Практичне застосування електромагнітної індукції. Електромагнітна індукція

Надіслати свою гарну роботу до бази знань просто. Використовуйте форму, розташовану нижче

Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань у своєму навчанні та роботі, будуть вам дуже вдячні.

Розміщено на http://www.allbest.ru/

ВСТУП

Не випадково, що перший і найважливіший крок у відкритті цієї нового бокуелектромагнітних взаємодій було створено основоположником поглядів на електромагнітному полі - однією з найбільших учених світу - Майклом Фарадеєм (1791-1867 р.). Фарадей був абсолютно впевнений у єдності електричних і магнітних явищ. Незабаром після відкриття Ерстеда він записав у своєму щоденнику (1821 р.): "Перетворити магнетизм на електрику". З цього часу Фарадей, не перестаючи, думав над цією проблемою. Кажуть, він постійно носив у жилетній кишені магніт, який мав нагадувати йому про поставлене завдання. Через десять років, в 1831 р., в результаті наполегливої праці та віри в успіх завдання було вирішено. Їм було зроблено відкриття, що лежить в основі пристрою всіх генераторів електростанцій світу, що перетворюють механічну енергію на енергію електричного струму. Інші джерела: гальванічні елементи, термо- і фотоелементи дають мізерну частку енергії, що виробляється.

Електричний струм, розмірковував Фарадей, здатний намагнітити металеві предмети. Для цього достатньо покласти залізний брусок усередину котушки. Чи не може магніт викликати появу електричного струму або змінити його величину? Довгий час нічого виявити не вдавалося.

ІСТОРІЯ ВІДКРИТТЯ ЯВКИ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ ІНДУКЦІЇ

Висловлювання синьйорів Нобілі та Антінорі з журналуAntologia"

« Пан Фарадей нещодавно відкрив новий класелектродинамічні явища. Він представив про це спогад Лондонському королівському Товариству, але цей спогад досі ще не опублікований. Ми знаємо про ньоготільки замітку, повідомлену м. Ашеттом Академії наук у Парижі26 грудня 1831 року, на підставі листа, який він одержав від самого м. Фарадея.

Це повідомлення спонукало кавалера Антінорі і мене самого повторити основний досвід і вивчити його з різноманітних точок зору. Ми тішимо себе надією, що результати, до яких ми прийшли, мають відоме значення, а тому ми поспішаємо опублікувати їх, не маючи жоднихпопередніхматеріалів, крім тієї нотатки, яка стала вихідною точкою в наших дослідженнях.»

"Мемуар м. Фарадея, як каже замітка, - ділиться на чотири частини.

У першій, під назвою "Порушення гальванічної електрики", ми знаходимо наступний головний факт: гальванічний струм, що проходить через металевий провід, виробляє інший струм у проводі, що наближається; другий струм у напрямку протилежний першому і триває лише одну мить. Якщо збудливий струм видалити, у дроті, що під його впливом, виникає струм, протилежний тому, що виник у ньому першому випадку, тобто. у тому напрямку, як збуджуючий струм.

Друга частина спогаду розповідає про електричні струми, що викликаються магнітом. Наближаючи до магнітів котушки, м. Фарадей виробляв електричні струми; при видаленні котушок виникали струми протилежного спрямування. Ці струми сильно діють на гальванометр, проходять, хоч і слабко, через розсіл та інші розчини. Звідси випливає, що цей учений, користуючись магнітом, збуджував електричні струми, відкриті Ампером.

Третя частина мемуару належить до основного електричного стану, який м. Фарадей називає електромонічний стан.

У четвертій частині йдеться про так само цікавий, як і незвичайний досвід, що належить м. Араго; як відомо, цей досвід полягає в тому, що магнітна стрілка обертається під впливом металевого диска, що обертається. Він встановив, що при обертанні металевого диска під впливом магніту можуть з'являтися електричні струми в кількості, достатній для того, щоб зробити диск нову електричну машину.

СУЧАСНА ТЕОРІЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ ІНДУКЦІЇ

Електричні струми створюють навколо себе магнітне поле. А чи не може магнітне поле спричинити появу електричного поля? Фарадеєм експериментально було виявлено, що при зміні магнітного потоку, що пронизує замкнутий контур, у ньому виникає електричний струм. Це було названо електромагнітної індукцією. Струм, що виникає при явищі електромагнітної індукції, називають індукційним. Строго кажучи, під час руху контуру в магнітному полі генерується не певний струм, а певна ЕРС. Більш детальне вивчення електромагнітної індукції показало, що ЕРС індукції, що виникає в якомусь замкнутому контурі, дорівнює швидкості зміни магнітного потоку через поверхню, обмежену цим контуром, взяту зі зворотним знаком.

Електрорушійна сила в ланцюзі - це результат дії сторонніх сил, тобто. сил неелектричного походження При русі провідника в магнітному полі роль сторонніх сил виконує сила Лоренца, під впливом якої відбувається поділ зарядів, у результаті кінцях провідника з'являється різницю потенціалів. ЕРС індукції у провіднику характеризує роботу щодо переміщення одиничного позитивного заряду вздовж провідника.

Явище електромагнітної індукції є основою дії електричних генераторів. Якщо рівномірно обертати дротяну рамку в однорідному магнітному полі, виникає індукований струм, періодично змінює свій напрямок. Навіть одиночна рамка, що обертається в однорідному магнітному полі, є генератором. змінного струму.

Експериментальне дослідження явища електромагнітної індукції

Розглянемо класичні досліди Фарадея, за допомогою яких було виявлено явище електромагнітної індукції:

При переміщенні постійного магніту його силові лінії перетинають витки котушки, при цьому виникає індукційний струм, тому стрілка гальванометра відхиляється. Показання приладу залежать від швидкості переміщення магніту та кількості витків котушки.

У цьому досвіді ми пропускаємо через першу котушку струм, що створює магнітний потікі під час руху другої котушки всередині першої, відбувається перетин магнітних ліній, тому виникає індукційний струм.

При проведенні досвіду №2 було зафіксовано, в момент включення рубильника стрілка приладу відхилялася і показувала значення ЕРС, потім стрілка поверталася в початкове положення. При відключенні рубильника стрілка знову відхилялася, але в інший бік показувала значення ЕРС, потім поверталася в початкове положення. У момент включення рубильника величина струму збільшується, але виникає якась сила, яка заважає збільшенню струму. Ця сила сама себе індукує, тому її назвали ЕРС самоіндукції. У момент відключення відбувається те саме, тільки напрям ЕРС змінилося, тому стрілка приладу відхилилася в протилежний бік.

Цей досвід показує, що ЕРС електромагнітної індукції виникає при зміні величини та напрямку струму. Це доводить, що ЕРС індукції, яка сама себе створює – є швидкість зміни струму.

Протягом одного місяця Фарадей досвідченим шляхом відкрив усі суттєві особливості явища електромагнітної індукції. Залишалося лише надати закону сувору кількісну форму і повністю розкрити фізичну природу явища. Вже сам Фарадей вловив те спільне, від чого залежить поява індукційного струму в дослідах, які виглядають по-різному.

У замкненому проводить контурі виникає струм при зміні числа ліній магнітної індукції, що пронизують поверхню, обмежену цим контуром. Це називається електромагнітної індукцією.

І що швидше змінюється число ліній магнітної індукції, то більше вписується струм. При цьому причина зміни числа ліній магнітної індукції є абсолютно байдужою.

Це може бути зміна числа ліній магнітної індукції, що пронизують нерухомий провідник внаслідок зміни сили струму в сусідній котушці, і зміна числа ліній внаслідок руху контуру в неоднорідному магнітному полі, густота ліній якого змінюється у просторі.

ПРАВИЛО ЛЕНЦЯ

Індукційний струм, що виник у провіднику, негайно починає взаємодіяти з струмом, що його породив, або магнітом. Якщо магніт (або котушку зі струмом) наближати до замкнутого провідника, то індукційний струм, що з'являється, своїм магнітним полем обов'язково відштовхує магніт (котушку). Для зближення магніту та котушки потрібно здійснити роботу. При видаленні магніту виникає тяжіння. Це правило виконується неухильно. Уявіть собі, що справа була б інакше: ви підштовхнули магніт до котушки, і він сам собою кинувся б всередину неї. При цьому порушився закон збереження енергії. Адже механічна енергія магніту збільшилася б і одночасно виникав струм, що саме по собі вимагає витрати енергії, бо струм теж може виконувати роботу. Індукований у якорі генератора електричний струм, взаємодіючи з магнітним полем статора, гальмує обертання якоря. Тільки тому для обертання якоря потрібно виконувати роботу, тим більшу, що більше сила струму. За рахунок цієї роботи виникає індукційний струм. Цікаво відзначити, що якби магнітне поле нашої планети було дуже великим і неоднорідним, то швидкі рухи провідних тіл на її поверхні і в атмосфері були б неможливі через інтенсивну взаємодію, індуковану в тілі струму з цим полем. Тіла рухалися б як у щільному в'язкому середовищі і при цьому сильно розігрівалися б. Ані літаки, ані ракети не могли б літати. Людина не могла б швидко рухати ні руками, ні ногами, оскільки людське тіло- непоганий провідник.

