Работа всех электрических машин основывается на явлении электромагнитной индукции. Иногда трудно себе представить, как такие машины способны работать.. Например, трансформатор – преобразует электрическую энергию одной величины в другую, при этом его обмотки не связаны друг с другом, фактически по воздуху.
Асинхронные двигателя, их принцип действия также объясняет явление электромагнитной индукции. Какой силой обладает вращающийся ротор, какие механизмы он способен приводить в действие. Напомню, ротор так же ни с чем не связан, он свободно вращается на подшипниках вокруг своей оси. Но от куда берется эта сила? Давайте копнем глубже и рассмотрим детально явление электромагнитной индукции.
Явление электромагнитной индукции
При изменении тока происходит образование магнитного поля. Это явление, в свою очередь, влияет на движение электронов.
Если рассматривать одиночный провод, расположенный прямо, то он будет создавать поле, направление силовых линий которого идёт по кругу в перпендикулярной ему плоскости.
Если в магнитном поле происходят изменения, то это увеличивает или ослабляет силу тока, который проходит по проводнику. Направление изменения зависит от того, как меняется поле. Это явление позволяет преобразовывать электрическую энергию в механическую или наоборот.
Учёный, которому принадлежит заслуга открытия взаимодействия электрического и магнитного полей — Майкл Фарадей.
Были проведены опыты, которые показали, что изменение магнитного поля способно порождать движение электронов. Это явление впоследствии назвали индукционным током.
Опыты, выполненные этим учёным, выглядят следующим образом:
- Фарадей сделал катушку с полой серединой. Её концы соединил с гальванометром. Взял в руки магнит и поместил его внутрь катушки. Если его вдвигать или выдвигать, то на гальванометре отклоняется стрелка, доказывая наличие тока. Чем быстрее выполняемое движение, тем выше его сила. Аналогичный эффект будет достигнут, если магнит будет неподвижен, но будет перемещаться соленоид.
- В следующем опыте были использованы две катушки. Большая подключена к гальванометру, а вторая — к источнику. Одна из катушек была настолько узкой, чтоб могла проходить внутрь второй. Если её поместить туда и несколько раз включить и выключить ток, то на гальванометре стрелка отклонится, показывая наличие тока.
- Если взять два соленоида под током и один из них подвигать рядом с другим, то в них также возникнет движение электронов.
При проведении таких опытов более быстрое движение создаёт более сильное движение электронов.
Одновременно с Фарадеем аналогичные исследования осуществил Джозеф Генри, однако опубликовал свои результаты позже.
Объяснение явления
Движение носителей заряда — электронов происходит в том случае, когда на них действует электродвижущая сила, создаваемая разностью потенциалов.
Возникновение тока под действием изменения магнитного поля происходит из-за того, что оно создаёт такую силу, которая носит название ЭДС индукции. Хотя явление индуктивности было обнаружено Фарадеем, он не дал ему теоретического объяснения.
Теория электромагнитного поля в физике была создана Максвеллом в 1861 году. Этому явлению присущи такие черты:
- источником движения электронов является переменное магнитное поле;
- его наличие можно обнаружить по производимому воздействию на электрические заряды;
- это поле не является потенциальным;
- силовые линии поля представляют собой замкнутые кривые.
Работа магнитного поля выражается в создании электродвижущей силы для электронов.
Вихревое электрическое поле
Изменяющееся во времени и пространстве магнитное поле является источником появления вихревого имеющего замкнутые силовые линии электрического поля. Его воздействие объясняет упорядоченное перемещение единичных зарядов в проводнике, находящемся в (статичном) неподвижном состоянии.
Направление силовых линий электрического поля подчиняется правилу Ленца и правилу «буравчика».
Вихревые силовые линии
Закон электромагнитной индукции Фарадея
Основной характеристикой магнитного поля является магнитный поток. Зрительно его можно представить, как силовые линии, пронизывающие перпендикулярную плоскую фигуру, ограниченную замкнутой линией. Эти линии выражают вектор магнитной индукции.
Произведение модуля этой величины на площадь для равномерного и однородного магнитного поля равно потоку поля через рассматриваемый контур.
