73213

Электромагнитная индукция

Лекция

Физика

Явление возникновения электрического тока в проводнике при изменении магнитного потока через контур проводника. Индукционный ток возникает при изменении тока в проводнике. Направление индукционного тока зависит от направления движения магнита проводника с током.

Русский

2014-12-05

570 KB

6 чел.

Лекция №17. Электромагнитная индукция.

Известно, что электрические токи создают вокруг себя магнитное поле. А может ли существовать обратное явление, чтобы магнитное поле вызывало появление электрических токов? Такое явление было открыто в 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем и получило название электромагнитной индукции.

Электромагнитная индукция

Явление возникновения электрического тока в проводнике при изменении магнитного потока через контур проводника.

I. Опыты Фарадея.

Ток, возникающий в проводнике называется индукционным током.

Выводы:

1. Индукционный ток наблюдается только при движении проводников с током или магнитов.

2. Индукционный ток возникает при изменении тока в проводнике.

3. Направление индукционного тока зависит от направления движения магнита (проводника с током).

4. Величина отброса зависит от относительной скорости движения.

5. При заполнении части пространства ферромагнетиком (внутрь катушки стержень) ток индуктивности увеличивается, из чего следует, что он связан с магнитной индукцией , а не с напряженностью .

Итог:

Величина индукционного тока Iинд не зависит от способа, которым вызывается изменение потока магнитной индукции Ф, а определяется лишь скоростью его изменения, т.е. значением , при изменении знака  изменяется также направление Iинд. Известно, что всякое появление тока связано с появлением электродвижущей силы, которая называется ЭДС индукции (Еинд) и определяется уравнением:

,         (1)

или используя закон Ома можно записать:

      (2)

Знак «» в формулах (1) и (2) соответствует правилу Ленца, с помощью которого можно найти направление индукционного тока.

Правило Ленца

Индукционный ток всегда направлен так, чтобы противодействовать причине, его вызвавшей.

II. Закон электромагнитной индукции.

А. Основываясь на законе сохранения энергии Ленц установил закон (иногда его называют правилом Ленца).

По проводнику длиной l течет ток i. Помещаем контур в магнитное поле индукции . Амперова сила  перемещает проводник на dx и производит работу:

dA = FA·dx = iBℓ·sinα·dx

; sinα = 1; ℓdx = dS

,

где dФ пересеченный проводником магнитный поток.

Полная работа источника dAu будет складываться из работы на ленц-джоулево тепло  и работы перемещения проводника в магнитном поле i·dФ, тогда:

dAu = i2·R·dt + I·dФ = I·E·dt

Величина  – ЭДС индукции, которая направлена противоположно той ЭДС Е, которая вызвала движение проводника, т.е. процесс индукции.

 Б. Известно, что на движущиеся заряженные частицы в магнитном поле действует сила Лоренца.

Проводник движется перпендикулярно  со скоростью . На электроны действует сила Лоренца:

На концах проводника возникает разность потенциалов (φ1 – φ2). Возникшее электрическое поле  будет препятствовать дальнейшему движению зарядов, так как на них будет действовать сила , противоположная , т.е. Fэ = –Fл.

dE = –qB·V или E = –B·V

Учитывая связь Е с (φ1 – φ2)

φ1φ2 = –B·ℓ·V

Если такой проводник замкнуть, то потечет ток, значит (φ1 – φ2) эквивалентно ЭДС (Еинд).

Еинд = –B·I·V

Закон

Фарадея-Максвелла

ЭДС индукции в контуре пропорционально скорости изменения магнитного потока сквозь поверхность, ограниченную этим контуром.

Закон Фарадея-Максвелла применим не только к отдельному контуру, но и к катушке из N-витков. Тогда суммарная ЭДС равна:

,

где ψ = N·Ф – потокосцепление.

Пример:

Рассчитать Еинд при равномерном вращении рамки в магнитном поле.

,

Ф = В·S·cosα,

т.к. α меняется по закону α = ωt, то Ф = B·S·cosωt,

III. Токи Фуко.

 Индукционные токи, возбуждаемые в сплошных массивных проводниках, называются токами Фуко или вихревыми токами.

