Lagen om elektromagnetisk induktion. Som upptäckte fenomenet elektromagnetisk induktion

Fenomen elektromagnetisk induktion upptäcktes av Mile Faraday 1831. Till och med 10 år tidigare tänkte Faraday på ett sätt att förvandla magnetism till elektricitet. Han trodde att magnetfältet och elektriskt fält måste kopplas ihop på något sätt.

Upptäckten av elektromagnetisk induktion

Till exempel att använda elektriskt fält Du kan magnetisera ett järnföremål. Förmodligen borde det vara möjligt med hjälp av en magnet att få elektricitet.

Först upptäckte Faraday fenomenet elektromagnetisk induktion i ledare som är stationära i förhållande till varandra. När en ström uppträdde i en av dem inducerades också en ström i den andra spolen. Dessutom försvann den i framtiden och dök upp igen först när strömmen till en spole stängdes av.

Efter en tid bevisade Faraday i experiment att när en spole utan ström flyttas i en krets i förhållande till en annan, vid vars ändar spänning appliceras, kommer en elektrisk ström också att uppstå i den första spolen.

Nästa experiment var införandet av en magnet i spolen, och samtidigt uppträdde en ström i den. Dessa experiment visas i följande figurer.

Faraday formulerade huvudorsaken till uppkomsten av ström i en sluten krets. I en sluten ledande krets uppstår ström när antalet magnetiska induktionslinjer som genomsyrar denna krets ändras.

Ju större denna förändring, desto starkare blir induktionsströmmen. Det spelar ingen roll hur vi uppnår en förändring av antalet linjer av magnetisk induktion. Detta kan till exempel göras genom att flytta konturen i ett ojämnt magnetfält, som hände i experimentet med en magnet eller rörelsen av en spole. Och vi kan till exempel ändra strömstyrkan i spolen intill kretsen, medan magnetfältet som skapas av denna spole kommer att förändras.

Lagens ordalydelse

Låt oss sammanfatta kort. Fenomenet elektromagnetisk induktion är fenomenet med förekomsten av ström i en sluten krets, med en förändring i magnetfältet där denna krets är belägen.

För en mer exakt formulering av lagen om elektromagnetisk induktion är det nödvändigt att införa ett värde som skulle karakterisera magnetfältet - flödet av den magnetiska induktionsvektorn.

magnetiskt flöde

Den magnetiska induktionsvektorn betecknas med bokstaven B. Den kommer att karakterisera magnetfältet vid vilken punkt som helst i rymden. Betrakta nu en sluten kontur som begränsar ytan med area S. Låt oss placera den i ett enhetligt magnetfält.

Det kommer att finnas en viss vinkel a mellan normalvektorn till ytan och den magnetiska induktionsvektorn. Det magnetiska flödet Ф genom en yta med area S kallas fysisk kvantitet, lika med produkten av modulen för den magnetiska induktionsvektorn och ytarean och cosinus för vinkeln mellan den magnetiska induktionsvektorn och normalen till konturen.

F \u003d B * S * cos (a).

Produkten B*cos(a) är projektionen av vektorn B på det normala n. Därför kan formuläret för det magnetiska flödet skrivas om enligt följande:

Enheten för magnetiskt flöde är weber. Betecknas 1 Wb. Ett magnetiskt flöde på 1Wb skapas magnetiskt fält med en induktion på 1 T genom en yta på 1 m ^ 2, som är placerad vinkelrätt mot den magnetiska induktionsvektorn.

Efter upptäckterna av Oersted och Ampère blev det klart att elektricitet har en magnetisk kraft. Nu var det nödvändigt att bekräfta inflytandet magnetiska fenomen till elektrisk. Detta problem löstes briljant av Faraday.

Michael Faraday (1791-1867) föddes i London, en av de fattigaste delarna av det. Hans far var smed och hans mor var dotter till en arrendator. När Faraday nådde skolåldern skickades han till grundskolan. Kursen som Faraday tog här var mycket smal och begränsad till att bara lära sig läsa, skriva och börja räkna.

Några steg från huset där familjen Faraday bodde fanns en bokhandel, som också var ett bokbinderi. Det var hit Faraday kom, efter att ha genomfört kursen grundskola när frågan uppstod om att välja yrke åt honom. Michael var vid den tiden bara 13 år gammal. Redan i sin ungdom, när Faraday precis hade börjat sin självutbildning, strävade han efter att enbart förlita sig på fakta och verifiera andras rapporter med sina egna erfarenheter.

Dessa strävanden dominerade honom hela hans liv som huvuddragen i hans vetenskaplig verksamhet Fysiska och kemiska experiment Faraday började göra det som pojke vid den första bekantskapen med fysik och kemi. En gång deltog Michael i en av föreläsningarna av Humphry Davy, den store engelske fysikern.

Faraday gjorde en detaljerad anteckning om föreläsningen, band den och skickade den till Davy. Han blev så imponerad att han erbjöd Faraday att arbeta med honom som sekreterare. Snart åkte Davy på en resa till Europa och tog Faraday med sig. Under två år besökte de de största europeiska universiteten.

När han återvände till London 1815 började Faraday arbeta som assistent i ett av laboratorierna vid Royal Institution i London. På den tiden var det ett av de bästa fysiska laboratorierna i världen.Från 1816 till 1818 publicerade Faraday ett antal små anteckningar och små memoarer om kemi. Faradays första arbete om fysik går tillbaka till 1818.

Baserat på erfarenheterna från sina föregångare och kombinera flera egna erfarenheter, i september 1821 hade Michael tryckt "The Success Story of Electromagnetism". Redan på den tiden skapade han ett helt korrekt koncept av essensen av fenomenet avböjning av en magnetisk nål under inverkan av en ström.

Efter att ha uppnått denna framgång lämnade Faraday sina studier inom elområdet i tio år och ägnade sig åt studier av ett antal ämnen av ett annat slag. År 1823 gjorde Faraday en av de viktigaste upptäckterna inom fysikens område - han uppnådde först flytande av en gas och etablerade samtidigt en enkel men giltig metod för att omvandla gaser till en vätska. År 1824 gjorde Faraday flera upptäckter inom fysikområdet.

Han konstaterade bland annat att ljuset påverkar glasets färg och förändrar den. PÅ nästa år Faraday vänder sig åter från fysik till kemi, och resultatet av hans arbete på detta område är upptäckten av bensin och svavelsyranaftalensyra.