Якщо котушка, в якій наводиться струм, нерухома відносно сусідньої котушки зі змінним струмом, як, наприклад, трансформатора, то і в цьому випадку напрямок індукційного струму диктується законом збереження енергії. Цей струм завжди спрямований так, що створене ним магнітне поле прагне зменшити зміни струму в первинній обмотці.

Відштовхування або тяжіння магніту котушкою залежить від напрямку індукційного струму в ній. Тому закон збереження енергії дозволяє сформулювати правило, що визначає напрямок індукційного струму. У чому різниця двох дослідів: наближення магніту до котушки та його видалення? У першому випадку магнітний потік (або число ліній магнітної індукції, що пронизують витки котушки), збільшується (рис а), а в другому випадку - зменшується (рис. б). Причому в першому випадку лінії індукції " магнітного поля, створеного виниклим у котушці індукційним струмом, виходять із верхнього кінця котушки, оскільки котушка відштовхує магніт, тоді як у другому випадку, навпаки, входять у цей кінець. Ці лінії магнітної індукції малюнку зображені штрихом.

Тепер ми підійшли до головного: зі збільшенням магнітного потоку через витки котушки індукційний струм має такий напрям, що створюване ним магнітне поле перешкоджає наростанню магнітного потоку через витки котушки. Адже вектор індукції поля спрямований проти вектора індукції поля, зміна якого породжує електричний струм. Якщо магнітний потік через котушку слабшає, то індукційний струм створює магнітне поле з індукцією, що збільшує магнітний потік через витки котушки.

У цьому полягає суть загального правилавизначення напряму індукційного струму, яке застосовується у всіх випадках. Це було встановлено російським фізиком Э.X. Ленцем (1804-1865).

Відповідно до правила Ленца, що у замкнутому контурі індукційний струм має такий напрям, що створений ним магнітний потік через поверхню, обмежену контуром, прагне перешкоджати зміні потоку, яке породжує даний струм. Або індукційний струм має такий напрям, що перешкоджає причині його зухвалої.

У разі надпровідників компенсація зміни зовнішнього магнітного потоку буде повною. Потік магнітної індукції через поверхню, обмежену надпровідним контуром, взагалі не змінюється з часом за жодних умов.

ЗАКОН ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ ІНДУКЦІЇ

електромагнітна індукція фарадів ленц

Досліди Фарадея показали, що сила індукційного струму I i у провідному контурі пропорційна швидкості зміни числа ліній магнітної індукції, що пронизують поверхню, обмежену цим контуром. Більше точно це твердження можна сформулювати, використовуючи поняття магнітного потоку.

Магнітний потік наочно тлумачиться як число ліній магнітної індукції, що пронизують поверхню площею S. Тому швидкість зміни цього числа не що інше, як швидкість зміни магнітного потоку. Якщо за короткий час Д tмагнітний потік змінюється на Д Ф, то швидкість зміни магнітного потоку дорівнює.

Тому твердження, яке випливає безпосередньо з досвіду, можна сформулювати так:

сила індукційного струму пропорційна швидкості зміни магнітного потоку через поверхню, обмежену контуром:

Нагадаємо, що в ланцюзі виникає електричний струм у тому випадку, коли на вільні заряди діють сторонні сили. Роботу цих сил при переміщенні одиничного позитивного заряду вздовж замкнутого контуру називають електрорушійною силою. Отже, за зміни магнітного потоку через поверхню, обмежену контуром, у ньому з'являються сторонні сили, дія яких характеризується ЕРС, званої ЕРС індукції. Позначимо її літерою E i.

Закон електромагнітної індукції формулюється саме для ЕРС, а чи не для сили струму. При такому формулюванні закон виражає сутність явища, яка залежить від властивостей провідників, у яких виникає індукційний струм.

Відповідно до закону електромагнітної індукції (ЕМІ) ЕРС індукції в замкнутому контурі дорівнює за модулем швидкості зміни магнітного потоку через поверхню, обмежену контуром:

Як у законі електромагнітної індукції врахувати напрямок індукційного струму (або знак ЕРС індукції) відповідно до правила Ленца?

На малюнку зображено замкнутий контур. Вважатимемо позитивним напрямок обходу контуру проти годинникової стрілки. Нормаль до контуру утворює правий гвинт із напрямком обходу. Знак ЕРС, тобто питомої роботи, залежить від напрямку сторонніх сил по відношенню до напрямку обходу контуру.

Якщо ці напрямки збігаються, то E i > 0 і відповідно I i > 0. Інакше ЕРС та сила струму негативні.

Нехай магнітна індукція зовнішнього магнітного поля спрямована вздовж нормалі до контуру та зростає з часом. Тоді Ф> 0 > 0. Відповідно до правила Ленца індукційний струм створює магнітний потік Ф" < 0. Линии индукции Bмагнітного поля індукційного струму зображені на малюнку штрихом. Отже, індукційний струм I i направлений за годинниковою стрілкою (проти позитивного напрямку обходу) та ЕРС індукції негативна. Тож у законі електромагнітної індукції має стояти знак мінус:

У Міжнародній системі одиниць закон електромагнітної індукції використовують для встановлення одиниці магнітного потоку. Цю одиницю називають вебером (Вб).

Оскільки ЕРС індукції E i виражають у вольтах, а час у секундах, то із закону ЕМІ вебер можна визначити таким чином:

магнітний потік через поверхню, обмежену замкнутим контуром, дорівнює 1 Вб, якщо при рівномірному спаданні цього потоку до нуля за 1 с в контурі виникає ЕРС індукції дорівнює 1 В: 1 Вб = 1 В 1 с.

ПРАКТИЧНЕ ЗАСТОСУВАННЯ ЯВА ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ ІНДУКЦІЇ

Радіомовлення

Змінне магнітне поле, що збуджується струмом, що змінюється, створює в навколишньому просторі електричне поле, яке в свою чергу збуджує магнітне поле, і т.д. Взаємно породжуючи одне одного, ці поля утворюють єдине змінне електромагнітне поле – електромагнітну хвилю. Виникнувши там, де є провід зі струмом, електромагнітне поле поширюється у просторі зі швидкістю світла -300000 км/с.

Магнітотерапія

У спектрі частот різні місцязаймають радіохвилі, світло, рентгенівське випромінюваннята інші електромагнітні випромінювання. Їх зазвичай характеризують безперервно пов'язаними між собою електричними та магнітними полями.

Синхрофазотрони

В даний час під магнітним полем розуміють особливу форму матерії, що складається із заряджених частинок. У сучасній фізиці пучки заряджених частинок використовують для проникнення в глиб атомів з метою їх вивчення. Сила, з якою діє магнітне поле на заряджену частинку, що рухається, називається силою Лоренца.

Витратоміри - лічильники

Метод заснований на застосуванні закону Фарадея для провідника в магнітному полі: в потоці електропровідної рідини, що рухається в магнітному полі, наводиться ЕРС, пропорційна швидкості потоку, що перетворюється електронною частиною в електричний аналоговий/цифровий сигнал.

Генератор постійного струму

У режимі генератора якорь машини обертається під дією зовнішнього моменту. Між полюсами статора є постійний магнітний потік, що пронизує якір. Провідники обмотки якоря рухаються в магнітному полі і, отже, у них індуктується ЕРС, напрямок якої можна визначити за правилом "правої руки". При цьому на одній щітці виникає позитивний потенціал щодо другої. Якщо до затискачів генератора підключити навантаження, то піде струм.

Явище ЭМИ широко застосовується у трансформаторах. Розглянемо цей пристрій докладніше.

ТРАНСФОРМАТОРИ

Трансформатор (від лат. transformo - перетворювати) - статичне електромагнітний пристріймає дві або більше індуктивно пов'язані обмотки і призначене для перетворення за допомогою електромагнітної індукції однієї або декількох систем змінного струму в одну або кілька інших систем змінного струму.