При рассмотрении сложного поля, фигуру разбивают на небольшие участки, в которых поле равномерно и суммируют значения для каждого из них. Для вычисления в таких случаях используются методы дифференциального и интегрального исчисления.
Электромагнитная индукция измеряется в Тесла (Тл). Эта единица получила своё название в честь великого учёного-физика.
Закон Фарадея
количественно описывает влияние магнитного поля на движение электронов. Он утверждает следующее:
скорость изменения потока электромагнитного поля равна порождаемой им электродвижущей силе, воздействующей на электроны и создающей ток.
Нужно заметить, что когда магнитное поле порождается изменением силы тока, то возникающая электродвижущая сила воздействует на него противоположным образом. Это можно прояснить на таком примере.
Если рассматривается провод, и в нём увеличивается сила тока, то это создаёт магнитное поле. Оно, в свою очередь, создаёт ЭДС, которая препятствует увеличению.
Электромагниты в повседневной жизни
Электромагниты часто используются для хранения информации, так как многие материалы способны поглощать магнитное поле, которое может быть впоследствии считано для извлечения информации. Они находят применение практически в любом современном приборе.
Где применяют электромагниты? В быту они используются в ряде бытовых приборов. Одной из полезных характеристик электромагнита является возможность изменения магнитной силы, при изменении силы и направление тока, текущего через катушки или обмотки вокруг него. Колонки, громкоговорители и магнитофоны — это устройства, в которых реализуется этот эффект. Некоторые электромагниты могут быть очень сильными, причем их сила может регулироваться.
Где применяют электромагниты в жизни? Простейшими примерами служат дверные звонки и электромагнитные замки. Используется электромагнитная блокировка для двери, создавая сильное поле. Пока ток проходит через электромагнит, дверь остается закрытой. Телевизоры, компьютеры, автомобили, лифты и копировальные аппараты — вот где применяют электромагниты, и это далеко не полный список.
Правило Ленца
Это правило даёт возможность правильно определить направление индукционного тока в различных ситуациях. Оно формулируется следующим образом: направление тока, порождённого индукцией, создаёт такое изменение магнитного потока, препятствующее изменению внешнего поля, благодаря которому оно возникло.
Это можно пояснить на следующем примере. Будет рассмотрена ситуация, когда внешнее магнитное поле со временем будет возрастать, а его силовые линии направлены вверх.
Это произойдёт, например, в той ситуации, когда снизу к контуру, расположенному горизонтально, будут приближать магнит так, чтобы его северный полюс был обращён вверх. В этом случае магнитный поток будет увеличиваться, создавая электродвижущую силу.
В контуре будет создан индукционный ток. Он будет таким, чтобы магнитные силовые линии были противоположными по отношению к тем, которые характеризуют первоначальное. Теперь можно определить направление индукционного тока в контуре.
Как известно, если смотреть со стороны создаваемого поля, то он будет направлен по часовой стрелке. То есть, если смотреть сверху, направление будет против неё.
На этом примере можно увидеть, как с помощью правила Ленца можно определить направление магнитного поля и индукционного тока.
Что такое электромагнит?
Электромагнит можно рассматривать как временный магнит, который функционирует с потоком электричества, и его полярность может быть легко изменена путем изменения направления тока. Также сила электромагнита может быть изменена путем изменения величины тока, протекающего через него.
Сфера применения электромагнетизма необычайно широка. Например, магнитные выключатели являются предпочтительными в использовании тем, что они менее восприимчивы к изменениям температуры и способны поддерживать номинальный ток без ложного срабатывания.
Самоиндукция
В этом случае рассматривается ситуация, когда изменение движения электронов порождает ЭДС, вызывающий индукционный ток в этом же проводнике.
Взяв за основу правило Ленца, можно утверждать, что он имеет направление, противоположное первоначальному изменению.
Самоиндукция похожа на явление инерции. Тяжёлое тело невозможно остановить мгновенно. Также нельзя изменить силу тока за один миг до нужной величины из-за наличия явления самоиндукции.
Это свойство можно продемонстрировать следующим опытом. Нужно сделать две электрических цепи. В одной из них имеется источник и лампочка. Другая сделана аналогичным образом, но различие состоит в том, что в цепь добавлена катушка.