År 1831 publicerade Faraday en avhandling om en speciell sorts optisk illusion, som fungerade som grund för en vacker och nyfiken optisk projektil som kallas "kromotropen". Samma år publicerades en annan avhandling av vetenskapsmannen "Om vibrerande plattor". Många av dessa verk kunde av sig själva föreviga namnet på sin författare. Men det viktigaste av vetenskapliga arbeten Faraday är hans forskning inom området elektromagnetism och elektrisk induktion.

Strängt taget skapades den viktiga gren av fysiken, som behandlar fenomenen elektromagnetism och induktiv elektricitet, och som för närvarande är av så stor betydelse för tekniken, av Faraday ur ingenting.

När Faraday äntligen ägnade sig åt forskning inom elområdet konstaterades att med vanliga förhållanden närvaron av en elektrifierad kropp är tillräcklig för att dess inflytande ska excitera elektricitet i alla andra kroppar. Samtidigt var det känt att den ledning som strömmen går igenom och som dessutom är en elektrifierad kropp inte har någon effekt på andra ledningar som placeras i närheten.

Vad orsakade detta undantag? Det är denna fråga som intresserade Faraday och vars lösning ledde honom till stora upptäckter inom området induktionsel. Som vanligt påbörjade Faraday en serie experiment som var tänkta att klargöra sakens väsen.

Faraday lindade två isolerade trådar parallellt med varandra på samma träkavel. Han kopplade ändarna på en tråd till ett batteri med tio element och ändarna på den andra till en känslig galvanometer. När strömmen gick genom den första tråden,

Faraday vände all sin uppmärksamhet mot galvanometern och förväntade sig att märka från dess svängningar hur en ström uppträdde i den andra tråden också. Det fanns dock inget sådant: galvanometern förblev lugn. Faraday bestämde sig för att öka strömmen och introducerade 120 galvaniska celler i kretsen. Resultatet är detsamma. Faraday upprepade detta experiment dussintals gånger, alla med samma framgång.

Någon annan i hans ställe skulle ha lämnat experimentet, övertygad om att strömmen som passerar genom tråden inte har någon effekt på den intilliggande tråden. Men Faraday försökte alltid från sina experiment och observationer utvinna allt de kunde ge, och därför, efter att inte ha fått någon direkt effekt på tråden som var kopplad till galvanometern, började han leta efter biverkningar.

Han märkte omedelbart att galvanometern, som förblev helt lugn under hela strömmens gång, började svänga vid själva kretsens stängning och vid dess öppning, den andra ledningen exciteras också av en ström, som i det första fallet är motsatt till den första strömmen och samma sak med den i det andra fallet och varar bara ett ögonblick.

Dessa sekundära momentana strömmar, orsakade av inverkan av primära, kallades induktiva av Faraday, och detta namn har bevarats för dem tills nu. Eftersom de är momentana, försvinner omedelbart efter att de har dykt upp, skulle induktiva strömmar inte ha någon praktisk betydelse om Faraday inte hade hittat ett sätt, med hjälp av en genialisk anordning (kommutator), att ständigt avbryta och återigen leda den primära strömmen som kommer från batteriet genom batteriet. första tråden, på grund av vilken i den andra tråden kontinuerligt exciteras av fler och fler induktiva strömmar, och därmed blir konstant. Så en ny källa hittades elektrisk energi, förutom tidigare kända (friktion och kemiska processer), - induktion, och den nya sorten av denna energi är induktionselektricitet.

Faraday fortsatte med sina experiment och upptäckte vidare att en enkel approximation av en tråd vriden till en sluten kurva till en annan, längs vilken en galvanisk ström flyter, räcker för att excitera en induktiv ström i motsatt riktning mot den galvaniska strömmen i en neutral tråd. avlägsnandet av en neutral tråd exciterar igen en induktiv ström i den. strömmen är redan i samma riktning som den galvaniska strömmen som flyter längs en fast tråd, och att slutligen dessa induktiva strömmar exciteras endast under närmandet och avlägsnandet av tråd till den galvaniska strömmens ledare, och utan denna rörelse exciteras inte strömmarna, oavsett hur nära ledningarna är varandra .

Således upptäcktes ett nytt fenomen, liknande det ovan beskrivna fenomenet induktion under stängning och avslutning av den galvaniska strömmen. Dessa upptäckter gav i sin tur upphov till nya. Om det är möjligt att producera en induktiv ström genom att stänga och stoppa den galvaniska strömmen, skulle inte samma resultat erhållas från magnetisering och avmagnetisering av järn?

Oersteds och Ampères arbete hade redan etablerat förhållandet mellan magnetism och elektricitet. Det var känt att järn blir en magnet när en isolerad tråd lindas runt den och en galvanisk ström passerar genom den senare, och att magnetiska egenskaper av detta järn upphöra så snart strömmen upphör.

Utifrån detta kom Faraday på den här typen av experiment: två isolerade ledningar lindades runt en järnring; dessutom var en tråd lindad runt ena halvan av ringen och den andra runt den andra. En ström från ett galvaniskt batteri leddes genom en tråd och ändarna på den andra kopplades till en galvanometer. Och så, när strömmen stängdes eller stannade, och när järnringen följaktligen magnetiserades eller avmagnetiserades, oscillerade galvanometernålen snabbt och stannade sedan snabbt, det vill säga alla samma momentana induktiva strömmar exciterades i den neutrala ledningen - detta tid: redan under påverkan av magnetism.

Således omvandlades magnetism här för första gången till elektricitet. Efter att ha fått dessa resultat bestämde sig Faraday för att diversifiera sina experiment. Istället för en järnring började han använda ett järnband. Istället för att spännande magnetism i järn med en galvanisk ström, magnetiserade han järnet genom att röra det mot en permanent stålmagnet. Resultatet blev detsamma: i tråden lindad runt järnet, alltid! strömmen exciterades i ögonblicket för magnetisering och avmagnetisering av järn.

Sedan introducerade Faraday en stålmagnet i trådspiralen - närmande och avlägsnande av den senare orsakade induktionsströmmar i tråden. Med ett ord, magnetism, i betydelsen excitation av induktiva strömmar, verkade på exakt samma sätt som den galvaniska strömmen.