Винахідником трансформатора є російський учений П.М. Яблучків (1847 – 1894 р.). У 1876 р. Яблочков використовував індукційну котушку з двома обмотками як трансформатор для живлення винайдених ним електричних свічок. Трансформатор Яблочкова мав незамкнений сердечник. Трансформатори із замкненим сердечником, подібні до застосовуваних нині, з'явилися значно пізніше, у 1884р. З винаходом трансформатора виникла технічна цікавість до змінного струму, який до цього часу не застосовувався.

Трансформатори широко застосовуються під час передачі електричної енергіївеликі відстані, розподілі її між приймачами, соціальній та різних випрямних, підсилювальних, сигналізаційних та інших пристроях.

Перетворення енергії у трансформаторі здійснюється змінним магнітним полем. Трансформатор є сердечником з тонких сталевих ізольованих одна від одної пластин, на якому поміщаються дві, а іноді і більше обмоток (котушок) із ізольованого дроту. Обмотка, до якої приєднується джерело електричної енергії змінного струму, називається первинною обмоткою, решта обмоток - вторинними.

Якщо у вторинній обмотці трансформатора намотано втричі більше витків, ніж у первинній, то магнітне поле, створене в сердечнику первинною обмоткою, перетинаючи витки вторинної обмотки, створить у ній утричі більше напруги.

Застосувавши трансформатор із зворотним співвідношенням витків, можна так само легко і просто отримати знижену напругу.

Урівняння ідеального трансформатора

Ідеальний трансформатор - трансформатор, у якого відсутні втрати енергії на нагрівання обмоток та потоки розсіювання обмоток. В ідеальному трансформаторі всі силові лінії проходять через всі витки обох обмоток, і оскільки магнітне поле, що змінюється, породжує ту саму ЕРС у кожному витку, сумарна ЕРС, що індукується в обмотці, пропорційна повному числу її витків. Такий трансформатор всю енергію, що надходить з первинного ланцюга трансформує в магнітне поле і, потім, в енергію вторинного ланцюга. У цьому випадку енергія, що надходить, дорівнює перетвореній енергії:

Де P1 - миттєве значення надходить на трансформатор потужності, що надходить з первинного ланцюга,

P2 - миттєве значення перетвореної трансформатором потужності, що надходить у вторинний ланцюг.

Поєднавши це рівняння з відношення напруги на кінцях обмоток, отримаємо рівняння ідеального трансформатора:

Таким чином, отримуємо, що при збільшенні напруги на кінцях вторинної обмотки U2, зменшується струм вторинного ланцюга I2.

Для перетворення опору одного ланцюга до опору іншого, потрібно помножити величину на квадрат відношення. Наприклад, опір Z2 підключений до кінців вторинної обмотки, його наведене значення до первинного ланцюга буде

Це правило справедливе також і для вторинного ланцюга:

Позначення на схемах

На схемах трансформатор позначається так:

Центральна товста лінія відповідає сердечнику, 1 - первинна обмотка (зазвичай ліворуч), 2,3 - вторинні обмотки. Число півкола в якомусь грубому наближенні символізує число витків обмотки (більше витків - більше півкола, але без суворої пропорційності).

ЗАСТОСУВАННЯ ТРАНСФОРМАТОРІВ

Трансформатори широко використовуються в промисловості та побуті для різних цілей:

1. Для передачі та розподілу електричної енергії.

Зазвичай на електростанціях генератори змінного струму виробляють електричну енергію при напрузі 6-24 кВ, а передавати електроенергію на далекі відстані вигідно при значно більших напругах (110, 220, 330, 400, 500, 750 кВ). Тому кожної електростанції встановлюють трансформатори, здійснюють підвищення напруги.

Розподіл електричної енергії між промисловими підприємствами, населеними пунктами, у містах та сільських місцевостях, а також усередині промислових підприємствпроводиться по повітряних та кабельних лініях, при напрузі 220, 110, 35, 20, 10 та 6 кВ. Отже, у всіх розподільних вузлах повинні бути встановлені трансформатори, що знижують напругу до величини 220, 380 і 660

2. Для забезпечення потрібної схеми включення вентилів у перетворювальних пристроях та узгодження напруги на виході та вході перетворювача. Трансформатори, що застосовуються з цією метою, називаються перетворювальними.

3. Для різних технологічних цілей: зварювання ( зварювальні трансформатори), живлення електротермічних установок (електропічні трансформатори) та ін.

4. Для живлення різних ланцюгів радіоапаратури, електронної апаратури, пристроїв зв'язку та автоматики, електропобутових приладів, для поділу електричних ланцюгів різних елементів зазначених пристроїв, для узгодження напруги та ін.

5. Для включення електровимірювальних приладів та деяких апаратів (реле та ін.) в електричні ланцюги високої напруги або ж у ланцюги, якими проходять великі струми, з метою розширення меж вимірювання та забезпечення електробезпеки. Трансформатори, що застосовуються з цією метою, називаються вимірювальними.

ВИСНОВОК

Явище електромагнітної індукції та її окремі випадки широко застосовуються в електротехніці. Для перетворення механічної енергії на енергію електричного струму використовуються синхронні генератори. Для підвищення або зниження напруги змінного струму використовуються трансформатори. Використання трансформаторів дозволяє економічно передавати електроенергію від електричних станцій до вузлів споживання.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ:

1. Курс фізики, Навчальний посібник для вузів. Т.І. Трофімова, 2007.

2. Основи теорії ланцюгів, Г.І. Атабеков, Лань, СПб, -М., - Краснодар, 2006.

3. Електричні машини, Л.М. Піотровський, Л., «Енергія», 1972.

4. Силові трансформатори. Довідкова книга/Под ред. С.Д. Лізунова, А.К. Лоханіна. М: Енерговидав 2004.

5. Конструювання трансформаторів. А.В. Шевців. М.: Держенерговидав. 1959.

6. Розрахунок трансформаторів. Навчальний посібник для вузів. П.М. Тихомиров. М: Енергія, 1976.

7. Фізика -навчальний посібникдля технікумів, автор В.Ф. Дмитрієва, видання Москва "Вища школа" 2004.

Розміщено на Allbest.ru

Подібні документи

Загальні поняття, історія відкриття електромагнітної індукції Коефіцієнт пропорційності у законі електромагнітної індукції. Зміна магнітного потоку з прикладу приладу Ленца. Індуктивність соленоїда, розрахунок густини енергії магнітного поля.

лекція, доданий 10.10.2011

Історія відкриття явища електромагнітної індукції Вивчення залежності магнітного потоку від магнітної індукції. Практичне застосування явища електромагнітної індукції: радіомовлення, магнітотерапія, синхрофазотрони, електричні генератори.

реферат, доданий 15.11.2009

Робота з переміщення провідника зі струмом у магнітному полі. Вивчення явища електромагнітної індукції Способи отримання індукційного струму в постійному та змінному магнітному полі. Природа електрорушійної сили електромагнітної індукції. Закон Фарадея.

презентація , доданий 24.09.2013

Електромагнітна індукція- Явление породження вихрового електричного поля змінним магнітним полем. Історія відкриття Майклом Фарадеєм цього явища. Індукційний генератор змінного струму. Формула визначення електрорушійної сили індукції.

реферат, доданий 13.12.2011

Електромагнітна індукція. Закон Ленца, електрорушійна сила. Методи вимірювання магнітної індукції та магнітної напруги. Вихрові струми (струми Фуко). Обертання рамки в магнітному полі. Самоіндукція, струм при замиканні та розмиканні ланцюга. Взаємна індукція.

курсова робота , доданий 25.11.2013

Електричні машини як такі, в яких перетворення енергії відбувається внаслідок явища електромагнітної індукції, історія та основні етапи розробки, досягнення в цій галузі. Створення електродвигуна із можливістю практичного застосування.

реферат, доданий 21.06.2012

Характеристика вихрового електричного поля. Аналітичне пояснення досвідчених фактів. Закони електромагнітної індукції та Ома. Явища обертання поверхні поляризації світла в магнітному полі. Способи одержання індукційного струму. Застосування правила Ленца.

презентація , доданий 19.05.2014

Дитинство та юність Майкла Фарадея. Початок роботи у Королівському інституті. Перші самостійні дослідження М. Фарадея. Закон електромагнітної індукції, електроліз. Хвороба Фарадея, останні експериментальні роботи. Значення відкриттів М. Фарадея.

реферат, доданий 07.06.2012

Короткий нарис життя, особистісного та творчого становлення великого англійського фізика Майкла Фарадея. Дослідження Фарадея у галузі електромагнетизму та відкриття ним явища електромагнітної індукції, формулювання закону. Експерименти із електрикою.

