Электромагнитная индукция

Что может быть лучше, чем вечером понедельника почитать про основы электродинамики. Правильно, можно найти множество вещей, которые будут лучше. Тем не менее, мы все равно предлагаем Вам прочесть эту статью. Времени занимает не много, а полезная информация останется в подсознании. Например, на экзамене, в условиях стресса, можно будет успешно извлечь из недр памяти закон Фарадея. Так как законов Фарадея несколько, уточним, что здесь мы говорим о законе индукции Фарадея.

Электродинамика – раздел физики, изучающий электромагнитное поле во всех его проявлениях.

Это и взаимодействие электрического и магнитного полей, электрический ток, электро-магнитное излучение, влияние поля на заряженные тела.

Здесь мы не ставим целью рассмотреть всю электродинамику. Упаси Боже! Рассмотрим лучше один из основных ее законов, который называется законом электромагнитной индукции Фарадея.

Майкл Фарадей (1791-1867)

Явление электромагнитной индукции

Электромагнитная индукция – явление возникновения тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего его.

Явление электромагнитной индукции было открыто М. Фарадеем.

Опыты Фарадея

На одну непроводящую основу были намотаны две катушки: витки первой катушки были расположены между витками второй. Витки одной катушки были замкнуты на гальванометр, а второй – подключены к источнику тока. При замыкании ключа и протекании тока по второй катушке в первой возникал импульс тока. При размыкании ключа также наблюдался импульс тока, но ток через гальванометр тек в противоположном направлении.
Первая катушка была подключена к источнику тока, вторая, подключенная к гальванометру, перемещалась относительно нее. При приближении или удалении катушки фиксировался ток.
Катушка замкнута на гальванометр, а магнит движется – вдвигается (выдвигается) – относительно катушки.

Опыты показали, что индукционный ток возникает только при изменении линий магнитной индукции. Направление тока будет различно при увеличении числа линий и при их уменьшении.

Сила индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока. Может изменяться само поле, или контур может перемещаться в неоднородном магнитном поле.

Объяснения возникновения индукционного тока

Ток в цепи может существовать, когда на свободные заряды действуют сторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура равна ЭДС. Значит, при изменении числа магнитных линий через поверхность, ограниченную контуром, в нем появляется ЭДС, которую называют ЭДС индукции.

Электроны в неподвижном проводнике могут приводиться в движение только электрическим полем. Это электрическое поле порождается изменяющимся во времени магнитным полем. Его называют вихревым электрическим полем. Представление о вихревом электрическом поле было введено в физику великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1861 году.

Свойства вихревого электрического поля:

источник – переменное магнитное поле;
обнаруживается по действию на заряд;
не является потенциальным;
линии поля замкнутые.

Работа этого поля при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна ЭДС индукции в неподвижном проводнике.

Понятие об электролитах

Прежде чем говорить об уравнении Фарадея, следует изучить свойства веществ, которые называют электролитами. Определение в химии для них дается простое: это любые соединения, раствор или расплав которых способен проводить электрический ток.

Для существования направленного движения зарядов внутри какой-либо субстанции необходимо выполнение двух обязательных условий:

Наличие пространственной разницы потенциалов электрического поля внутри субстанции. Эта разница может создаваться за счет электрических батарей, например, внутри аккумуляторов. Ток должен быть постоянным, а не переменным.
Существования свободных заряженных частиц. Если раствор или расплав являются нейтральными, то они образованы как положительными (катионы), так и отрицательными (анионы) частицами. Важным моментом является их способность свободно перемещаться внутри субстанции при приложении к ней некоторой разницы потенциалов.

К электролитам относятся растворы практически всех растворимых солей (NaCl, K2SO4), кислот (HCl, H2SO4) и щелочей (Mg (OH)2, KOH). Любопытным является случай с H2O.

Дело в том, что дистиллированная (абсолютно чистая) вода не проводит электричество, однако, уже незначительное количество примесей в ней делает ее хорошим проводником. Поскольку она также является замечательным растворителем благодаря полярному строению ее молекул, то часто применяется для приготовления растворов электролитов.