På den tiden var fysiker intensivt sysselsatta med ett mystiskt fenomen, upptäckt 1824 av Arago och hittade ingen förklaring, trots; att denna förklaring eftersöktes intensivt av så framstående vetenskapsmän på den tiden som Arago själv, Ampère, Poisson, Babaj och Herschel.

Saken var följande. En magnetisk nål, fritt hängande, kommer snabbt att vila om en cirkel av icke-magnetisk metall förs under den; om cirkeln sedan sätts i roterande rörelse börjar magnetnålen följa den.

I ett lugnt tillstånd var det omöjligt att upptäcka den minsta attraktion eller avstötning mellan cirkeln och pilen, medan samma cirkel, som var i rörelse, drog bakom sig inte bara en lätt pil, utan också en tung magnet. Detta verkligt mirakulösa fenomen verkade för dåtidens vetenskapsmän vara en mystisk gåta, något utöver det naturliga.

Faraday, baserat på sina ovanstående data, gjorde antagandet att en cirkel av omagnetisk metall, under påverkan av en magnet, cirkuleras under rotation av induktiva strömmar som påverkar den magnetiska nålen och drar den bakom magneten.

I själva verket, genom att introducera kanten av cirkeln mellan polerna på en stor hästskoformad magnet och ansluta cirkelns centrum och kant med en galvanometer med en tråd, fick Faraday en konstant elektrisk ström under cirkelns rotation.

Efter detta slog Faraday fast vid ett annat fenomen som då väckte allmän nyfikenhet. Som ni vet, om järnspån stänks på en magnet, grupperas de längs vissa linjer, kallade magnetiska kurvor. Faraday, som uppmärksammade detta fenomen, gav grunden 1831 till magnetiska kurvor, namnet "linjer med magnetisk kraft", som sedan kom i allmän användning.

Studiet av dessa "linjer" ledde Faraday till en ny upptäckt, det visade sig att för excitation av induktiva strömmar är det inte nödvändigt att närma sig och ta bort källan från den magnetiska polen. För att excitera strömmar räcker det att korsa linjerna för magnetisk kraft på ett känt sätt.

Ytterligare verk av Faraday i nämnda riktning fick från modern synvinkel karaktären av något helt mirakulöst. I början av 1832 demonstrerade han en apparat där induktiva strömmar exciterades utan hjälp av magnet eller galvanisk ström.

Anordningen bestod av en järnremsa placerad i en trådspiral. Denna anordning gav under vanliga förhållanden inte det minsta tecken på uppkomsten av strömmar i den; men så snart han fick en riktning som motsvarade den magnetiska nålens riktning, exciterades en ström i tråden.

Sedan gav Faraday magnetnålens position till en spole och införde sedan en järnremsa i den: strömmen exciterades igen. Orsaken som orsakade strömmen i dessa fall var jordmagnetism, som orsakade induktiva strömmar som en vanlig magnet eller galvanisk ström. För att visa och bevisa detta tydligare, genomförde Faraday ytterligare ett experiment som helt bekräftade hans idéer.

Han resonerade att om en cirkel av icke-magnetisk metall, till exempel koppar, som roterar i en position där den skär linjerna för magnetisk kraft hos en intilliggande magnet, ger en induktiv ström, då roterar samma cirkel i frånvaro av en magnet, men i en position där cirkeln kommer att korsa linjerna för jordmagnetism, måste också ge en induktiv ström.

Och faktiskt, en kopparcirkel, roterad i ett horisontellt plan, gav en induktiv ström, vilket gav en märkbar avvikelse av galvanometernålen. Faraday avslutade en serie studier inom området elektrisk induktion med upptäckten, som gjordes 1835, av "strömmens induktiva effekt på sig själv."

Han fick reda på att när en galvanisk ström stängs eller öppnas, exciteras momentana induktiva strömmar i själva tråden, som fungerar som en ledare för denna ström.

Den ryske fysikern Emil Khristoforovitj Lenz (1804-1861) gav en regel för att bestämma riktningen induktionsström. "Induktionsströmmen är alltid riktad på ett sådant sätt att det magnetiska fältet den skapar hindrar eller bromsar rörelsen som orsakar induktion", konstaterar A.A. Korobko-Stefanov i sin artikel om elektromagnetisk induktion. - Till exempel, när spolen närmar sig magneten, har den resulterande induktiva strömmen en sådan riktning att det magnetiska fältet som skapas av den kommer att vara motsatt magnetens magnetfält. Som ett resultat uppstår repulsiva krafter mellan spolen och magneten.

Lenz regel följer av lagen om bevarande och omvandling av energi. Om induktionsströmmar accelererade rörelsen som orsakade dem, skulle arbete skapas från ingenting. Själva spolen skulle efter ett litet tryck rusa mot magneten och samtidigt skulle induktionsströmmen släppa ut värme i den. I verkligheten skapas induktionsströmmen på grund av arbetet med att föra magneten och spolen närmare varandra.

Varför finns det en inducerad ström? En djupgående förklaring av fenomenet elektromagnetisk induktion gavs av den engelske fysikern James Clerk Maxwell - skaparen av den färdiga matematisk teori elektromagnetiskt fält.

För att bättre förstå essensen av saken, överväg ett mycket enkelt experiment. Låt spolen bestå av ett varv av tråd och genomborras av ett alternerande magnetfält vinkelrätt mot varvets plan. I spolen finns det förstås en induktionsström. Maxwell tolkade detta experiment med exceptionellt mod och oväntat.

När magnetfältet förändras i rymden uppstår enligt Maxwell en process där närvaron av en trådspole inte har någon betydelse. Det viktigaste här är utseendet på slutna ringlinjer i det elektriska fältet, som täcker det föränderliga magnetfältet. Under verkan av det framväxande elektriska fältet börjar elektroner att röra sig, och en elektrisk ström uppstår i spolen. En spole är bara en enhet som låter dig upptäcka ett elektriskt fält.

Kärnan i fenomenet elektromagnetisk induktion är att ett alternerande magnetfält alltid genererar ett elektriskt fält med slutna kraftlinjer i det omgivande rummet. Ett sådant fält kallas ett virvelfält.

Forskning inom området induktion producerad av jordmagnetism gav Faraday möjligheten att uttrycka idén om en telegraf redan 1832, som sedan låg till grund för denna uppfinning. I allmänhet är upptäckten av elektromagnetisk induktion inte utan anledning tillskrivas det mesta enastående upptäckter XIX-talet - arbetet av miljontals elmotorer och elektriska strömgeneratorer runt om i världen är baserat på detta fenomen ...