реферат, доданий 23.04.2009

Період шкільного навчання Майкла Фарадея, його перші самостійні дослідження (досліди з виплавки сталей, що містять нікель). Створення англійським фізиком першої моделі електродвигуна, відкриття електромагнітної індукції та законів електролізу.

Реферат

з дисципліни «Фізика»

Тема: "Відкриття явища електромагнітної індукції"

Виконав:

Студент гурту 13103/1

Санкт-Петербург

2. Досліди Фарадея. 3

3. Практичне застосування явища електромагнітної індукції. 9

4. Список використаної литературы.. 12

Електромагнітна індукція - явище виникнення електричного струму в замкнутому контурі за зміни магнітного потоку, що проходить через нього. Електромагнітна індукція була відкрита Майклом Фарадеєм 29 серпня 1831 року. Він виявив, що електрорушійна сила, що виникає в замкненому провідному контурі, пропорційна швидкості зміни магнітного потоку через поверхню, обмежену цим контуром. Величина електрорушійної сили (ЕРС) не залежить від того, що є причиною зміни потоку - зміна самого магнітного поля або рух контуру (або його частини) у магнітному полі. Електричний струм, викликаний цією ЕРС, називається індукційним струмом.

У 1820 р. Ганс Христиан Ерстед показав, що електричний струм, що протікає по ланцюгу, викликає відхилення магнітної стрілки. Якщо електричний струм породжує магнетизм, з магнетизмом має бути пов'язана поява електричного струму. Ця думка захопила англійського вченого М. Фарадея. «Перетворити магнетизм на електрику», - записав він у 1822 р. у своєму щоденнику.

Майкл Фарадей

Майкл Фарадей (1791-1867) народився в Лондоні, в одній із найбідніших його частин. Його батько був ковалем, а мати – дочкою землероба-орендаря. Коли Фарадей досяг шкільного віку, його віддали до початкової школи. Курс, пройдений Фарадеєм тут, був дуже вузький і обмежувався лише навчанням читання, письма та початків рахунку.

За кілька кроків від будинку, в якому жила сім'я Фарадеїв, знаходилася книгарня, що була разом з тим і палітурним закладом. Сюди й потрапив Фарадей, закінчивши курс початкової школиколи виникло питання про вибір професії для нього. Майклу в цей час минуло лише 13 років. Вже в юнацькому віці, коли Фарадей щойно починав свою самоосвіту, він прагнув спиратися лише на факти і перевіряти повідомлення інших власними дослідами.

Ці прагнення домінували в ньому все життя як основні його риси наукової діяльностіФізичні та хімічні досліди Фарадей став робити ще хлопчиком при першому ж знайомстві з фізикою та хімією. Якось Майкл відвідав одну з лекцій Гемфрі Деві, великого англійського фізика. Фарадей зробив докладний запис лекції, переплів її та відіслав Деві. Той був настільки вражений, що запропонував Фарадею працювати з ним як секретар. Незабаром Деві вирушив у подорож Європою і взяв із собою Фарадея. За два роки вони завітали до найбільших європейських університетів.

Повернувшись до Лондона у 1815 році, Фарадей почав працювати асистентом в одній із лабораторій Королівського інституту в Лондоні. На той час це була одна з найкращих фізичних лабораторій світу. З 1816 по 1818 Фарадей надрукував ряд дрібних нотаток і невеликих мемуарів з хімії. До 1818 належить перша робота Фарадея з фізики.

Спираючись на досліди своїх попередників і скомбінувавши кілька власних дослідів, до вересня 1821 Майкл надрукував «Історію успіхів електромагнетизму». Вже в цей час він становив цілком правильне поняття про сутність явища відхилення магнітної стрілки під дією струму.

Досягши цього успіху, Фарадей цілих десять років залишає заняття у сфері електрики, присвятивши себе дослідженню низки предметів іншого роду. У 1823 року Фарадеєм було зроблено одне з найважливіших відкриттів у сфері фізики - він уперше домігся зрідження газу, разом із тим встановив простий, але дійсний метод обігу газів у рідину. У 1824 році Фарадей зробив кілька відкриттів у галузі фізики. Серед іншого, він встановив той факт, що світло впливає на колір скла, змінюючи його. Наступного року Фарадей знову звертається від фізики до хімії, і результатом його робіт у цій галузі є відкриття бензину та сірчано-нафталінової кислоти.

У 1831 році Фарадей опублікував трактат «Про особливий оптичний обман», що послужив основою прекрасного і цікавого оптичного снаряда, що називається «хромотропом». Того ж року вийшов ще один трактат вченого «Про вібруючі платівки». Багато з цих робіт могли самі собою обезсмертити ім'я їх автора. Але найважливішими з наукових працьФарадея є його дослідження в галузі електромагнетизму та електричної індукції.

Досліди Фарадея

Одержимий ідеями про нерозривний зв'язок та взаємодію сил природи, Фарадей намагався довести, що так само, як за допомогою електрики Ампер міг створювати магніти, так само і за допомогою магнітів можна створювати електрику.

Логіка його була простою: механічна робота легко переходить у тепло; навпаки, тепло можна перетворити на механічну роботу(Скажімо, в паровій машині). Взагалі, серед сил природи найчастіше трапляється таке співвідношення: якщо А народжує Б, то Б народжує А.

Якщо з допомогою електрики Ампер отримував магніти, то, мабуть, можна «отримати електрику зі звичайного магнетизму». Таке ж завдання поставили перед собою Араго та Ампер у Парижі, Колладон – у Женеві.

Строго кажучи, важливий відділ фізики, що трактує явища електромагнетизму та індукційної електрики, і що має нині таке величезне значення для техніки, був створений Фарадеєм з нічого. На той час, коли Фарадей остаточно присвятив себе дослідженням у галузі електрики, було встановлено, що при звичайних умовахдостатньо присутності наелектризованого тіла, щоб вплив його порушило електрику у будь-якому іншому тілі. Разом з тим було відомо, що дріт, яким проходить струм і який також являє собою наелектризоване тіло, не впливає на поміщені поруч інші дроти.

Чому залежав цей виняток? Ось питання, яке зацікавив Фарадея і рішення якого призвело його до найважливішим відкриттяму галузі індукційної електрики. Фарадей ставить безліч дослідів, веде педантичні записи. Кожному невеликому дослідженню він присвячує параграф у лабораторних записах (видані в Лондоні повністю в 1931 під назвою «Щоденник Фарадея»). Про працездатність Фарадея говорить хоча б той факт, що останній параграф «Щоденника» позначений номером 16041. Блискуча майстерність Фарадея-експериментатора, одержимість, чітка філософська позиція не могли бути винагороджені, але очікувати результату довелося довгих одинадцять років.

Крім інтуїтивної впевненості у загальному зв'язку явищ, його, власне, у пошуках «електрики з магнетизму» ніщо не підтримувало. До того ж, він, як його вчитель Деві, більше покладався на свої досліди, ніж на уявні побудови. Деві вчив його:

– Хороший експеримент має більше цінності, аніж глибокодумність такого генія, як Ньютон.

Проте саме Фарадею судилися великі відкриття. Великий реаліст, він стихійно рвав шляхи емпірики, колись нав'язані йому Деві, і в ці хвилини його осіняло велике прозріння - він набував здатності до глибоких узагальнень.

Перший проблиск удачі виник лише 29 серпня 1831 року. Цього дня Фарадей випробовував у лабораторії нескладний пристрій: залізне кільце діаметром близько шести дюймів, обмотане двома шматками ізольованого дроту. Коли Фарадей підключив до затискачів однієї обмотки батарею, його помічник, артилерійський сержант Андерсен, побачив, як сіпнулася стрілка гальванометра, приєднаного до іншої обмотки.

Смикнулася і заспокоїлася, хоча постійний струм продовжував текти по першій обмотці. Фарадей ретельно переглянув усі деталі цієї простої установки – все було гаразд.

Але стрілка гальванометра вперто стояла на нулі. З досади Фарадей вирішив вимкнути струм, і тут сталося диво – під час розмикання ланцюга стрілка гальванометра знову хитнулась і знову застигла на нулі!

Гальванометр, залишаючись абсолютно спокійним під час проходження струму, приходить у коливання при самому замиканні ланцюга та при розмиканні його. Виявилося, що в той момент, коли в перший дріт пропускається струм, а також коли це пропускання припиняється, в другому дроті також порушується струм, що має в першому випадку протилежний напрямок з першим струмом і однаковий з ним у другому випадку, що триває лише одну мить.