Магнитный поток

Магнитным потоком через площадь \( S \) контура называют скалярную физическую величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции \( B \), площади поверхности \( S \), пронизываемой данным потоком, и косинуса угла \( \alpha \) между направлением вектора магнитной индукции и вектора нормали (перпендикуляра к плоскости данной поверхности):

Обозначение – \( \Phi \), единица измерения в СИ – вебер (Вб).

Магнитный поток в 1 вебер создается однородным магнитным полем с индукцией 1 Тл через поверхность площадью 1 м2, расположенную перпендикулярно вектору магнитной индукции:

Магнитный поток можно наглядно представить как величину, пропорциональную числу магнитных линий, проходящих через данную площадь.

В зависимости от угла \( \alpha \) магнитный поток может быть положительным (\( \alpha \) < 90°) или отрицательным (\( \alpha \) > 90°). Если \( \alpha \) = 90°, то магнитный поток равен 0.

Изменить магнитный поток можно меняя площадь контура, модуль индукции поля или расположение контура в магнитном поле (поворачивая его).

В случае неоднородного магнитного поля и неплоского контура магнитный поток находят как сумму магнитных потоков, пронизывающих площадь каждого из участков, на которые можно разбить данную поверхность.

Процесс электролиза

Чтобы ясно понять суть законов Фарадея, следует разобраться с процессом, для которого они применяются. Электролизом принято называть разложение соединений в их расплавах или растворах под действием проходящего электрического тока. Поскольку речь идет об электрохимическом процессе, то в его результате происходит два типа реакций: окисление и восстановление. Для их существования необходимо наличие двух электродов: катода и анода.

Два электрода

Если к отрицательной клемме электрической батареи присоединить электрод, то называться он будет катодом. Второй электрод, который подсоединяется к положительному полюсу батареи, — это анод. Оба слова имеют древнегреческие корни:

Catha означает «вниз». Здесь имеется в виду движение электронов в сторону уменьшения свободной энергии системы.
Anas — это «вверх».

Часто школьники и студенты путаются в знаке заряда этих электродов. Чтобы исключить ошибки, существует простой метод запоминания: катионы или положительные ионы вещества всегда движутся к катоду, то есть он является отрицательным электродом. В свою очередь, анионы или отрицательные ионы направляются под действием электрического поля к аниону, поэтому он является положительным.

Имеется еще один способ определения знака электродов. Поскольку на каждом из них проходит один из двух противоположных химических процессов (окисление или восстановление), то этот факт можно использовать таким образом:

«Анод» и «окисление» — оба слова начинаются с гласных букв. Поскольку этот процесс сопровождается отдачей электронов электроду, значит, последний является положительным.
«Катод» и «восстановление» — оба слова начинаются на букву согласную. Так как процесс восстановления сопровождается присоединением к иону электронов, значит, электрод должен их отдать, то есть он является носителем отрицательного заряда.

Окислительно-восстановительные реакции

Именно благодаря им происходит выделение или растворение веществ на электродах. Реакция окисления часто приводит к образованию пузырьков газов на аноде. Процессы же восстановления на катоде сопровождаются присоединением к катионам электронов и образованием твердых веществ из растворов и расплавов. Следует для ясности привести несколько примеров:

Водный раствор поваренной соли (NaCl). Если через него пропускать ток с использованием углеродных электродов, то к аноду (+) будут идти анионы Cl-, на нем они будут окисляться до атомарного хлора, который будет образовывать пузырьки газа ядовитого Cl2. Катионы Na+ будут двигаться и оседать на электроде-катоде (-). Получая от него недостающие электроны для строительства внешней оболочки, будут образовываться в результате реакции восстановления атомы щелочного металла Na.
Водный раствор медного купороса CuSO4. Здесь тип происходящих реакций будет зависеть от материала, из которого изготовлен электрод-анод. Реакция восстановления на катоде будет приводить к выделению меди на нем, однако, на аноде возможны разные варианты. Если этот электрод является платиновым, то на нем происходит выделение кислорода и образование H+ за счет окисления молекул H2O, а не анионов (SO4)2-. Если же анод будет медным, то происходит его собственное окисление и растворение.