Informationskälla: Samin D.K. "Hundra stora vetenskapliga upptäckter"., M.: "Veche", 2002

Svar:

Nästa viktiga steg i utvecklingen av elektrodynamiken efter Ampères experiment var upptäckten av fenomenet elektromagnetisk induktion. Den engelske fysikern Michael Faraday (1791 - 1867) upptäckte fenomenet elektromagnetisk induktion.

Faraday, fortfarande en ung vetenskapsman, som Oersted, trodde att alla naturens krafter är sammankopplade och dessutom att de kan förvandlas till varandra. Det är intressant att Faraday uttryckte denna idé redan före upprättandet av lagen om bevarande och omvandling av energi. Faraday visste om upptäckten av Ampere, att han bildligt talat förvandlade elektricitet till magnetism. Efter att reflektera över denna upptäckt kom Faraday till slutsatsen att om "elektricitet skapar magnetism", då vice versa, "måste magnetism skapa elektricitet." Och redan 1823 skrev han i sin dagbok: "Vänd magnetism till elektricitet." I åtta år arbetade Faraday med att lösa problemet. Under lång tid förföljdes han av misslyckanden, och äntligen, 1831, löste han det - han upptäckte fenomenet elektromagnetisk induktion.

Först upptäckte Faraday fenomenet elektromagnetisk induktion för fallet när spolarna är lindade på samma trumma. Om en elektrisk ström uppstår eller försvinner i den ena spolen till följd av att ett galvaniskt batteri kopplas till eller kopplas bort från den, så uppstår en kortvarig ström i den andra spolen i det ögonblicket. Denna ström detekteras av en galvanometer som är ansluten till den andra spolen.

Sedan fastställde Faraday också närvaron av en induktionsström i spolen när en spole närmade sig eller flyttades bort från den, i vilken en elektrisk ström flödade.

slutligen, det tredje fallet av elektromagnetisk induktion, som Faraday upptäckte, var att en ström uppträdde i spolen när en magnet sattes in eller avlägsnades från den.

Faradays upptäckt lockade många fysikers uppmärksamhet, som också började studera egenskaperna hos fenomenet elektromagnetisk induktion. Nästa uppgift var att fastställa den allmänna lagen för elektromagnetisk induktion. Det var nödvändigt att ta reda på hur och på vad styrkan hos den induktiva strömmen i ledaren beror eller på vad värdet av den elektromotoriska induktionskraften i ledaren som den elektriska strömmen induceras beror på.

Denna uppgift visade sig vara svår. Det löstes fullständigt av Faraday och Maxwell senare inom ramen för den lära de utvecklade om det elektromagnetiska fältet. Men fysiker försökte också lösa det, som höll sig till långdistansteorin som var vanlig för den tiden i läran om elektriska och magnetiska fenomen.

Något dessa vetenskapsmän lyckades göra. Samtidigt fick de hjälp av regeln som upptäcktes av S:t Petersburg-akademikern Emil Khristianovich Lenz (1804 - 1865) för att hitta induktionsströmmens riktning i olika tillfällen elektromagnetisk induktion. Lenz formulerade det så här: "Om en metallledare rör sig nära en galvanisk ström eller en magnet, så exciteras en galvanisk ström i den i en sådan riktning att om denna ledare var stationär, så skulle strömmen kunna få den att röra sig i motsatt riktning. riktning; det antas att ledaren i vila endast kan röra sig i rörelseriktningen eller i motsatt riktning.

Denna regel är mycket bekväm för att bestämma riktningen för den induktiva strömmen. Vi använder det redan nu, bara nu är det formulerat lite annorlunda, med begravningen av begreppet elektromagnetisk induktion, som Lenz inte använde.

Men historiskt sett var den huvudsakliga betydelsen av Lenz regel att det väckte idén om hur man skulle närma sig att hitta lagen om elektromagnetisk induktion. Faktum är att i atomregeln upprättas en koppling mellan elektromagnetisk induktion och fenomenet växelverkan mellan strömmar. Frågan om samverkan mellan strömmar löstes redan av Ampère. Därför gjorde etableringen av denna förbindelse först möjligt att bestämma uttrycket för den elektromotoriska induktionskraften i en ledare för ett antal speciella fall.

PÅ allmän syn lagen om elektromagnetisk induktion, som vi har sagt om den, etablerades av Faraday och Maxwell.

Elektromagnetisk induktion - fenomenet med förekomsten av en elektrisk ström i en sluten krets när det magnetiska flödet som passerar genom det ändras.

Elektromagnetisk induktion upptäcktes av Michael Faraday den 29 augusti 1831. Han fann att den elektromotoriska kraften som uppstår i en sluten ledande krets är proportionell mot förändringshastigheten för det magnetiska flödet genom ytan som begränsas av denna krets. Storleken på den elektromotoriska kraften (EMF) beror inte på vad som orsakar förändringen i flödet - en förändring i själva magnetfältet eller rörelsen hos en krets (eller en del av den) i ett magnetfält. Den elektriska strömmen som orsakas av denna EMF kallas induktionsström.

Självinduktion - förekomsten av en EMF av induktion i en sluten ledande krets när strömmen som flyter genom kretsen ändras.

När strömmen i kretsen ändras proportionellt, och magnetiskt flöde genom ytan som begränsas av denna kontur. En förändring i detta magnetiska flöde, på grund av lagen om elektromagnetisk induktion, leder till exciteringen av en induktiv EMF i denna krets.

Detta fenomen kallas självinduktion. (Begreppet är relaterat till begreppet ömsesidig induktion, att vara så att säga dess speciella fall).

Riktning EMF självinduktion det visar sig alltid vara så att när strömmen i kretsen ökar förhindrar självinduktionens EMF denna ökning (riktad mot strömmen), och när strömmen minskar minskar den (samriktad med strömmen). Med denna egenskap liknar självinduktions-EMK tröghetskraften.

Skapandet av det första reläet föregicks av uppfinningen 1824 av engelsmannen Sturgeon av en elektromagnet - en anordning som omvandlar den ingående elektriska strömmen från en trådspole lindad på en järnkärna till ett magnetfält som genereras inuti och utanför denna kärna. Det magnetiska fältet fixerades (detekterades) genom dess effekt på ett ferromagnetiskt material beläget nära kärnan. Detta material attraherades till kärnan av elektromagneten.

