Auto-inducție.

Un câmp magnetic este creat atunci când curentul circulă într-un circuit închis. În acest caz, puterea curentului afectează fluxul magnetic și induce un EMF.

Auto-inducția este un fenomen în care FEM de inducție apare atunci când puterea curentului din circuit se modifică.

Autoinducția variază în funcție de caracteristicile formei circuitului, de dimensiunile acestuia și de mediul în care îl conține.

Pe măsură ce curentul electric crește, curentul auto-inductiv al buclei îl poate încetini. Când scade, curentul de autoinducție, dimpotrivă, nu îi permite să scadă atât de repede. Astfel, circuitul începe să aibă inerția sa electrică, încetinind orice modificare a curentului.

Aplicarea emf indusă

Fenomenul inducției electromagnetice are o aplicație practică în generatoare, transformatoare și motoare care funcționează cu energie electrică.

În acest caz, curentul în aceste scopuri se obține în următoarele moduri:

Schimbarea curentului în bobină;
Mișcarea câmpului magnetic prin magneți permanenți și electromagneți;
Rotirea bobinelor sau bobinelor într-un câmp magnetic constant.

Descoperirea inducției electromagnetice de către Michael Faraday a adus o mare contribuție la știință și la viața noastră de zi cu zi. Această descoperire a servit ca un impuls pentru descoperiri ulterioare în domeniul studierii câmpurilor electromagnetice și este utilizată pe scară largă în viața modernă al oamenilor.

Aplicarea practică a inducției electromagnetice

Fenomenul de inducție electromagnetică este utilizat în primul rând pentru a transforma energia mecanică în energie de curent electric. În acest scop, aplicați alternatoare(generatoare cu inducție).

păcat

DAR

ÎN

DIN

Orez. 4.6

Pentru productie industriala se utilizează energie electrică la centralele electrice generatoare sincrone(turbogeneratoare, dacă stația este termică sau nucleară, și hidrogeneratoare, dacă stația este hidraulică). Se numește partea staționară a unui generator sincron stator, și rotind - rotor(Fig. 4.6). Rotorul generatorului are o înfășurare DC (înfășurare de excitație) și este un electromagnet puternic. DC prezentat la
înfășurarea de excitație prin aparatul de contact perie, magnetizează rotorul și în acest caz se formează un electromagnet cu poli nord și sud.

Pe statorul generatorului există trei înfășurări de curent alternativ, care sunt compensate una față de alta cu 120 0 și sunt interconectate în funcție de un anumit circuit de comutare.

Când un rotor excitat se rotește cu ajutorul unei turbine cu abur sau hidraulice, polii săi trec pe sub înfășurările statorului și în ele este indusă o forță electromotoare care se modifică după o lege armonică. Apoi, generatorul conform unei anumite scheme reteaua electrica conectat la nodurile de consum de energie.

Dacă transferați energie electrică de la generatoarele de stații către consumatori prin intermediul liniilor electrice direct (la tensiunea generatorului, care este relativ mică), atunci vor apărea pierderi mari de energie și tensiune în rețea (atenție la raporturi , ). Prin urmare, pentru transportul economic al energiei electrice, este necesar să se reducă puterea curentului. Cu toate acestea, deoarece puterea transmisă rămâne neschimbată, tensiunea trebuie
creste cu acelasi factor cu cat scade curentul.

La consumatorul de energie electrică, la rândul său, tensiunea trebuie redusă la nivelul cerut. Sunt numite dispozitive electrice în care tensiunea este crescută sau scăzută de un anumit număr de ori transformatoare. Munca transformatorului se bazează și pe legea inducției electromagnetice.

păcat

Apoi

În transformatoarele puternice, rezistențele bobinei sunt foarte mici,
prin urmare, tensiunile la bornele înfășurărilor primare și secundare sunt aproximativ egale cu EMF:

Unde k- raportul de transformare. La k<1 () transformatorul este ridicarea, la k>1 () transformatorul este coborând.

Când este conectat la înfășurarea secundară a unui transformator de sarcină, curentul va curge în el. Cu o creștere a consumului de energie electrică conform legii
conservarea energiei, ar trebui să crească energia degajată de generatoarele stației, adică

Aceasta înseamnă că prin creșterea tensiunii cu un transformator
în k de ori, este posibil să se reducă puterea curentului în circuit cu aceeași cantitate (în acest caz, pierderile Joule scad cu k de 2 ori).