В первой цепи после включения лампочка загорается сразу. Во второй, учитывая наличие индуктивного элемента, это происходит с заметным опозданием.
После размыкания свет в первой лампочке отключается практически мгновенно, а во второй это происходит замедленно. Важно отметить, что в процессе выключения индукционный ток может превысить первоначальный. Поскольку в этой ситуации он направлен также, как и рабочий, то сила тока может возрасти. В некоторых цепях это может вызвать перегорание лампочки.
Язык, в котором время протекает с востока на запад
Учёная из Беркли Элис Гэби (Alice Gaby) и лингвист из Стэнфорда Лера Бородицкая (Lera Boroditsky) изучили язык куук таайорре, на котором говорит австралийский народ пормпураау из Квинсленда. Так же, как представители гуугу йимитирр, носители языка куук тайорре ориентируются по северу, югу, западу и востоку, однако Бородицкая и Гэби также выяснили, что представители этого племени совершенно по-особому толкуют время: в их языке оно расположено вдоль оси восток — запад, причём прошлое располагается на востоке.
Во время нескольких экспериментов учёные раздавали представителям племени серии карточек, на которых были нарисованы либо постепенно съедаемый банан, либо растущий крокодил, либо постепенно стареющий человек в разных возрастах. Во время эксперимента носители языка куук таайорре сначала сидели лицом на север, затем лицом на юг. Но как бы ни садились эти люди, они всегда раскладывали рисунки с востока на запад — в том же направлении, в котором солнце движется днём по небу. Носители же английского языка, которые также участвовали в эксперименте, неизменно раскладывали карточки в том же направлении, в котором мы читаем — слева направо.
Так исследователи выяснили, что у носителей языка куук таайорре ход времени тесно связан со сторонами света. Лера Бородитская отмечает:
Мы никому из них не говорили, в каком направлении они сидят лицом. Но носители языка куук таайорре уже знали это и непроизвольно использовали стороны света для выражения своих представлений о времени.
Индуктивность
Проводник, через который проходит изменяющийся ток, способен накапливать энергию путём использования магнитного поля. У прямолинейного отрезка провода эта способность имеет незначительную величину.
Однако, если речь идёт о катушке, то её величина гораздо сильнее. Эта характеристика называется индуктивностью. Она обозначается как «L» и играет важную роль при определении различных характеристик электромагнитного поля.
Магнитный поток в определённом контуре можно выразить посредством формулы Ф = L* I, а электродвижущую силу в виде E = L* (dI/dt).
Ток, проходящий через контур, способен создать электромагнитное поле, причём оно будет тем сильнее, чем быстрее будут происходить его изменения.
На практике для увеличения индуктивности катушки используют вставленные внутрь стержни из ферромагнетика.
Энергия магнитного поля
Электрический ток создаёт магнитное поле. При этом он затрачивает определённую энергию. Её величина равна той работе, которая была затрачена на создание поля. Она вычисляется по следующей формуле:
Здесь использовались такие обозначения:
- W – энергия магнитного поля;
- L – индуктивность;
- I – сила тока.
Если магнитное поле по какой-то причине пропадёт, то его энергия выделится в той или иной форме.
Электромагниты и их применение
Вот некоторые из примеров, где они используются:
- Моторы и генераторы. Благодаря электромагнитам стало возможным производство электродвигателей и генераторов, которые работают по принципу электромагнитной индукции. Это явление было открыто ученым Майклом Фарадеем. Он доказал, что электрический ток создает магнитноее поле. Генератор использует внешнюю силу ветра, движущейся воды или пара, вращает вал, который заставляет двигаться набор магнитов вокруг спирального провода, чтобы создать электрический ток. Таким образом, электромагниты преобразуют в электрическую другие виды энергии.
- Практика промышленного использования. Только материалы, сделанные из железа, никеля, кобальта или их сплавов, а также некоторые природные минералы реагируют на магнитное поле. Где используют электромагниты? Одной из сфер практического применения является сортировка металлов. Поскольку упомянутые элементы используются в производстве, с помощью электромагнита эффективно сортируют железосодержащие сплавы.