Тип конкретной химической реакции на электродах определяется степенью «легкости» ее осуществления с энергетической точки зрения.

Применение в промышленности

Практически все активные химические элементы не содержатся в природе в чистом виде. Ввиду этого применение электролиза является достаточно полезным методом для получения многих металлов и газов:

производство чистых алюминия, натрия, калия и магния;
получение концентрированных растворов щелочей и кислот;
производство водорода, например, с помощью разложения воды;
анодирование — покрытие изделий тонкой пленкой различных соединений для их защиты от коррозии.

Закон электромагнитной индукции Фарадея

Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея):

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:

Знак «–» в формуле позволяет учесть направление индукционного тока. Индукционный ток в замкнутом контуре имеет всегда такое направление, чтобы магнитный поток поля, созданного этим током сквозь поверхность, ограниченную контуром, уменьшал бы те изменения поля, которые вызвали появление индукционного тока.

Если контур состоит из \( N \) витков, то ЭДС индукции:

Сила индукционного тока в замкнутом проводящем контуре с сопротивлением \( R \):

При движении проводника длиной \( l \) со скоростью \( v \) в постоянном однородном магнитном поле с индукцией \( \vec{B} \) ЭДС электромагнитной индукции равна:

где \( \alpha \) – угол между векторами \( \vec{B} \) и \( \vec{v} \).

Возникновение ЭДС индукции в движущемся в магнитном поле проводнике объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы.

Движущийся в магнитном поле проводник, по которому протекает индукционный ток, испытывает магнитное торможение. Полная работа силы Лоренца равна нулю.

Количество теплоты в контуре выделяется либо за счет работы внешней силы, которая поддерживает скорость проводника неизменной, либо за счет уменьшения кинетической энергии проводника.

Важно! Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум причинам:

магнитный поток изменяется вследствие перемещения контура или его частей в постоянном во времени магнитном поле. Это случай, когда проводники, а вместе с ними и свободные носители заряда, движутся в магнитном поле;
вторая причина изменения магнитного потока, пронизывающего контур, – изменение во времени магнитного поля при неподвижном контуре. В этом случае возникновение ЭДС индукции уже нельзя объяснить действием силы Лоренца. Явление электромагнитной индукции в неподвижных проводниках, возникающее при изменении окружающего магнитного поля, также описывается формулой Фарадея.

Таким образом, явления индукции в движущихся и неподвижных проводниках протекают одинаково, но физическая причина возникновения индукционного тока оказывается в этих двух случаях различной:

в случае движущихся проводников ЭДС индукции обусловлена силой Лоренца;
в случае неподвижных проводников ЭДС индукции является следствием действия на свободные заряды вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля.

Принцип действия

Действие клетки Фарадея основано на том факте, что заряд при попадании в проводник распределяется на его поверхности, в то время как внутренняя часть остаётся нейтральной. По сути вся клетка, состоящая из токопроводящего материала является единым проводником, «концы» которого приобретают противоположный заряд. Возникающий при этом электрический ток создаёт поле, компенсирующее внешнее воздействие. Напряжённость электрического поля во внутренней части такой конструкции равна нулю.

Интересно, что если поле сгенерировано внутри клетки, то эффект тоже работает. Однако при таком раскладе заряд распределится по внутренней поверхности сетки или другой проводящей плоскости и наружу проникнуть не сможет.

В англоязычной терминологии КФ звучит как «Faraday shield», то есть «щит/экран Фарадея». Это понятие хорошо передаёт суть устройства, которое, как щит или защитный экран, отражает воздействующие на его содержимое лучи.

Правило Ленца

Направление индукционного тока определяется по правилу Ленца: индукционный ток, возбуждаемый в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток.