Ось тут і відкрилися Фарадею у всій ясності великі ідеї Ампера – зв'язок між електричним струмом та магнетизмом. Адже перша обмотка, в яку він подавав струм, одразу ставала магнітом. Якщо розглядати її як магніт, то експеримент 29 серпня показав, що магнетизм начебто народжує електрику. Тільки дві речі залишалися в цьому випадку дивними: чому сплеск електрики при включенні електромагніту став швидко сходити нанівець? Більше того, чому сплеск з'являється при вимкненні магніту?

Наступного дня, 30 серпня, – Нова серіяекспериментів. Ефект ясно виражений, проте абсолютно незрозумілий.

Фарадей відчуває, що відкриття десь поряд.

«Я тепер знову займаюся електромагнетизмом і думаю, що напав на вдалу річ, але ще не можу стверджувати це. Дуже можливо, що після всіх моїх праць я врешті-решт витягну водорості замість риби».

Наступного ранку, 24 вересня, Фарадей підготував багато різних пристроїв, у яких основними елементами були не обмотки з електричним струмом, а постійні магніти. І ефект також існував! Стрілка відхилялася і одразу ж прямувала на місце. Цей легкий рух відбувався при найнесподіваніших маніпуляціях з магнітом, іноді, здавалося, випадково.

Наступний експеримент – 1 жовтня. Фарадей вирішує повернутися до самого початку – до двох обмоток: однієї зі струмом, іншої – приєднаної до гальванометра. Відмінність з першим експериментом – відсутність сталевого кільця – сердечника. Сплеск майже непомітний. Результат тривіальний. Зрозуміло, що магніт без сердечника набагато слабший за магніт з сердечником. Тому і ефект виражений слабкіше.

Фарадей розчарований. Два тижні він не підходить до приладів, розмірковуючи про причини невдачі.

«Я взяв циліндричний магнітний брусок (3/4 дюйма в діаметрі та 8 1/4 дюйма довжиною) і ввів один його кінець усередину спіралі з мідного дроту(220 футів завдовжки), поєднаної з гальванометром. Потім я швидким рухом вштовхнув магніт усередину спіралі на всю його довжину, і стрілка гальванометра зазнала поштовху. Потім я так само швидко витяг магніт зі спіралі, і стрілка знову хитнулася, але в протилежний бік. Ці хитання стрілки повторювалися щоразу, як магніт вштовхувався чи виштовхувався».

Секрет – у русі магніту! Імпульс електрики визначається не становищем магніту, а рухом!

Це означає, що «електрична хвиля виникає лише за руху магніту, а чи не з властивостей, властивих йому спокою».

Рис. 2. Досвід Фарадея з котушкою

Ця ідея надзвичайно плідна. Якщо рух магніту щодо провідника створює електрику, то, мабуть, і рух провідника щодо магніту має народжувати електрику! Причому ця «електрична хвиля» не зникне доти, доки триватиме взаємне переміщення провідника та магніту. Значить, є можливість створити генератор електричного струму, що діє скільки завгодно довго, аби продовжувався взаємний рух дроту та магніту!

28 жовтня Фарадей встановив між полюсами підковоподібного магніту мідний диск, що обертається, з якого за допомогою ковзних контактів (один на осі, інший – на периферії диска) можна було знімати електрична напруга. То справді був перший електричний генератор, створений руками людини. Так було знайдено нове джерело електричної енергії, крім раніше відомих (тертя та хімічних процесів), - індукція, і новий видцієї енергії – індукційна електрика.

Досліди, аналогічні фарадіївським, як уже говорилося, проводилися у Франції та Швейцарії. Професор Женевської академії Колладон був досвідченим експериментатором (він, наприклад, зробив на Женевському озері точні виміришвидкості звуку у воді). Можливо, побоюючись струсу приладів, він, як і Фарадей, по можливості видалив гальванометр від решти установки. Багато хто стверджував, що Колладон спостерігав ті ж швидкоплинні рухи стрілки, що й Фарадей, але, чекаючи стабільнішого, тривалішого ефекту, не надав цим «випадковим» сплескам належного значення.

Справді, думка більшості вчених того часу зводилося до того, що зворотний ефект «створення електрики з магнетизму» повинен, мабуть, мати такий самий стаціонарний характер, як і «прямий» ефект – «освіта магнетизму» за рахунок електричного струму. Несподівана «швидкість» цього ефекту спантеличила багатьох, у тому числі Колладона, і ці багато хто поплатився за свою упередженість.

Продовжуючи свої досліди, Фарадей відкрив далі, що досить простого наближення дроту, закрученого в замкнуту криву, до іншої, по якій йде гальванічний струм, щоб у нейтральному дроті збудити індуктивний струм напрямку, зворотного гальванічного струму, що видаляє нейтрального дроту. струм уже однакового напрямку з гальванічним, що йде по нерухомому дроту, і що ці індуктивні струми збуджуються тільки під час наближення і видалення дроту до провідника гальванічного струму, а без цього руху струми не збуджуються, як би близько один до одного дроту не знаходилися. .

Таким чином, було відкрито нове явище, аналогічне до вищеописаного явища індукції при замиканні та припиненні гальванічного струму. Ці відкриття викликали, у свою чергу, нові. Якщо можна викликати індуктивний струм замиканням та припиненням гальванічного струму, то чи не вийде той самий результат від намагнічування та розмагнічування заліза?

Роботи Ерстеда та Ампера встановили вже спорідненість магнетизму та електрики. Було відомо, що залізо робиться магнітом, коли навколо нього обмотаний ізольований дріт і останньою проходить гальванічний струм, і що магнітні властивості цього заліза припиняються, як тільки припиняється струм.

Виходячи з цього, Фарадей придумав такого роду досвід: навколо залізного кільця було обмотано два ізольовані дроти; причому один дріт був обмотаний навколо однієї половини кільця, а інша - навколо іншої. Через один дріт пропускався струм від гальванічної батареї, а кінці другої були з'єднані з гальванометром. І ось, коли струм замикався або припинявся і коли, отже, залізне кільце намагнічувалося або розмагнічувалося, стрілка гальванометра швидко коливалася і потім швидко зупинялася, тобто в нейтральному дроті порушувалися ті самі миттєві індуктивні струми - цього разу: вже під вплив.

Рис. 3. Досвід Фарадея із залізним кільцем

Таким чином, тут вперше магнетизм був перетворений на електрику. Отримавши ці результати, Фарадей вирішив урізноманітнити свої досліди. Замість залізного кільця він почав використовувати залізну смугу. Замість збудження в залозі магнетизму гальванічним струмом він намагнічував залізо дотиком до постійного сталевого магніту. Результат виходив той самий: у дроті, що обмотує залізо, завжди порушувався струм у момент намагнічування та розмагнічування заліза. Потім Фарадей вносив у дротяну спіраль сталевий магніт – наближення та видалення останнього викликало у дроті індукційні струми. Словом, магнетизм, у сенсі порушення індукційних струмів, діяв так само, як і гальванічний струм.

У той час фізиків посилено займало одне загадкове явище, відкрите в 1824 Араго і не знаходило пояснення, незважаючи на те, що цього пояснення посилено шукали такі видатні вчені того часу, як сам Араго, Ампер, Пуассон, Бабед і Гершель. Справа полягала в наступному. Магнітна стрілка, що вільно висить, швидко приходить у стан спокою, якщо під неї підвести коло з немагнітного металу; якщо потім коло привести до обертального руху, магнітна стрілка починає рухатися за ним.

У спокійному стані не можна було відкрити ні найменшого тяжіння чи відштовхування між колом і стрілкою, тим часом як той самий коло, що був у русі, тягнув у себе як легку стрілку, а й важкий магніт. Це справді чудове явище здавалося вченим того часу таємничою загадкою, що чимось виходить за межі природного. Фарадей, виходячи зі своїх вищевикладених даних, зробив припущення, що гурток немагнітного металу, під впливом магніту, під час обертання оббігається індуктивними струмами, які впливають на магнітну стрілку і тягнуть її за магнітом. І справді, ввівши край гуртка між полюсами великого підковоподібного магніту і з'єднавши дротом центр і край гуртка з гальванометром, Фарадей отримав при обертанні гуртка постійний електричний струм.

Після цього Фарадей зупинився на іншому явище, що тоді викликало загальну цікавість. Як відомо, якщо посипати на магніт залізної тирси, вони групуються за певними лініями, званими магнітними кривими. Фарадей, звернувши увагу на це явище, дав основи в 1831 магнітною кривою назву «ліній магнітної сили», що увійшло потім у загальне вживання. Вивчення цих «ліній» призвело Фарадея до нового відкриття, виявилося, що збудження індуктивних струмів наближення і видалення джерела від магнітного полюса необов'язкові. Для збудження струмів достатньо перетнути відомим чином лінії магнітної сили.