Därefter utgjorde effekten av att omvandla energin från en elektrisk ström till mekanisk energi av en meningsfull rörelse av ett externt ferromagnetiskt material (armatur) grunden för olika elektromekaniska telekommunikationsenheter (telegrafi och telefoni), elektroteknik och elkraftindustrin. En av de första sådana enheterna var ett elektromagnetiskt relä, som uppfanns av amerikanen J. Henry 1831.

Hittills har vi beaktat elektriska och magnetiska fält som inte förändras med tiden. Det visade sig att det elektriska fältet skapas elektriska laddningar, och magnetfältet - rörliga laddningar, dvs elektrisk ström. Låt oss gå vidare till att bekanta oss med elektriska och magnetiska fält, som förändras med tiden.

Mest viktigt faktum, som har upptäckts, är det närmaste förhållandet mellan elektriska och magnetiska fält. Ett tidsvarierande magnetfält genererar ett elektriskt fält och ett föränderligt elektriskt fält genererar ett magnetiskt fält. Utan denna koppling mellan fälten skulle mångfalden av manifestationer av elektromagnetiska krafter inte vara så omfattande som de faktiskt är. Det skulle inte finnas några radiovågor eller ljus.

Det är ingen slump att den första avgörande steg i upptäckten av nya egenskaper hos elektromagnetiska interaktioner gjordes grundaren av idéerna om det elektromagnetiska fältet - Faraday. Faraday var säker på den enhetliga naturen hos elektriska och magnetiska fenomen. Tack vare detta gjorde han en upptäckt, som senare låg till grund för utformningen av generatorer för alla kraftverk i världen, som omvandlar mekanisk energi till elektrisk strömenergi. (Andra källor: galvaniska celler, batterier etc. - ger en försumbar andel av den genererade energin.)

Elektrisk ström, resonerade Faraday, är kapabel att magnetisera en bit järn. Kan en magnet i sin tur orsaka en elektrisk ström?

Under en lång tid kunde denna koppling inte hittas. Det var svårt att tänka på det viktigaste, nämligen: endast en magnet i rörelse eller ett magnetfält som förändras med tiden kan excitera en elektrisk ström i spolen.

Vilken typ av olyckor som skulle kunna förhindra upptäckten visar följande faktum. Nästan samtidigt med Faraday försökte den schweiziska fysikern Colladon få en elektrisk ström i en spole med hjälp av en magnet. När han arbetade använde han en galvanometer, vars ljusmagnetiska nål placerades inuti enhetens spole. För att magneten inte direkt skulle påverka nålen fördes ändarna av spolen som Colladon tryckte in magneten i, i hopp om att få en ström i den, ut i angränsande rum och det är anslutna till en galvanometer. Efter att ha satt in magneten i spolen gick Colladon in i nästa rum och med vemod,

såg till att galvanometern inte visar ström. Om han bara hade tittat på galvanometern hela tiden och bett någon arbeta på magneten, hade en anmärkningsvärd upptäckt gjorts. Men detta hände inte. En magnet i vila i förhållande till en spole orsakar ingen ström i den.

Fenomenet elektromagnetisk induktion består i uppkomsten av en elektrisk ström i en ledande krets, som antingen vilar i ett magnetfält som förändras med tiden, eller rör sig i ett konstant magnetfält på ett sådant sätt att antalet magnetiska induktionslinjer som penetrerar kretsförändringar. Den upptäcktes den 29 augusti 1831. Det är ett sällsynt fall när datumet för en ny anmärkningsvärd upptäckt är känt så exakt. Här är en beskrivning av det första experimentet som Faraday själv gav:

”Vindad på en bred träspole koppartråd 203 fot lång, och mellan varven på den är lindad en tråd af samma längd, men isolerad från den första bomullstråden. Den ena av dessa spiraler var kopplad till en galvanometer och den andra till ett starkt batteri bestående av 100 par plattor ... När kretsen var sluten var det möjligt att märka en plötslig, men extremt svag verkan på galvanometern, och samma märktes när strömmen stannade. Med kontinuerlig passage av ström genom en av spolarna var det inte möjligt att notera någon effekt på galvanometern, eller i allmänhet någon induktiv effekt på den andra spolen, trots att uppvärmningen av hela spolen kopplad till batteriet, och ljusstyrkan hos gnistan som hoppade mellan kolen, vittnade om batterikraft "(Faraday M." Experimentella studier på el", 1:a serien).

Så initialt upptäcktes induktion i ledare som var orörliga i förhållande till varandra under stängning och öppning av kretsen. Sedan, med tydlig förståelse för att närmande eller avlägsnande av ledare med ström borde leda till samma resultat som stängning och öppning av kretsen, bevisade Faraday genom experiment att strömmen uppstår när spolarna rör varandra.

i förhållande till en vän. Faraday är bekant med Ampères verk och förstod att en magnet är en samling små strömmar som cirkulerar i molekyler. Den 17 oktober, som registrerats i hans laboratoriejournal, upptäcktes en induktionsström i spolen under införandet (eller uttaget) av magneten. Inom en månad upptäckte Faraday experimentellt alla väsentliga egenskaper hos fenomenet elektromagnetisk induktion.

För närvarande kan Faradays experiment upprepas av alla. För att göra detta måste du ha två spolar, en magnet, ett batteri av element och en tillräckligt känslig galvanometer.

I installationen som visas i figur 238 uppstår en induktionsström i en av spolarna när den elektriska kretsen för den andra spolen, som är stationär i förhållande till den första, stängs eller öppnas. I installationen i figur 239 ändrar en reostat strömmen i en av spolarna. I figur 240, a, visas induktionsströmmen när spolarna rör sig i förhållande till varandra, och i figur 240, b - när de rör sig permanentmagnet angående spolen.

Faraday själv fattade redan det vanliga som bestämmer utseendet på en induktionsström i experiment som ser annorlunda ut utåt.