Алгоритм решения задач с использованием правила Ленца:

определить направление линий магнитной индукции внешнего магнитного поля;
выяснить, как изменяется магнитный поток;
определить направление линий магнитной индукции магнитного поля индукционного тока: если магнитный поток уменьшается, то они сонаправлены с линиями внешнего магнитного поля; если магнитный поток увеличивается, – противоположно направлению линий магнитной индукции внешнего поля;
по правилу буравчика, зная направление линий индукции магнитного поля индукционного тока, определить направление индукционного тока.

Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии.

Ученые сделавшие открытия в области электричества

Если бы мы спросили, кто открыл электричество, то получили бы разные ответы из разных стран. То же самое произойдет, если мы спросим, кто создал двигатель внутреннего сгорания, электрический двигатель, телеграф, телефон, радио, телевизор или компьютер.
Это неудивительно, поскольку в ряде случаев приоритет изобретений, возникших почти одновременно в разных местах, был предметом долгих и сложных научных изысканий, а окончательные применения часто вызывали критику среди специалистов.

Вряд ли янтарь, натёртый комком шерсти и описанный древнегреческим математиком и философом Фалес Милетским в VII веке до н. э признается периодом открытия электричества. Только с 17 века происходит ряд открытий в области магнетизма и электричества.

Открытие электричества эволюционировало в течение длительного периода, что позволило выявить различные этапы. Ученые занимавшиеся изучением электричества обеспечили то применение, нынешнюю структуру и эксплуатационные характеристики обусловленные электрическими зарядами сейчас.

Самоиндукция

Самоиндукция – это явление возникновения ЭДС индукции в проводнике в результате изменения тока в нем.

При изменении силы тока в катушке происходит изменение магнитного потока, создаваемого этим током. Изменение магнитного потока, пронизывающего катушку, должно вызывать появление ЭДС индукции в катушке.

В соответствии с правилом Ленца ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока при включении и убыванию силы тока при выключении цепи.

Это приводит к тому, что при замыкании цепи, в которой есть источник тока с постоянной ЭДС, сила тока устанавливается через некоторое время.

При отключении источника ток также не прекращается мгновенно. Возникающая при этом ЭДС самоиндукции может превышать ЭДС источника.

Явление самоиндукции можно наблюдать, собрав электрическую цепь из катушки с большой индуктивностью, резистора, двух одинаковых ламп накаливания и источника тока. Резистор должен иметь такое же электрическое сопротивление, как и провод катушки.

Опыт показывает, что при замыкании цепи электрическая лампа, включенная последовательно с катушкой, загорается несколько позже, чем лампа, включенная последовательно с резистором. Нарастанию тока в цепи катушки при замыкании препятствует ЭДС самоиндукции, возникающая при возрастании магнитного потока в катушке.

При отключении источника тока вспыхивают обе лампы. В этом случае ток в цепи поддерживается ЭДС самоиндукции, возникающей при убывании магнитного потока в катушке.

ЭДС самоиндукции \( \varepsilon_{is} \), возникающая в катушке с индуктивностью \( L \), по закону электромагнитной индукции равна:

ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна индуктивности катушки и скорости изменения силы тока в катушке.

Способы расчёта

Существует несколько основных способов определить индуктивность катушки. Все формулы, которые будут использоваться в расчётах, легко можно найти в справочной литературе или интернете. Весь процесс вычисления довольно простой и не составит труда для людей, имеющих элементарные математические и физические знания.

Через силу тока

Этот расчёт считается самым простым способом определения индуктивности катушки. Формула через силу тока вытекает из самого термина. Какова индуктивность катушки — можно определить по формуле: L=Ф/I, где:

L — индуктивность контура (в генри);
Ф — величина магнитного потока, измеряемого в веберах;
I — сила тока в катушке (в амперах).

Соленоид конечной длины

Соленоид представляет собой тонкую длинную катушку, где толщина обмотки значительно меньше диаметра. В этом случае расчёты ведутся по той же формуле, что и через силу тока, только величина магнитного потока будет определяться следующим образом: Ф=µ0NS/l, где:

Индуктивность

Электрический ток, проходящий по проводнику, создает вокруг него магнитное поле. Магнитный поток \( \Phi \) через контур из этого проводника пропорционален модулю индукции \( \vec{B} \) магнитного поля внутри контура, а индукция магнитного поля, в свою очередь, пропорциональна силе тока в проводнике.