Так как сопротивление массивных сплошных тел мало, токи в них достигают больших величин и они подчиняются правилу Ленца.

Токи Фуко:

1. Служат для успокоения (демпфирования) движущихся частей приборов.

2. Тепловое действие токов используется в индукционных печах.

3. Борьба с токами Фуко (трансформатор).

IV. Самоиндукция.

При изменении тока i в контуре (или катушке) будет также изменятся и магнитный поток Ф, который будет пересекать свои же собственные витки и в контуре будет индицироваться ЭДС. Это явление называется самоиндукцией.

По закону Био-Савара-Лапласа магнитная индукция B ~ i, с другой стороны В ~ Ф, знаем также, что Ф·N = ψ. Объединяя все зависимости вместе, получим:

,        (3)

где L – индуктивность контура, которая зависит от:

а) от геометрии контура (от его формы и размеров);

б) от магнитных свойств среды.

Имеем соленоид. Вычислим его индуктивность L. Индукция внутри соленоида может быть рассчитана по закону полного тока (циркуляция вектора ).

,

где V = S·ℓ – объём соленоида.

Известно, что при изменении силы тока в контуре возникает э.д.с. самоиндукции Ес:

если L = const, то

Закон самоиндукции

               (4)

Знак «–» указывает, что наличие индуктивности L (L ≠ 0) приводит к замедлению изменения силы тока в контуре, то есть, если:

– ток возрастает, э.д.с. направлена против тока;

– ток возрастает э.д.с. направлена по току.

V. Экстратоки замыкания и размыкания цепи.

Открыты в 1835 году английским ученым М.Фарадеем.

По правилу Ленца дополнительные токи, возникающие в проводниках, вследствие самоиндукции, всегда направлены так, чтобы воспрепятствовать изменениям тока, текущего в цепи. Это приводит к тому, что установление тока при замыкании цепи и убывании тока при размыкании цепи происходит не мгновенно, а постепенно.

 

а) размыкание: Е = 0. Ток убывает, возникает Ес.

По закону Ома:  

дифференциальное уравнение 1-го порядка.

– постоянная цепи;

                  (5)

– время, в течение которого I0 уменьшается в е раз.

б) замыкание:   

 линейное неоднородное уравнение.

      (6)

Если L – переменна (есть сердечник с ), то

и за счет слагаемого  Ес достигает большого значения и при этом i >> I0.

VI. Энергия магнитного поля тока.

Рассмотрим электрическую цепь с индуктивностью L и сопротивлением R, где

R = Ra + r.

При замыкании электрической цепи возникает ЭДС самоиндукции Ec и закон Ома при установлении тока имеет вид , умножив обе части уравнения на idt

i2·R·dt = Ei·dt – Eci·dt

Ei·dt = i2·R·dt + Eci·dt, заменяем Eci·dt через Li·di

,

где Ei·dt – энергия источника (dЕи);

i2·Rdt – часть энергии источника, пошедшая на нагревание проводника (dQ);

Ldi – часть энергии проводника, пошедшей на образование магнитного поля в катушке (dWм).

dЕи = dQ + dWм

Энергия магнитного поля

               (7)

При выключении тока магнитное поле исчезает и запасенная в нем энергия возвращается в цепь, проявляясь в виде энергии экстратоков, дающих искру, дугу и т.д. Если формулу (7) сравнить с формулой кинетической энергией , то можно заключить, что индуктивность L, играет такую же роль, как масса в механике, т.е. L является мерой инертности электрической цепи. Для катушки нужно учесть число витков N.

Теперь можно найти плотность энергии магнитного поля:

, 

где V = l·S – объем соленоида сечением S и длиной ℓ.