I en sluten ledande krets uppstår en ström när antalet magnetiska induktionslinjer som penetrerar området som begränsas av denna krets ändras. Och ju snabbare antalet linjer av magnetisk induktion ändras, desto större blir den resulterande induktionsströmmen. I det här fallet är orsaken till förändringen i antalet linjer av magnetisk induktion helt likgiltig. Detta kan vara en förändring i antalet linjer av magnetisk induktion som penetrerar området för en fast ledande krets på grund av en förändring i strömstyrkan i en intilliggande spole (Fig. 238), och en förändring av antalet induktionslinjer på grund av kretsens rörelse i ett inhomogent magnetfält, vars linjers täthet varierar i rymden (fig. 241).

Den magnetiska induktionsvektorn \(~\vec B\) karakteriserar magnetfältet vid varje punkt i rymden. Låt oss introducera ytterligare en kvantitet som beror på värdet av den magnetiska induktionsvektorn inte vid en punkt, utan på alla punkter på en godtyckligt vald yta. Denna kvantitet kallas flödet av den magnetiska induktionsvektorn, eller magnetiskt flöde.

Låt oss i magnetfältet isolera ett så litet ytelement med arean Δ S så att den magnetiska induktionen vid alla dess punkter kan anses vara densamma. Låt \(~\vec n\) vara normalen till elementet som bildar vinkeln α med den magnetiska induktionsvektorns riktning (fig. 1).

Den magnetiska induktionsvektorns flöde genom ytarean Δ S kalla värdet lika med produkten av modulen för den magnetiska induktionsvektorn \(~\vec B\) och arean Δ S och vinkelns cosinus α mellan vektorerna \(~\vec B\) och \(~\vec n\) (normalt mot ytan):

\(~\Delta \Phi = B \cdot \Delta S \cdot \cos \alpha\) .

Arbete B cos α = PÅ n är projektionen av den magnetiska induktionsvektorn på normalen till elementet. Så

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

Flödet kan vara antingen positivt eller negativt beroende på vinkelns värde α .

Om magnetfältet är enhetligt, då flödet genom en plan yta med area Sär lika med:

\(~\Phi = B \cdot S \cdot \cos \alpha\) .

Flödet av magnetisk induktion kan tydligt tolkas som en kvantitet proportionell mot antalet linjer i vektorn \(~\vec B\) som penetrerar ett givet område på ytan.

Generellt sett kan ytan stängas. I detta fall är antalet induktionsledningar som kommer in på ytans insida lika med antalet linjer som lämnar den (fig. 2). Om ytan är stängd anses den yttre normalen vara den positiva normalen till ytan.

Linjerna för magnetisk induktion är slutna, vilket innebär att flödet av magnetisk induktion genom en sluten yta är lika med noll. (Linjer som lämnar ytan ger ett positivt flöde och linjer som går in i ett negativt.) Denna grundläggande egenskap hos ett magnetfält beror på frånvaron av magnetiska laddningar. Om det inte fanns några elektriska laddningar skulle det elektriska flödet genom en sluten yta vara noll.

Elektromagnetisk induktion

Upptäckten av elektromagnetisk induktion

1821 skrev Michael Faraday i sin dagbok: "Vänd magnetism till elektricitet." Efter 10 år löstes detta problem av honom.

M. Faraday var säker på den enhetliga naturen hos elektriska och magnetiska fenomen, men länge sedan sambandet mellan dessa fenomen kunde inte hittas. Det var svårt att tänka på huvudpoängen: bara ett tidsvarierande magnetfält kan excitera en elektrisk ström i en fast spole, eller så måste spolen själv röra sig i ett magnetfält.

Upptäckten av elektromagnetisk induktion, som Faraday kallade detta fenomen, gjordes den 29 augusti 1831. Här kort beskrivning första erfarenheten från Faraday själv. "En koppartråd 203 fot lång (en fot motsvarar 304,8 mm) lindades på en bred träspiral, och en tråd av samma längd lindades mellan sina varv, men isolerad från den första bomullstråden. Den ena av dessa spiraler var kopplad till en galvanometer, och den andra till ett starkt batteri, bestående av 100 par plattor ... När kretsen var sluten var det möjligt att märka en plötslig, men extremt svag effekt på galvanometern, och detsamma märktes när strömmen stannade. Med kontinuerlig passage av ström genom en av spolarna var det inte möjligt att notera någon effekt på galvanometern, eller i allmänhet någon induktiv effekt på den andra spolen, trots att uppvärmningen av hela spolen kopplad till batteriet, och ljusstyrkan av gnistan som hoppade mellan kolen, vittnade om batterikraft.

Så initialt upptäcktes induktion i ledare som var orörliga i förhållande till varandra under stängning och öppning av kretsen. Sedan, med tydlig förståelse för att närmande eller avlägsnande av ledare med ström borde leda till samma resultat som att stänga och öppna kretsen, bevisade Faraday genom experiment att ström uppstår när spolarna rör sig i förhållande till varandra (Fig. 3).

Faraday är bekant med Ampères verk och förstod att en magnet är en samling små strömmar som cirkulerar i molekyler. Den 17 oktober, som registrerats i hans laboratoriejournal, upptäcktes en induktionsström i spolen under intryckningen (eller utdragningen) av magneten (fig. 4).

Inom en månad upptäckte Faraday experimentellt alla väsentliga egenskaper hos fenomenet elektromagnetisk induktion. Det återstod bara att ge lagen en strikt kvantitativ form och helt avslöja fenomenets fysiska natur. Faraday själv fattade redan det vanliga som bestämmer utseendet på en induktionsström i experiment som ser annorlunda ut utåt.

I en sluten ledande krets uppstår en ström när antalet magnetiska induktionslinjer som penetrerar ytan som begränsas av denna krets ändras. Detta fenomen kallas elektromagnetisk induktion.

Och ju snabbare antalet linjer av magnetisk induktion ändras, desto större blir den resulterande strömmen. I det här fallet är orsaken till förändringen i antalet linjer av magnetisk induktion helt likgiltig. Detta kan vara en förändring i antalet linjer av magnetisk induktion som penetrerar en fast ledare på grund av en förändring i strömstyrkan i en intilliggande spole, och en förändring av antalet linjer på grund av kretsens rörelse i ett inhomogent magnetfält , vars täthet av linjer varierar i rymden (fig. 5).