Следовательно, магнитный поток через контур прямо пропорционален силе тока в контуре:

Индуктивность – коэффициент пропорциональности \( L \) между силой тока \( I \) в контуре и магнитным потоком \( \Phi \), создаваемым этим током:

Индуктивность зависит от размеров и формы проводника, от магнитных свойств среды, в которой находится проводник.

Единица индуктивности в СИ – генри (Гн). Индуктивность контура равна 1 генри, если при силе постоянного тока 1 ампер магнитный поток через контур равен 1 вебер:

Можно дать второе определение единицы индуктивности: элемент электрической цепи обладает индуктивностью в 1 Гн, если при равномерном изменении силы тока в цепи на 1 ампер за 1 с в нем возникает ЭДС самоиндукции 1 вольт.

Электродвигатель

Электрический генератор может работать в «обратном направлении» и становиться двигателем. Рассмотрим, например, диск Фарадея. Предположим, постоянный ток течёт через проводящее радиальное плечо от какого-либо напряжения. Тогда по закону силы Лоренца на этот движущийся заряд воздействует сила в магнитном поле B, которая будет вращать диск в направлении, определённым правилом левой руки. При отсутствии эффектов, вызывающих диссипативные потери, таких как трение или тепло Джоуля, диск будет вращаться с такой скоростью, чтобы d ΦB / dt было равно напряжению, вызывающему ток.

Основные формулы раздела «Электромагнитная индукция»

Алгоритм решения задач по теме «Электромагнитная индукция»:

1. Внимательно прочитать условие задачи. Установить причины изменения магнитного потока, пронизывающего контур.

2. Записать формулу:

закона электромагнитной индукции;
ЭДС индукции в движущемся проводнике, если в задаче рассматривается поступательно движущийся проводник; если в задаче рассматривается электрическая цепь, содержащая источник тока, и возникающая на одном из участков ЭДС индукции, вызванная движением проводника в магнитном поле, то сначала нужно определить величину и направление ЭДС индукции. После этого задача решается по аналогии с задачами на расчет цепи постоянного тока с несколькими источниками.

3. Записать выражение для изменения магнитного потока и подставить в формулу закона электромагнитной индукции.

4. Записать математически все дополнительные условия (чаще всего это формулы закона Ома для полной цепи, силы Ампера или силы Лоренца, формулы кинематики и динамики).

5. Решить полученную систему уравнений относительно искомой величины.

6. Решение проверить.

Электромагнитные колебания и волны →

← Магнитное поле

Электромагнитная индукция

3.2 (64.8%) 50 votes

Примеры решения задач

Вот вроде бы и все. Значение закона Фарадея фундаментально, ведь на использовании данного закона построена основа почти всей электрической промышленности. Чтобы понимание пришло быстрее, рассмотрим пример решения задачи на закон Фарадея.

И помните, друзья! Если задача засела, как кость в горле, и нет больше сил ее терпеть — обратитесь к нашим авторам! Теперь вы знаете где заказать курсовую работу. Мы быстро предоставим подробное решение и разъясним все вопросы!

Взаимодействие магнита с контуром

В качестве наглядного примера взаимодействия магнита и контура в сделанную из медного провода катушку помещают магнит. Если магнит медленно вставлять внутрь катушки, происходит постепенное увеличение пересекающего ее витки создаваемого магнитом потока. Появляющееся вследствие такой манипуляции упорядоченное движение частиц в катушке будет направлено по часовой стрелке, создавая собственное магнитное поле, ослабляющее поле магнита, отталкивая его тем самым от катушки.

Если магнит отдаляют от контура, его поток уменьшается, а заряженные частицы начинают двигаться против часовой стрелки, вследствие чего возникающая совокупность силовых магнитных линий будет притягивать магнит.

На заметку. В случае с незамкнутым (открытым) контуром: металлическим или алюминиевым кольцом, имеющим прорезь; катушкой, витки которой не замкнуты через амперметр, источник питания, данная закономерность, как и правило Ленца, не работает.