Рис. 4. «Лінії магнітної сили»

Подальші роботиФарадея у згаданому напрямі набували, з сучасного погляду, характер чогось зовсім чудового. На початку 1832 він демонстрував прилад, в якому збуджувалися індуктивні струми без допомоги магніту або гальванічного струму. Прилад складався із залізної смуги, поміщеної у дротяній котушці. Прилад цей за звичайних умов не давав жодної ознаки появи в ньому струмів; але тільки йому давалося напрям, відповідне напрямку магнітної стрілки, у дроті порушувався струм.

Потім Фарадей давав положення магнітної стрілки одній котушці і потім вводив до неї залізну смугу: струм знову збуджувався. Причиною, що викликала в цих випадках струм, був земний магнетизм, що викликав індуктивні струми подібно до звичайного магніту або гальванічного струму. Щоб наочніше показати і довести це, Фарадей зробив ще один досвід, який цілком підтвердив його міркування.

Він міркував, що якщо коло з немагнітного металу, наприклад, з міді, обертаючись у положенні, при якому він перетинає лінії магнітної сили сусіднього магніту, дає індуктивний струм, то те ж коло, обертаючись без магніту, але в положенні, при якому коло перетинатиме лінії земного магнетизму, теж повинен дати індуктивний струм. І справді, мідне коло, що обертається в горизонтальній площині, дав індуктивний струм, який помітно відхиляв стрілку гальванометра. Ряд досліджень у галузі електричної індукції Фарадей закінчив відкриттям, зробленим у 1835 році, «індуктуючого впливу струму на самого себе».

Він з'ясував, що при замиканні або розмиканні гальванічного струму в самому дроті, що є провідником цього струму, збуджуються моментальні індуктивні струми.

Російський фізик Еміль Христофорович Ленц (1804-1861) дав правило визначення напрями індукційного струму. «Індукційний струм завжди спрямований так, що створюване ним магнітне поле ускладнює або гальмує рух, що викликає індукцію, - зазначає А.А. Коробко-Стефанов у своїй статті про електромагнітну індукцію. - Наприклад, при наближенні котушки до магніту індукційний струм, що виникає, має такий напрямок, що створене ним магнітне поле буде протилежне магнітному полю магніту. В результаті між котушкою та магнітом виникають сили відштовхування. Правило Ленца випливає із закону збереження та перетворення енергії. Якби індукційні струми прискорювали їх рух, то створювалася б робота з нічого. Котушка сама по собі після невеликого поштовху прямувала б назустріч магніту, і водночас індукційний струм виділяв би в ній теплоту. Насправді індукційний струм створюється за рахунок роботи зі зближення магніту і котушки.

Рис. 5. Правило Ленца

Чому виникає індукційний струм? Глибоке пояснення явища електромагнітної індукції дав англійський фізик Джемс Клерк Максвелл – творець закінченої математичної теорії електромагнітного поля. Щоб краще зрозуміти суть справи, розглянемо простий досвід. Нехай котушка складається з одного витка дроту та пронизується змінним магнітним полем, перпендикулярним до площини витка. У котушці, звісно, з'являється індукційний струм. Винятково сміливо та несподівано тлумачив цей експеримент Максвелл.

При зміні магнітного поля в просторі, на думку Максвелла, виникає процес, для якого присутність дротяного витка не має жодного значення. Головне тут - виникнення замкнутих кільцевих ліній електричного поля, що охоплюють магнітне поле, що змінюється. Під дією електричного поля приходять в рух електрони, і в витку виникає електричний струм. Виток - це прилад, що дозволяє виявити електричне поле. Сутність явища електромагнітної індукції в тому, що змінне магнітне поле завжди породжує в навколишньому просторі електричне поле із замкнутими силовими лініями. Таке поле називається вихровим».

Дослідження у сфері індукції, виробленої земним магнетизмом, дали Фарадею можливість висловити ще 1832 року ідею телеграфу, яка потім лягла основою цього винаходу. А взагалі відкриття електромагнітної індукції недарма відносять до найбільш видатним відкриттям XIX століття - на цьому явищі заснована робота мільйонів електродвигунів та генераторів електричного струму у всьому світі.

Практичне застосування явища електромагнітної індукції

1. Радіомовлення

Рис. 6. Радіо

2. Магнітотерапія

У діапазоні частот різні місця займають радіохвилі, світло, рентгенівське випромінювання та інші електромагнітні випромінювання. Їх зазвичай характеризують безперервно пов'язаними між собою електричними та магнітними полями.

3. Синхрофазотрони

4. Витратоміри-лічильники

5. Генератор постійного струму

6. Трансформатори

Трансформатори широко застосовуються при передачі електричної енергії на великі відстані, розподіл її між приймачами, а також у різних випрямлювальних, підсилювальних, сигналізаційних та інших пристроях.

Список використаної літератури

1. [Електронний ресурс]. Електромагнітна індукція.

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

2. [Електронний ресурс]. Фарадей. Відкриття електромагнітної індукції.

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

3. [Електронний ресурс]. Відкриття електромагнітної індукції.

4. [Електронний ресурс]. Практичне застосування явища електромагнітної індукції.

Після відкриттів Ерстеда і Ампера стало ясно, що електрика має магнітну силу. Тепер необхідно підтвердити вплив магнітних явищ на електричні. Це завдання блискуче вирішив Фарадей.

У 1821 році М.Фарадей зробив запис у своєму щоденнику: «Перетворити магнетизм на електрику». Через 10 років це завдання було ним вирішено.

Отже, Майкл Фарадей (1791-1867) – англійський фізик та хімік.

Один із засновників кількісної електрохімії. Вперше отримав (1823) у рідкому станіхлор, потім сірководень, діоксид вуглецю, аміак та діоксид азоту. Відкрив (1825) бензол, вивчив його фізичні та деякі Хімічні властивості. Ввів поняття діелектричної проникності. Ім'я Фарадея увійшло систему електричних одиниць як одиниці електричної ємності.

Багато з цих робіт могли самі - по собі обезсмертити ім'я їхнього автора. Але найважливішими з наукових праць Фарадея є його дослідження в галузі електромагнетизму та електричної індукції. Строго кажучи, важливий відділ фізики, що трактує явища електромагнетизму та індукційної електрики, і що має нині таке величезне значення для техніки, був створений Фарадеєм з нічого.

Коли Фарадей остаточно присвятив себе дослідженням у галузі електрики, було встановлено, що за звичайних умов достатньо присутності наелектризованого тіла, щоб його вплив порушило електрику у будь-якому іншому тілі.

Разом з тим було відомо, що дріт, яким проходить струм і який також являє собою наелектризоване тіло, не впливає на поміщені поруч інші дроти. Чому залежав цей виняток? Ось питання, яке зацікавив Фарадея і вирішення якого призвело його до найважливіших відкриттів у галузі індукційної електрики.

На одну й ту саму дерев'яну качалку Фарадей намотав паралельно один одному два ізольовані дроти. Кінці одного дроту він з'єднав із батареєю з десяти елементів, а кінці іншого – з чутливим гальванометром. Коли був пропущений струм через перший дріт, Фарадей звернув всю свою увагу на гальванометр, очікуючи помітити по коливання його поява струму і в другому дроті. Проте нічого такого не було: гальванометр залишався спокійним. Фарадей вирішив збільшити силу струму та ввів у ланцюг 120 гальванічних елементів. Результат вийшов той самий. Фарадей повторив цей досвід десятки разів і все з тим самим успіхом. Будь-який інший на його місці залишив би досліди, переконаний, що струм, що проходить через дріт, не впливає на сусідній дріт. Але фарадей намагався завжди витягти зі своїх дослідів і спостережень все, що вони можуть дати, і тому, не отримавши прямої дії на дріт, з'єднаний із гальванометром, почав шукати побічні явища.

електромагнітна індукція електричний струм поле

Відразу ж він помітив, що гальванометр, залишаючись абсолютно спокійним під час проходження струму, приходить у коливання при самому замиканні ланцюга і при розмиканні його виявилося, що в той момент, коли в перший дріт пропускається струм, а також коли це пропускання припиняється, другий дроті також збуджується струм, що має в першому випадку протилежний напрямок з першим струмом і однаковий з ним у другому випадку і триває лише одну мить Ці вторинні миттєві струми, викликані впливом первинних, названі були Фарадеєм індуктивними, і ця назва збереглася за ними досі.