Lenz regel

Den induktiva strömmen som har uppstått i ledaren börjar omedelbart samverka med strömmen eller magneten som genererade den. Om en magnet (eller en spole med ström) förs närmare en sluten ledare, kommer den uppkommande induktionsströmmen med dess magnetfält nödvändigtvis att stöta bort magneten (spolen). Arbete måste göras för att föra magneten och spolen närmare varandra. När magneten tas bort uppstår attraktion. Denna regel följs strikt. Föreställ dig om saker och ting var annorlunda: du tryckte magneten mot spolen, och den skulle rusa in i den av sig själv. Detta skulle bryta mot lagen om bevarande av energi. När allt kommer omkring skulle magnetens mekaniska energi öka och samtidigt skulle en ström uppstå, vilket i sig kräver energiförbrukning, eftersom strömmen också kan göra arbete. Den elektriska strömmen som induceras i generatorankaret, som interagerar med statorns magnetfält, saktar ner rotationen av ankaret. Endast därför, för att rotera ankaret, är det nödvändigt att utföra arbete, ju större, desto större är strömstyrkan. På grund av detta arbete uppstår en induktionsström. Det är intressant att notera att om magnetfältet på vår planet var mycket stort och mycket inhomogent, skulle snabba rörelser av ledande kroppar på dess yta och i atmosfären vara omöjliga på grund av den intensiva interaktionen av strömmen som induceras i kroppen med denna fält. Kropparna skulle röra sig som i ett tätt trögflytande medium och skulle samtidigt bli starkt upphettade. Varken flygplan eller raketer kunde flyga. En person kunde inte snabbt röra varken sina armar eller ben, sedan människokropp- en bra dirigent.

Om spolen i vilken strömmen induceras är stationär i förhållande till angränsande spole med växelström, som till exempel i en transformator, i detta fall dikteras riktningen för induktionsströmmen av lagen om energibevarande. Denna ström är alltid riktad på ett sådant sätt att det magnetiska fältet den skapar tenderar att minska strömvariationerna i det primära.

Avstötningen eller attraktionen av en magnet av en spole beror på riktningen för induktionsströmmen i den. Därför tillåter lagen om energibevarande oss att formulera en regel som bestämmer induktionsströmmens riktning. Vad är skillnaden mellan de två experimenten: magnetens närmande till spolen och dess avlägsnande? I det första fallet ökar det magnetiska flödet (eller antalet magnetiska induktionslinjer som penetrerar spolens varv) (fig. 6, a), och i det andra fallet minskar det (fig. 6, b). Dessutom, i det första fallet, induktionslinjerna PÅ' av magnetfältet som skapas av induktionsströmmen som har uppstått i spolen, gå ut från den övre änden av spolen, eftersom spolen stöter bort magneten, och i det andra fallet, tvärtom, gå in i denna ände. Dessa magnetiska induktionslinjer i figur 6 visas med ett slag.

Ris. 6

Nu har vi kommit till huvudpunkten: med en ökning av det magnetiska flödet genom spolens varv har induktionsströmmen en sådan riktning att det magnetiska fältet den skapar förhindrar tillväxten av det magnetiska flödet genom spolens varv. När allt kommer omkring är induktionsvektorn \ (~ \ vec B "\) för detta fält riktad mot induktionsvektorn \ (~ \ vec B \) av fältet, vars förändring genererar en elektrisk ström. Om det magnetiska flödet genom spolen försvagas, då skapar induktionsströmmen ett magnetfält med induktion \(~\vec B"\) , vilket ökar det magnetiska flödet genom spolens varv.

Detta är essensen allmän regel bestämma riktningen för den induktiva strömmen, vilket är tillämpligt i alla fall. Denna regel fastställdes av den ryske fysikern E. X. Lenz (1804-1865).

Enligt Lenz regel

induktionsströmmen som uppstår i en sluten krets har en sådan riktning att det magnetiska flödet som skapas av den genom ytan som begränsas av kretsen tenderar att förhindra förändringen i flödet som genererar denna ström.

den induktiva strömmen har en sådan riktning att den förhindrar orsaken som orsakar den.

När det gäller supraledare kommer kompensationen för förändringar i det externa magnetiska flödet att vara fullständig. Flödet av magnetisk induktion genom en yta som begränsas av en supraledande krets förändras inte alls med tiden under några förhållanden.

Lagen för elektromagnetisk induktion

Faradays experiment visade att styrkan hos den inducerade strömmen jag i i en ledande krets är proportionell mot förändringshastigheten i antalet magnetiska induktionslinjer \(~\vec B\) som penetrerar ytan som begränsas av denna krets. Mer exakt kan detta uttalande formuleras med hjälp av begreppet magnetiskt flöde.

Det magnetiska flödet tolkas tydligt som antalet linjer av magnetisk induktion som penetrerar en yta med en area S. Därför är förändringshastigheten för detta nummer inget annat än förändringshastigheten för det magnetiska flödet. Om inom kort tid Δ t magnetiskt flöde ändras till Δ F, då är förändringshastigheten för det magnetiska flödet \(~\frac(\Delta \Phi)(\Delta t)\) .

Därför kan ett uttalande som följer direkt av erfarenhet formuleras på följande sätt:

styrkan på induktionsströmmen är proportionell mot förändringshastigheten för det magnetiska flödet genom ytan som begränsas av konturen:

\(~I_i \sim \frac(\Delta \Phi)(\Delta t)\) .

Det är känt att en elektrisk ström uppstår i kretsen när yttre krafter verkar på fria laddningar. Dessa krafters arbete när en enda positiv laddning flyttas längs en sluten krets kallas den elektromotoriska kraften. Följaktligen, när det magnetiska flödet ändras genom ytan som begränsas av konturen, uppträder yttre krafter i den, vars verkan kännetecknas av en EMF, kallad induktionens EMF. Låt oss beteckna det med bokstaven E jag .

Lagen för elektromagnetisk induktion är formulerad specifikt för EMF och inte för strömstyrka. Med denna formulering uttrycker lagen essensen av fenomenet, som inte beror på egenskaperna hos ledarna där induktionsströmmen uppstår.

Enligt lagen om elektromagnetisk induktion (EMR)

Induktions-emk i en sluten slinga är i absolut värde lika med förändringshastigheten för det magnetiska flödet genom ytan som begränsas av slingan:

\(~|E_i| = |\frac(\Delta \Phi)(\Delta t)|\) .

Hur tar man hänsyn till induktionsströmmens riktning (eller tecknet på induktions-EMK) i lagen om elektromagnetisk induktion i enlighet med Lenz-regeln?