Джеймс Клерк Максвелл математически описал основные законы электричества и магнетизма

Джеймс Клерк Максвелл

Математическая формулировка электромагнитной индукции была разработана немецким физиком и математиком Францем Эрнстом Нейманом (1798-1895) в 1945 году. Эти открытия проложили путь к фундаментальной теоретической композиции, выполненной Джеймсом Клерком Максвеллом (1831-1879), начиная с “силовых линий Фарадея”. Однако работа Максвелла изначально вызывала недоверие у большинства физиков и игнорировалась инженерами.

Только к концу XIX века, после памятного эксперимента с электромагнитными волнами, проведенного Генрихом Герцем в 1887 году, теория Максвелла стала общепринятой и позволила обратиться как к физике, так и к технике.

Исследования электоролиза

Опыты Фарадея не ограничивались изучением магнитных полей. Большая часть современных представлений об электролизе и ионах обязана своим появлением этому английскому ученому. Обширную серию опытов по изучению поведения химических растворов в электрическом поле Фарадей свел к двум простым законам, которыми мы пользуемся и в настоящее время:

Масса вещества, образованная при электролизе на электродах, прямо пропорциональна произведению времени на ток (т. е. количеству электричества);
при одном и том же количестве электричества масса вещества, образованного на электродах, пропорциональна химическому эквиваленту данного вещества.

В ходе опытов Фарадей доказал, что для получения 1,008 кг водорода необходимо затратить 96500000 кулон электричества. Столько же электричества нужно для получения 35,4 кг хлора, 63,6/2 кг меди, 16/2 кг кислорода. Таким образом, мера электричества, необходимая для получения одного химического эквивалента вещества, была названа числом Фарадея.

Огромный вклад, который внес этот необыкновенный и талантливый ученый в физику, ставит его на один уровень с Ньютоном, Джоулем, Эйнштейном и другими великими людьми.

Первый генератор

В 1831 году ученый, чтобы наглядно продемонстрировать процесс преобразования механической энергии в электрическую, построил генератор Фарадея. Этот прибор не имел практического значения, но наглядно показывал волшебство возникновения электрического тока.

Диск Фарадея представлял собой устройство, напоминающее примитивный генератор. В этой конструкции магнитное поле направлялось вдоль оси вращения, а контур оставлялся неподвижен. Удивление наблюдателей вызывало то обстоятельство, что вращение магнита вместе с диском приводило к появлению электродвижущей силы в неподвижной цепи. Это явление было названо парадоксом Фарадея. Данное противоречие разрешилось уже после смерти ученого, когда был открыт электрон, который ведет себя и как заряд, и как частица.

Николас Джозеф Каллан изобрел индукционную катушку

Ученые занимавшиеся изучением электричества подхватили идею ирландского священника Николас Джозеф Каллан (1799-1864) по изменению взаимно связанной индукции.

После посвящения в сан Каллан изучал физику в Римском университете, который окончил в 1826 году. По возвращении в Ирландию он был назначен профессором естественной философии (которую мы теперь называем физикой) в Колледже Святого Патрика в Мейнуте, недалеко от Дублина, где он основал свою лабораторию. В 1836 году Каллан построил первое устройство, способное эффективно эксплуатировать взаимную связь электричества. Его устройство состояло из двух катушек: с малым числом витков и большим из хорошо изолированных проводов, намотанных на железный сердечник. Резкое прекращение тока первой катушки вызывало высокое напряжение во второй (возможно, до нескольких десятков киловольт).

В 1854-1855 годах Каллан разработал электрохимические ячейки, которые собрал в большие батареи для питания электромагнитов. Каллан также построил ранние электрические двигатели и в 1853 году запатентовал гальванический процесс, направленный на предотвращение окисления железа. Тем не менее он не пренебрегал своим религиозным призванием, написав около 20 книг на подобные темы. Каллан построил свое устройство, потому что ему нужны были высокие напряжения в его экспериментах, трансформируя их из низкого напряжения, обеспечиваемого его батареями, но он не смог внедрить изобретения в широкую эксплуатацию.