Tema 17. Fundamentele teoriei lui Maxwell pentru câmpul electromagnetic. Undele electromagnetice

În anii 60. secolul al 19-lea Omul de știință englez J. Maxwell (1831-1879) a rezumat legile câmpurilor electrice și magnetice stabilite experimental și a creat un întreg unificat teoria câmpului electromagnetic. Vă permite să decideți sarcina principală a electrodinamicii: aflați caracteristicile câmpului electromagnetic al unui sistem dat de sarcini electrice și curenți.

Maxwell a emis ipoteza că orice câmp magnetic alternativ excită un câmp electric vortex în spațiul înconjurător, a cărui circulație este cauza emf de inducție electromagnetică în circuit:

(5.1)

Ecuația (5.1) se numește A doua ecuație a lui Maxwell. Sensul acestei ecuații este că un câmp magnetic în schimbare generează un câmp electric vortex, iar acesta din urmă, la rândul său, provoacă un câmp magnetic în schimbare în dielectricul sau vidul din jur. Deoarece câmpul magnetic este creat de un curent electric, atunci, conform lui Maxwell, câmpul electric vortex ar trebui considerat ca un anumit curent,
care curge atat in dielectric cat si in vid. Maxwell a numit acest curent curent de polarizare.

Curent de deplasare, după cum rezultă din teoria lui Maxwell
și experimentele lui Eichenwald, creează același câmp magnetic ca și curentul de conducere.

În teoria sa, Maxwell a introdus conceptul curent complet egal cu suma
curenti de conducere si de deplasare. Prin urmare, densitatea totală de curent

Potrivit lui Maxwell, curentul total din circuit este întotdeauna închis, adică doar curentul de conducere se întrerupe la capetele conductorilor, iar în dielectricul (vid) dintre capetele conductorului există un curent de deplasare care închide curent de conducere.

Introducând conceptul de curent total, Maxwell a generalizat teorema circulației vectoriale (sau ):

(5.6)

Ecuația (5.6) se numește Prima ecuație a lui Maxwell în formă integrală. Este o lege generalizată a curentului total și exprimă poziția principală a teoriei electromagnetice: curenții de deplasare creează aceleași câmpuri magnetice ca și curenții de conducere.

Teoria macroscopică unificată a câmpului electromagnetic creată de Maxwell a făcut posibilă, dintr-un punct de vedere unificat, nu numai explicarea fenomenelor electrice și magnetice, ci și prezicerea altora noi, a căror existență a fost ulterior confirmată în practică (de exemplu, descoperirea undelor electromagnetice).

Rezumând prevederile discutate mai sus, prezentăm ecuațiile care stau la baza teoriei electromagnetice a lui Maxwell.

1. Teorema privind circulația vectorului câmp magnetic:

Această ecuație arată că câmpurile magnetice pot fi create fie prin sarcini în mișcare (curenți electrici), fie prin câmpuri electrice alternative.

2. Câmp electric poate fi atât potențial () cât și vortex (), deci puterea totală a câmpului . Deoarece circulația vectorului este egală cu zero, atunci circulația vectorului intensității câmpului electric total

Această ecuație arată că sursele câmpului electric pot fi nu numai sarcini electrice, dar și câmpuri magnetice care variază în timp.

3. ,

unde este densitatea volumului de sarcină în interiorul suprafeței închise; este conductivitatea specifică a substanței.

Pentru câmpuri staționare ( E= const , B= const) Ecuațiile lui Maxwell iau forma

adică sursele câmpului magnetic în acest caz sunt numai
curenții de conducere, iar sursele câmpului electric sunt doar sarcini electrice. În acest caz particular, câmpurile electrice și magnetice sunt independente unul de celălalt, ceea ce face posibilă studierea separată permanent câmpuri electrice și magnetice.

Utilizarea cunoscută din analiza vectorială Teoremele Stokes și Gauss, se poate imagina sistemul complet de ecuații lui Maxwell în formă diferențială(caracterizarea câmpului în fiecare punct din spațiu):

(5.7)

Evident, ecuațiile lui Maxwell nu simetric referitor la câmpurile electrice și magnetice. Acest lucru se datorează faptului că natura
Există sarcini electrice, dar nu există sarcini magnetice.

Ecuațiile lui Maxwell sunt cele mai generale ecuații pentru electricitate
și câmpurile magnetice din medii în repaus. Ei joacă același rol în teoria electromagnetismului ca legile lui Newton în mecanică.

unde electromagnetice numit câmp electromagnetic alternant care se propagă în spațiu cu o viteză finită.