Figur 7 visar en sluten slinga. Vi kommer att se positivt på riktningen för att kringgå konturen moturs. Normalen till konturen \(~\vec n\) bildar en högerskruv med bypassriktningen. EMF-tecknet, det vill säga specifikt arbete, beror på riktningen av externa krafter med avseende på riktningen för att kringgå kretsen. Om dessa riktningar sammanfaller, då E i > 0 och följaktligen, jag i > 0. Annars är EMF och strömstyrka negativa.

Låt den magnetiska induktionen \(~\vec B\) av det externa magnetfältet riktas längs normalen till konturen och öka med tiden. Sedan F> 0 och \(~\frac(\Delta \Phi)(\Delta t)\) > 0. Enligt Lenz regel skapar induktionsströmmen ett magnetiskt flöde F’ < 0. Линии индукции B' för induktionsströmmens magnetfält visas i figur 7 med ett streck. Därför induktionsströmmen jag i är riktad medurs (mot den positiva bypass-riktningen) och induktions-emk är negativ. Därför, i lagen om elektromagnetisk induktion, måste det finnas ett minustecken:

\(~E_i = - \frac(\Delta \Phi)(\Delta t)\) .

PÅ internationella systemet enheter används lagen för elektromagnetisk induktion för att fastställa enheten för magnetiskt flöde. Denna enhet kallas weber (Wb).

Sedan EMF av induktion E i uttrycks i volt, och tiden är i sekunder, från Weber EMP-lagen kan bestämmas enligt följande:

det magnetiska flödet genom ytan som begränsas av en sluten slinga är lika med 1 Wb, om, med en enhetlig minskning av detta flöde till noll på 1 s, en induktions-emk lika med 1 V inträffar i slingan:

1 Wb \u003d 1 V ∙ 1 s.

Vortexfält

Det magnetiska fältet förändras i tid och genererar ett elektriskt fält. J. Maxwell var den första som kom till denna slutsats.

Nu dyker fenomenet elektromagnetisk induktion upp framför oss i ett nytt ljus. Huvudsaken i det är processen att generera ett elektriskt fält av ett magnetfält. I det här fallet förändrar inte närvaron av en ledande krets, såsom en spole, sakens väsen. En ledare med tillgång till fria elektroner (eller andra partiklar) hjälper bara till att detektera det elektriska fältet som uppstår. Fältet sätter elektronerna i rörelse i ledaren och uppenbarar sig därigenom. Kärnan i fenomenet elektromagnetisk induktion i en fast ledare är inte så mycket i utseendet av en induktionsström, utan i utseendet på ett elektriskt fält som sätter elektriska laddningar i rörelse.

Det elektriska fältet som uppstår när magnetfältet förändras har en helt annan struktur än det elektrostatiska. Den är inte direkt kopplad till elektriska laddningar, och dess spänningslinjer kan inte börja och sluta på dem. De börjar eller slutar vanligtvis inte någonstans, utan är slutna linjer, liknande linjerna för magnetfältsinduktion. Detta sk vortex elektriskt fält. Frågan kan uppstå: varför i själva verket kallas detta fält elektriskt? Det har trots allt ett annat ursprung och en annan konfiguration än det statiska elektriska fältet. Svaret är enkelt: virvelfältet verkar på laddningen q på samma sätt som den elektrostatiska, och vi ansåg och betraktar fortfarande detta som fältets huvudegenskap. Kraften som verkar på laddningen är fortfarande \(~\vec F = q \vec E\) , där \(~\vec E\) är virvelfältets intensitet. Om det magnetiska flödet skapas av ett enhetligt magnetfält koncentrerat i ett långt smalt cylindriskt rör med en radie r 0 (fig. 8), är det uppenbart från symmetriöverväganden att linjerna med elektrisk fältstyrka ligger i plan vinkelräta mot linjerna \(~\vec B\) och är cirklar. I enlighet med Lenz-regeln, när den magnetiska induktionen \(~\vänster (\frac(\Delta B)(\Delta t) > 0 \right)\) ökar, bildas fältlinjerna \(~\vec E\) en vänsterskruv med magnetinduktionens riktning \(~\vec B\) .

Till skillnad från ett statiskt eller stationärt elektriskt fält är arbetet i ett virvelfält på en sluten bana inte lika med noll. Ja, när en laddning rör sig stängd linje elektrisk fältstyrka har arbetet på alla sektioner av banan samma tecken, eftersom kraften och förskjutningen sammanfaller i riktning. Ett elektriskt virvelfält, som ett magnetfält, är inte potentiellt.

Det elektriska virvelfältets arbete med att flytta en enda positiv laddning längs en sluten fast ledare är numeriskt lika med induktions-EMK i denna ledare.

Så, ett alternerande magnetfält genererar ett elektriskt virvelfält. Men tycker du inte att ett påstående inte räcker här? Jag skulle vilja veta vad som är mekanismen för denna process. Är det möjligt att förklara hur denna koppling av fält realiseras i naturen? Och det är här som din naturliga nyfikenhet inte kan tillfredsställas. Det finns helt enkelt ingen mekanism här. Lagen för elektromagnetisk induktion är en grundläggande naturlag, vilket betyder att den är grundläggande, primär. Många fenomen kan förklaras av dess verkan, men det i sig förblir oförklarligt bara av den anledningen att det inte finns några djupare lagar som det skulle följa av som en konsekvens. Hur som helst är sådana lagar för närvarande okända. Dessa är alla grundläggande lagar: tyngdlagen, Coulombs lag, etc.

Naturligtvis är vi fria att ställa alla frågor framför naturen, men alla är inte vettiga. Det är alltså till exempel möjligt och nödvändigt att undersöka orsakerna till olika fenomen, men det är meningslöst att försöka ta reda på varför kausalitet överhuvudtaget existerar. Sådan är sakens natur, sådan är världen vi lever i.

Litteratur

Zhilko V.V. Fysik: Proc. bidrag för 10:e klass. Allmän utbildning skola från ryska lang. träning / V.V. Zhilko, A.V. Lavrinenko, L.G. Markovich. - Mn.: Nar. Asveta, 2001. - 319 sid.
Myakishev, G.Ya. Fysik: Elektrodynamik. 10-11 celler. : studier. för fördjupade studier av fysik / G.Ya. Myakishev, A.3. Sinyakov, V.A. Slobodskov. – M.: Bustard, 2005. – 476 sid.