Плотность энергии магнитного поля

               (8)

Мы получили это выражение для прямого соленоида. Но должно быть понятно, что формула (8) справедлива для плотности энергии любого магнитного поля и в любой точке.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

29369. зыки проектирования как составная часть лингвистического обеспечения САПР 29.5 KB
  Языки проектирования языки предназначенные для описания информации об объекте и процессе проектирования. а Входные языки предназначены для задания исходной информации об объектах и целях проектирования. Эти языки представляют собой совокупность языков описания объектов описания заданий и описания процессов.
29370. Определение формальной грамматики 49 KB
  Конечное множество символов неделимых в данном рассмотрении в теории формальных грамматик называется словарем или алфавитом а символы входящие в множество буквами алфавита. Последовательность букв алфавита называется словом или цепочкой в этом алфавите. Если задан алфавит A то обозначим A множество всевозможных цепочек которые могут быть построены из букв алфавита A. Формальной порождающей грамматикой Г называется следующая совокупность четырех объектов: Г = { Vт VA I VA R } где Vт терминальный алфавит словарь; буквы этого...
29371. Классы формальных грамматик 47 KB
  В теории формальных языков выделяются 4 типа грамматик которым соответствуют 4 типа языков. Эти грамматики выделяются путем наложения усиливающихся ограничений на правила грамматики Грамматики типа 0 Грамматики типа 0 которые называют грамматиками общего вида не имеют никаких ограничений на правила порождения. Грамматики типа 1 Грамматики типа 1 которые называют также контекстнозависимыми грамматиками не допускают использования любых правил. Грамматики типа 1 значительно удобнее на практике чем грамматики типа 0 поскольку в левой части...
29372. Синтаксические диаграммы 53 KB
  Каждое появление терминального символа x в цепочке ai изображается на диаграмме дугой помеченной этим символом x заключенным в кружок. Каждому появлению нетерминального символа A в цепочке ai ставится в соответствие на диаграмме дуга помеченная символом заключённым в квадрат.an изображается на диаграмме следующим образом: 5. an изображается на диаграмме так: 6.
29373. Языковые процессоры и их основные типы 29.5 KB
  Совмещение этих требований в одном языке оказалось трудной задачей поэтому появились средства для преобразования текстов с языка понятного человеку на язык устройства. В первом случае его называют интерпретатором входного языка а во втором компилятором. Интерпретатор последовательно читает предложения входного языка анализирует их и сразу же выполняет а компилятор не выполняет предложения языка а строит программу которая может в дальнейшем быть запущена для получения результата. Такое задание предполагает определение правил построения...
29374. Фазы трансляции программ 32.5 KB
  На вход лексического анализатора подаётся последовательность символов входного языка. ЛА выделяет в этой последовательности простейшие конструкции языка которые называют лексическими единицами лексемами. Генератор каждому символу действия поступающему на его вход ставит в соответствие одну или несколько команд выходного языка. В качестве выходного языка могут быть использованы команды устройства команды ассемблера либо операторы какоголибо другого языка.
29375. Основные функции сканера 34 KB
  Лексический анализ программ один из основных этапов фаз трансляции программ выделение в исходной программе элементарных единиц языка таких как идентификаторы константы ключевые слова символы операций разделители и др. Лексический анализ завершается преобразованием выделенных единиц языка в некоторую унифицированную форму обычно числовую.Часть транслятора которая выполняет лексический анализ называется сканером лексический анализатор. Лексический анализатор сканер должен распознать идентификаторы константы ключевые слова...
29376. Принципы работы сканера 95.5 KB
  Синтаксис целых констант представляется: целое ::=цифра знак цифра целое цифра знак ::= Для представления грамматики состояния целых констант диаграмма имеет вид:Вершины соответствуют состояниям автомата и определяются нетерминальными символами. Построим диаграмму состояний для автомата который распознает лексемы трех типов: целые константы десятичные константы идентификаторы идентр ::=буква идентр буква идентр цифра десятичная константа: дес.число цифра смеше число цифра смеше число ::= целое целое ::=цифра знак цифра целое цифра...
29377. Нисходящий грамматический разбор с возвратами 83 KB
  Суть данного метода можно представить в виде следующей последовательности шагов выполнение которых повторяется в процессе чтения входной цепи символов. Если активная вершина помечена а T то сравнить его с очередным символом входной цепочки. Сравниваемые символы совпали тогда сделать активной вершиной дерева лист правее а и перейти к следующим символам входной цепочки. Символы не совпали то выполним возврат к предыдущему уровню дерева разбора и соответствующему символу входной цепочки.