Будучи миттєвими, миттєво зникаючи за своєю появою, індуктивні струми не мали б ніякого практичного значення, якби Фарадей не знайшов спосіб за допомогою дотепного пристосування (комутатора) безупинно переривати і знову проводити первинний струм, що йде від батареї по першому дроті, завдяки чому другий дроті безперервно збуджуються нові і нові індуктивні струми, що стають, таким чином, постійними. Так було знайдено нове джерело електричної енергії, крім раніше відомих (тертя та хімічних процесів), - індукція, і новий вид цієї енергії - індукційна електрика.

ЕЛЕКТРОМАГНІТНА ІНДУКЦІЯ(лат. inductio – наведення) – явище породження вихрового електричного поля змінним магнітним полем. Якщо внести в змінне магнітне поле замкнений провідник, то в ньому з'явиться електричний струм. Поява цього струму називають індукцією струму, а сам струм – індукційним.

Вивчення виникнення електричного струму завжди хвилювало вчених. Після того, як на початку XIX століття датський вчений Ерстед з'ясував, що навколо електричного струму виникає магнітне поле, вчені запитали себе: чи може магнітне поле породжувати електричний струм і навпаки. Першим ученим, кому це вдалося, був учений Майкл Фарадей.

Досліди Фарадея

Після численних проведених дослідів Фарадей зміг досягти деяких результатів.

1. Виникнення електричного струму

Для проведення досвіду він взяв котушку з великою кількістювитків і приєднав її до міліамперметра (приладу, що вимірює силу струму). У напрямку вгору і вниз вчений пересував магніт по котушці.

Під час проведення експерименту, в котушці дійсно з'являвся електричний струм через зміну магнітного поля навколо неї.

За спостереженнями Фарадея стрілка міліамперметра відхилялася і вказувала на те, що рух магніту породжує електричний струм. Під час зупинки магніту стрілка показувала нульову розмітку, тобто. Струм не циркулював по ланцюгу.

Рис. 1 Зміна сили струму в котушці за рахунок пересування реєстру

Дане явище, у якому струм виникає під впливом змінного магнітного поля у провіднику, назвали явищем електромагнітної індукції.

2.Зміна напряму індукційного струму

У своїх подальших дослідженнях Майкл Фарадей намагався з'ясувати, що впливає на напрямок індукційного електричного струму, що виникає. Проводячи досліди, він помітив, що змінюючи числа мотків на котушці або полярність магнітів, напрямок електричного струму, що виникає в замкненій мережі, змінюється.

3.Явление електромагнітної індукції

Для проведення досвіду вчений взяв дві котушки, які розташував близько один до одного. Перша котушка, що має велика кількістьвитків дроту, була приєднана до джерела струму і ключа, що замикає та розмикає ланцюг. Другу таку ж котушку він приєднав до міліамперметра без підключення до джерела струму.

Проводячи експеримент, Фарадей зауважив, що при замиканні електричного ланцюга виникає індукований струм, що видно рухом стрілки міліамперметра. При розмиканні ланцюга міліамперметр також показував, що ланцюга є електричний струм, але показання були прямо протилежними. Коли ж ланцюг був замкнутий і рівномірно циркулював струм, струму в електричному ланцюзі за даними міліамперметра не було.

https://youtu.be/iVYEeX5mTJ8

Виведення з експериментів

В результаті відкриття Фарадея була доведена наступна гіпотеза: електричний струм з'являється лише за зміни магнітного поля. Також було доведено, що зміна числа витків у котушці змінює значення сили струму (збільшення мотків збільшує силу струму). Причому індукований електричний струм може з'явитися в замкненому ланцюгу лише за наявності змінного магнітного поля.

Від чого залежить електричний індукційний струм?

Грунтуючись на всьому вищесказаному, можна відзначити, що навіть якщо є магнітне поле, це не призведе до виникнення електричного струму, якщо це поле не буде змінним.

Тож від чого залежить величина індукційного поля?

Число витків на котушці;
Швидкість зміни магнітного поля;
Швидкість руху магніту.

Магнітний потік є величиною, що характеризує магнітне поле. Змінюючись, магнітний потік призводить до зміни індукованого електричного струму.

рис.2 Зміна сили струму при переміщенні а) котушки, в якому знаходиться соленоїд; б) постійного магніту, внесенням його до котушки

Закон Фарадея

Ґрунтуючись на проведених дослідах, Майкл Фарадей сформулював закон електромагнітної індукції. Закон полягає в тому, що магнітне поле при своїй зміні призводить до виникнення електричного струму, Той же вказує на наявність електрорушійної сили електромагнітної індукції (ЕРС).

Швидкість магнітного струму змінюючись тягне у себе зміна швидкості струму та ЕРС.

Закон Фарадея: ЕРС електромагнітної індукції дорівнює чисельно та протилежна за знаком швидкості зміни магнітного потоку, який проходить через поверхню, обмежену контуром

Індуктивність контуру. Самоіндукція.

Магнітне поле створюється у разі, коли струм протікає в замкнутому контурі. Сила струму при цьому впливає на магнітний потік та індукує ЕРС.

Самоіндукція – явище, у якому ЕРС індукції виникає за зміни сили струму в контурі.

Самоіндукція змінюється залежно від особливостей форми контуру, його розмірів та середовища, що його містить.

При збільшенні електричного струму струм самоіндукції контуру може уповільнити його. При його зменшенні струм самоіндукції, навпаки, не дає йому так швидко зменшуватися. Таким чином, контур починає мати свою електричну інертність, що уповільнює будь-яку зміну струму.

Застосування індукованого ЕРС

Явище електромагнітної індукції має застосування на практиці у генераторах, трансформаторах та двигунах, що працюють на електриці.

При цьому струм для цих цілей одержують такими способами:

Зміна струму в котушці;
Рух магнітного поля через постійні магніти та електромагніти;
Обертання витків або котушок у постійному магнітному полі.

Відкриття електромагнітної індукції Майкла Фарадея зробило великий внесок у науку і в наше буденне життя. Це відкриття послужило поштовхом для подальших відкриттів у галузі вивчення електромагнітних полів і має широке застосування сучасного життялюдей.

Практичне застосування електромагнітної індукції

Явище електромагнітної індукції використовується, перш за все, для перетворення механічної енергії на енергію електричного струму. Для цієї мети застосовуються генератори змінного струму(Індукційні генератори).

sin

Рис. 4.6

Для промислового виробництваелектроенергії на електричних станціях використовуються синхронні генератори(турбогенератори, якщо станція теплова або атомна, та гідрогенератори, якщо станція гідравлічна). Нерухома частина синхронного генератора називається статором, а обертова – ротором(Рис. 4.6). Ротор генератора має обмотку постійного струму (обмотку збудження) і є потужним електромагнітом. Постійний струм, що подається на
обмотку збудження через щітково-контактний апарат, що намагнічує ротор, і при цьому утворюється електромагніт з північним та південним полюсами.

На статорі генератора розташовані три обмотки змінного струму, зміщені одна відносно іншої на 120 0 і з'єднані між собою за певною схемою включення.

При обертанні збудженого ротора за допомогою парової або гідравлічної турбіни його полюси проходять під обмотками статора, і в них індукується електрорушійна сила, що змінюється за гармонічним законом. Далі генератор за певною схемою електричної мережіз'єднується із вузлами споживання електроенергії.

Якщо передавати електроенергію від генераторів станцій до споживачів по лініях електропередачі безпосередньо (на генераторній напрузі, яка відносно невелика), то в мережі відбуватимуться великі втрати енергії та напруги (зверніть увагу на співвідношення , ). Отже, для економічного транспортування електроенергії необхідно зменшити силу струму. Однак, оскільки потужність, що передається, при цьому залишається незмінною, напруга повинна
збільшитися у стільки ж разів, у скільки разів зменшується сила струму.

У споживача електроенергії, своєю чергою, напруга необхідно знизити до необхідного рівня. Електричні апарати, в яких напруга збільшується або зменшується в задану кількість разів, називаються трансформаторами. Робота трансформатора також ґрунтується на законі електромагнітної індукції.

sin

Тоді

У потужних трансформаторів опору котушок дуже малі,
тому напруги на затискачах первинної та вторинної обмоток приблизно рівні ЕРС:

де k –коефіцієнт трансформації. При k<1 () трансформатор є підвищуючим, при k>1 () трансформатор є знижуючим.

При підключенні до вторинної обмотки трансформатора навантаження, у ній потече струм. При збільшенні споживання електроенергії згідно із законом
збереження енергії має збільшитись енергія, що віддається генераторами станції, тобто

Це означає, що підвищуючи за допомогою трансформатора напругу
в kраз, вдається в стільки ж разів зменшити силу струму в ланцюгу (при цьому джоулеві втрати зменшуються в k 2 рази).