Existența undelor electromagnetice decurge din ecuațiile lui Maxwell, formulate în 1865 pe baza unei generalizări a legilor empirice ale fenomenelor electrice și magnetice. O undă electromagnetică se formează datorită interconexiunii câmpurilor electrice și magnetice alternative - o modificare a unui câmp duce la o modificare a celuilalt, adică cu cât inducția câmpului magnetic se schimbă mai repede în timp, cu atât intensitatea câmpului electric este mai mare și viceversa. Astfel, pentru formarea undelor electromagnetice intense, este necesară excitarea oscilațiilor electromagnetice de o frecvență suficient de mare. Viteza fazei unde electromagnetice se determină
proprietățile electrice și magnetice ale mediului:

În vid ( ) viteza de propagare a undelor electromagnetice coincide cu viteza luminii; în materie , de aceea viteza de propagare a undelor electromagnetice în materie este întotdeauna mai mică decât în vid.

Undele electromagnetice sunt unde de forfecare –
oscilațiile vectorilor și apar în planuri reciproc perpendiculare, iar vectorii , și formează un sistem de dreapta. De asemenea, din ecuațiile lui Maxwell rezultă că într-o undă electromagnetică vectorii și oscilează întotdeauna în aceleași faze, iar valorile instantanee EȘi Hîn orice moment sunt legate prin relaţie

ecuații plane unde electromagnetice sub formă de vector:

(6.66)

Orez. 6.21

Pe fig. 6.21 arată un „instantaneu” al unei unde electromagnetice plane. Din aceasta se poate observa că vectorii și formează un sistem de dreapta cu direcția de propagare a undei. Într-un punct fix în spațiu, vectorii câmpurilor electrice și magnetice se modifică în timp conform unei legi armonice.

Pentru a caracteriza transferul de energie de către orice undă în fizică, o mărime vectorială numită densitatea fluxului energetic. Este numeric egal cu cantitatea de energie transferată pe unitatea de timp printr-o unitate de suprafață perpendiculară pe direcția în care
valul se propagă. Direcția vectorului coincide cu direcția transferului de energie. Valoarea densității fluxului de energie poate fi obținută prin înmulțirea densității de energie cu viteza undei

Densitatea de energie a câmpului electromagnetic este suma densității de energie a câmpului electric și a densității de energie a câmpului magnetic:

(6.67)

Înmulțind densitatea de energie a unei unde electromagnetice cu viteza sa de fază, obținem densitatea fluxului de energie

(6.68)

Vectorii și sunt reciproc perpendiculari și formează un sistem de dreapta cu direcția de propagare a undei. Prin urmare direcția
vector coincide cu direcția de transfer de energie, iar modulul acestui vector este determinat de relația (6.68). Prin urmare, vectorul densității fluxului de energie al unei unde electromagnetice poate fi reprezentat ca un produs vectorial

(6.69)

Apel vectorial Vector Umov-Poynting.

Vibrații și valuri

Subiectul 18. Loose vibratii armonice

Se numesc mișcări care au un anumit grad de repetare fluctuatii.

Dacă valorile mărimilor fizice care se modifică în procesul de mișcare se repetă la intervale regulate, atunci o astfel de mișcare se numește periodic (mișcarea planetelor în jurul Soarelui, mișcarea unui piston în cilindrul unui motor cu ardere internă etc.). Un sistem oscilator, indiferent de natura sa fizică, se numește oscilator. Un exemplu de oscilator este o greutate oscilantă suspendată pe un arc sau filet.

Plină desfășurarese numește un ciclu complet de mișcare oscilatorie, după care se repetă în aceeași ordine.

Conform metodei de excitare, vibrațiile sunt împărțite în:

· gratuit(intrinsec) care apare în sistemul prezentat în apropierea poziţiei de echilibru după un impact iniţial;

· forţat care apar sub acțiune externă periodică;

· parametrica, care apar la modificarea oricărui parametru al sistemului oscilator;

· autooscilații care apar în sisteme care reglează în mod independent fluxul de influenţe externe.

Orice mișcare oscilativă este caracterizată amplitudine A - abaterea maximă a punctului oscilant de la poziția de echilibru.

Se numesc oscilații ale unui punct care apar cu o amplitudine constantă neamortizat, şi fluctuaţii cu amplitudine în scădere treptat – decolorare.

Se numește timpul necesar pentru ca o oscilație completă să aibă loc perioadă(T).

Frecvență oscilațiile periodice reprezintă numărul de oscilații complete pe unitatea de timp. Unitatea de frecvență de oscilație - hertz(Hz). Hertz este frecvența oscilațiilor, a cărei perioadă este egală cu 1 s: 1 Hz = 1 s -1 .

ciclicsau frecventa circulara oscilațiile periodice reprezintă numărul de oscilații complete care au loc într-un timp 2p cu: . \u003d rad / s.