- Где применяют электромагниты? С их помощью можно также поднимать и перемещать массивные объекты, например, автомобили перед утилизацией. Они также используются в транспортировке. Поезда в Азии и Европе используют электромагниты для перевозки автомобилей. Это помогает им двигаться на феноменальных скоростях.
Применение электромагнитной индукции
Это явление активно применяется в различных сферах жизни человеческого общества.
Далее будут приведены несколько наиболее известных примеров:
- радиовещание невозможно без использования явления электромагнитной индукции;
- в медицине магнитотерапия является одним из эффективных методов лечения;
- при фундаментальных исследованиях для разгона элементарных частиц применяются синхрофазотроны, работа которых основана на явлении индуктивности;
- счётчики электричества, применяемые в быту для его учёта, используют рассматриваемое явление;
- для того, чтобы передавать произведённую электростанциями электрическую энергию на большие расстояния, применяются трансформаторы, работа которых построена на использовании электромагнитной индукции;
- в металлургии для плавки металла применяются индукционные печи.
Использование этого явления очень широко распространено. Приведённые примеры являются только частью различных вариантов использования.
Магнитное поле в медицине
Магнитное поле широко применяется в медицине. Существует и специальный термин – магнитотерапия.
Магнитотерапия – это метод физиотерапии, в основе которого лежит действие на организм магнитными полями различных параметров.
С лечебно-профилактическими целями используются:
- постоянное магнитное поле (постоянная магнитотерапия);
- импульсное магнитное поле (импульсная магнитотерапия);
- переменное магнитное поле (низкочастотная магнитотерапия).
Постоянная магнитотерапия
При постоянной магнитотерапии на организм с лечебно-профилактическими целями воздействуют постоянным магнитным полем. Для получения постоянного магнитного поля (ПМП) используют постоянные магниты из различных материалов и различных конструкций, а также электромагниты с ферромагнитными сердечниками или без них, в обмотках которых течет постоянный электрический ток. Индукция постоянных магнитных полей чаще составляет 30-60 мТл.
Рисунок 28. Постоянная магнитотерапия
Импульсная магнитотерапия
Этот вид терапии основан на применении с лечебно-профилактическими и реабилитационными целями импульсных магнитных полей низкой частоты.
Действующим фактором в данном методе являются вихревые электрические поля (токи), индуцируемые в тканях мощным импульсным
магнитным полем. Индукционные электрические токи способны вызывать возбуждение волокон периферических нервов. Вследствие чего блокируется афферентная импульсация из болевого очага. За счет возбуждения толстых миелинизированных волокон наблюдается и сокращение иннервируемых ими мышц. Кроме того, это поле за счет наведения импульсных токов вызывает ритмическое сокращение миофибрилл скелетной мускулатуры, гладких мышц сосудов и внутренних органов.
Рисунок 29. Импульсная магнитотерапия
Низкочастотная магнитотерапия
Наиболее распространенный вид магнитотерапии — низкочастотная, при которой с лечебно-профилактическими и реабилитационными целями используют магнитные поля низкой частоты. В основе действия лежат те же механизмы и физико-химические эффекты, что и при использовании постоянных магнитных полей. Однако главным действующим фактором является формирование в тканях индуцированных электрических токов, плотность которых определяется скоростью изменения магнитной индукции.
Минимальные эффекты наблюдаются при плотности тока 1-10 мА/м. Такие токи наводятся в тканях при воздействии переменным МП с индукцией 0,5-5 мТл при частоте 50 Гц или 10-100 мТл при частоте 2,5 Гц. Более существенные сдвиги наблюдаются при плотности наведенного тока 10-100 мА/м, который наводится при действии на ткани переменного МП с индукцией 5-50 мТл при частоте 50 Гц или 100-1000 мТл при частоте 2,5 Гц.
Рисунок 30. Низкочастотная магнитотерапия
Все формулы по теме «Электромагнитная индукция»
Для того чтобы кратко освежить в памяти формулы, относящиеся к магнитной индукции, далее приводится перечень наиболее важных из них.
Открытие законов, которые описывают поведение электромагнитного поля, является одним из важнейших достижений науки за всю историю. В современной жизни использование этого явления происходит практически во всех областях жизни общества.