Тема 17. Основи теорії Максвелла для електромагнітного поля. Електромагнітні хвилі

У 60-х роках. ХІХ ст. англійський вчений Дж. Максвелл (1831-1879) узагальнив експериментально встановлені закони електричного та магнітного полів та створив закінчену єдину теорію електромагнітного поля. Вона дозволяє вирішити основне завдання електродинаміки: визначити характеристики електромагнітного поля заданої системи електричних зарядів та струмів

Максвел висунув гіпотезу, що всяке змінне магнітне поле збуджує в навколишньому просторі вихрове електричне поле, циркуляція якого і є причиною виникнення ЕРС електромагнітної індукції в контурі:

(5.1)

Рівняння (5.1) називають другим рівнянням Максвелла. Сенс цього рівняння полягає в тому, що магнітне поле, що змінюється, породжує вихрове електричне, а останнє в свою чергу викликає в навколишньому діелектрику або вакуумі магнітне поле, що змінюється. Оскільки магнітне поле створюється електричним струмом, то, згідно з Максвеллом, вихрове електричне поле слід розглядати як деякий струм,
який протікає як у діелектриці, і у вакуумі. Максвел назвав цей струм струмом усунення.

Струм зсуву, як це випливає з теорії Максвелла
та дослідів Ейхенвальда, створює таке ж магнітне поле, як і струм провідності.

У своїй теорії Максвел ввів поняття повного струму, рівного сумі
струмів провідності та зміщення. Отже, щільність повного струму

По Максвеллу повний струм у ланцюгу завжди замкнутий, тобто на кінцях провідників обривається лише струм провідності, а в діелектриці (вакуумі) між кінцями провідника є струм зміщення, який замикає струм провідності.

Ввівши поняття повного струму, Максвел узагальнив теорему про циркуляцію вектора (або ):

(5.6)

Рівняння (5.6) називається першим рівнянням Максвелла в інтегральній формі. Воно є узагальнений закон повного струму і виражає основне положення електромагнітної теорії: струми зсуву створюють такі ж магнітні поля, як і струми провідності.

Створена Максвеллом єдина макроскопічна теорія електромагнітного поля дозволила з одного погляду як пояснити електричні і магнітні явища, але передбачити нові, існування яких було згодом підтверджено практично (наприклад, відкриття електромагнітних хвиль).

Узагальнюючи розглянуті вище положення, наведемо рівняння, що є основою електромагнітної теорії Максвелла.

1. Теорема про циркуляцію вектора напруженості магнітного поля:

Це рівняння показує, що магнітні поля можуть створюватися або зарядами, що рухаються (електричними струмами), або змінними електричними полями.

2. Електричне полеможе бути як потенційним (), так і вихровим (), тому напруженість сумарного поля . Оскільки циркуляція вектора дорівнює нулю, то циркуляція вектора напруженості сумарного електричного поля.

Це рівняння показує, що джерелами електричного поля можуть бути не лише електричні заряди, але і магнітні поля, що змінюються в часі.

3. ,

де - об'ємна щільність заряду всередині замкнутої поверхні; - Питома провідність речовини.

Для стаціонарних полів ( E= const , B= const) рівняння Максвелла набувають вигляду

тобто джерелами магнітного поля в даному випадку є тільки
струми провідності, а джерелами електричного поля лише електричні заряди. У цьому випадку електричні та магнітні поля незалежні один від одного, що й дозволяє вивчати окремо постійніелектричні та магнітні поля.

Використовуючи відомі з векторного аналізу теореми Стокса та Гауса, можна уявити повну систему рівнянь Максвелла у диференціальній формі(характеризують поле у кожній точці простору):

(5.7)

Очевидно, що рівняння Максвелла не симетричніщодо електричного та магнітного полів. Це з тим, що у природі
існують електричні заряди, але немає магнітних зарядів.

Рівняння Максвелла - найбільш загальні рівняння для електричних
і магнітних полів у середовищах. Вони грають у вченні про електромагнетизм таку ж роль, як і закони Ньютона в механіці.

Електромагнітною хвилеюназивають змінне електромагнітне поле, що розповсюджується у просторі з кінцевою швидкістю.

Існування електромагнітних хвиль випливає з рівнянь Максвелла, сформульованих у 1865 р. на основі узагальнення емпіричних законів електричних та магнітних явищ. Електромагнітна хвиля утворюється внаслідок взаємного зв'язку змінних електричного та магнітного полів – зміна одного поля призводить до зміни іншого, тобто чим швидше змінюється в часі індукція магнітного поля, тим більша напруженість електричного поля, і навпаки. Таким чином, для утворення інтенсивних електромагнітних хвиль необхідно порушити електромагнітні коливання досить високої частоти. Фазова швидкістьелектромагнітних хвиль визначається
електричними та магнітними властивостями середовища:

У вакуумі ( ) швидкість поширення електромагнітних хвиль збігається зі швидкістю світла; у речовині тому швидкість поширення електромагнітних хвиль у речовині завжди менша, ніж у вакуумі.

Електромагнітні хвилі є поперечними хвилями –
коливання векторів і відбуваються у взаємно перпендикулярних площинах, причому вектори і утворюють правовинтову систему. З рівнянь Максвелла також випливає, що в електромагнітній хвилі вектори завжди коливаються в однакових фазах, а миттєві значення Еі Ну будь-якій точці пов'язані співвідношенням

Рівняння плоскої електромагнітної хвиліу векторній формі:

(6.66)

Рис. 6.21

На рис. 6.21 показано "моментальний знімок" плоскої електромагнітної хвилі. З нього видно, що вектори і утворюють із напрямком поширення хвилі правовинтову систему. У фіксованій точці простору вектори напруженості електричного та магнітного полів змінюються з часом за гармонічним законом.

Для характеристики перенесення енергії будь-якою хвилею у фізиці введено векторну величину, звану щільністю потоку енергії. Вона чисельно дорівнює кількості енергії, що переноситься в одиницю часу через одиничний майданчик, перпендикулярний напряму, в якому
поширюється хвиля. Напрямок вектора збігається із напрямком перенесення енергії. Величину щільності потоку енергії можна отримати, помноживши щільність енергії на швидкість хвилі

Щільність енергії електромагнітного поля складається з щільності енергії електричного поля та щільності енергії магнітного поля:

(6.67)

Помноживши щільність енергії електромагнітної хвилі на її фазову швидкість, отримаємо щільність потоку енергії

(6.68)

Вектори і взаємно перпендикулярні та утворюють з напрямком поширення хвилі правовинтову систему. Тому напрямок
вектора збігається з напрямком перенесення енергії, а модуль цього вектора визначається співвідношенням (6.68). Отже, вектор щільності потоку енергії електромагнітної хвилі можна як векторний твір

(6.69)

Вектор називають вектором Умова-Пойнтінга.

Коливання та хвилі

Тема 18. Вільні гармонійні коливання

Рухи, які мають той чи інший ступінь повторюваності, називаються коливаннями.

Якщо значення фізичних величин, що змінюються в процесі руху, повторюються через рівні проміжки часу, такий рух називається періодичним (Рух планет навколо Сонця, рух поршня в циліндрі двигуна внутрішнього згоряння та ін). Коливальну систему незалежно від її фізичної природи називають осцилятором. Прикладом осцилятора може служити вантаж, що коливається, підвішений на пружині або нитки.

Повним ваганнямназивають один закінчений цикл коливального руху, після якого він повторюється у тому порядку.

За способом порушення коливання поділяють на:

· вільні(Власні), що відбуваються в представленій собі системі при становищі рівноваги після будь-якого первісного впливу;

· вимушені, що відбуваються при періодичному зовнішньому впливі;

· параметричні,що відбуваються при зміні будь-якого параметра коливальної системи;

· автоколивання, що відбуваються в системах, що самостійно регулюють надходження зовнішніх впливів.

Будь-який коливальний рух характеризується амплітудою А - максимальним відхиленням точки, що коливається від положення рівноваги.

Коливання точки, що відбуваються із постійною амплітудою, називають незагасаючими, а коливання з амплітудою, що поступово зменшується – загасаючими.

Час, протягом якого відбувається повне коливання, називають періодом(Т).

Частотою Періодичні коливання називають число повних коливань, що здійснюються за одиницю часу.Одиниця частоти коливань герц(Гц). Герц - це частота коливань, період яких дорівнює 1 с: 1 Гц = 1 с -1.

Циклічноюабо круговою частотоюперіодичних коливань називається число повних коливань, що здійснюються за час 2p з: . =Рад/с.