Конспект лекции " Явление электромагнитной индукции"

Явление электромагнитной индукции

1. Опыты Фарадея. Основной закон электромагнитной

индукции.

2. Самоиндукция. Взаимная индукция.

3. Принцип действия генератора тока.

1. Опыты Фарадея. Основной закон электромагнитной индукции.

В 1831 году М. Фарадей многочисленными опытами установил, что в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную данным контуром, возникает электрический ток.

Электромагнитная индукция (ЭМИ) – явление возникновения электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную данным контуром.

Появление электрического тока (называемого индукционным током) в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля, пронизывающего контур, свидетельствует о действии в контуре сторонних сил неэлектростатического происхождения или о возникновении ЭДС индукции.

Величина индукционного тока определяется скоростью изменения магнитного потока Ф, то есть значением , и не зависит от способа изменения магнитного потока Ф. При изменении знака меняется также направление индукционного тока.

Общее правило, по которому можно определить направление индукционного тока и которое является следствием закона сохранения и превращения энергии, было сформулировано Э.Х. Ленцем.

Правило Ленца: индукционный ток в замкнутом проводящем контуре всегда имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению внешнего магнитного потока, вызвавшего этот индукционный ток. Или короче: индукционный ток всегда направлен так, чтобы противодействовать вызвавшей его причине.

Индукционный ток, как и всякий электрический ток, может течь в цепи только при наличии в ней электродвижущей силы. Фарадей установил, что величина ЭДС индукции прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока.

Основной закон ЭМИ Фарадея: ЭДС индукции в проводящем контуре прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:

. .

Знак минус служит математическим выражением правила Ленца, то есть указывает на то, что электродвижущая сила противодействует происходящему изменению магнитного потока.

Если контур, в котором индуцируется ЭДС, состоит из N одинаковых витков, то ЭДС такого контура будет равна сумме ЭДС индукции в каждом из витков в отдельности:

.

Механизмы возникновения ЭДС индукции:

– действие силы Лоренца на заряды в движущемся проводнике;

– действие вихревого электрического поля на заряды в проводнике.

ЭДС индукции, возникающая в линейном проводнике, движущемся в магнитном поле:

.

Индукционные токи возникают не только в линейных проводниках, но и в массивных сплошных проводниках. Эти токи оказываются замкнутыми внутри проводника и поэтому называются вихревыми токами или токами Фуко.

Вихревые токи вследствие малого сопротивления сплошного проводника могут достигать очень большой силы. Тепловое действие их используется в индукционных печах для нагрева при закалке деталей. Tоки Фуко подчиняются правилу Ленца, поэтому движущиеся в сильном магнитном поле хорошие проводники испытывают сильное торможение, обусловленное взаимодействием вихревых токов с магнитным полем. Этим пользуются для успокоения подвижных частей гальванометров и других приборов. Во многих случаях токи Фуко бывают нежелательными, и для борьбы с ними приходится принимать специальные меры (например, сердечники трансформаторов набираются из тонких пластин).

2. Самоиндукция. Взаимная индукция.

Явление самоиндукции – это частный случай электромагнитной индукции. Данное явление состоит в возникновении ЭДС индукции в проводнике вследствие изменения магнитного потока, обусловленного электрическим током в этом же проводнике.

Самоиндукция – явление возникновения ЭДС индукции в проводнике при изменении в нём силы тока.

Электрический ток в контуре создаёт вокруг себя магнитное поле, индукция В которого, по закону Био-Савара-Лапласа при постоянной магнитной проницаемости, неизменной форме и ориентации контура в пространстве, пропорциональна силе тока I:

В ~ I.

Магнитный поток Ф через контур пропорционален по определению индукции В: Ф ~ В.

Поэтому магнитный поток через контур пропорционален силе тока в контуре:

.

Коэффициент пропорциональности L называется индуктивностью контура. Индуктивность зависит от размеров и формы проводника, магнитной проницаемости той среды, в которой он находится. В системе СИ:

(генри).

ЭДС самоиндукции , возникающая в контуре с индуктивностью L, по закону ЭМИ равна:

ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна индуктивности и скорости изменения силы тока в контуре. Знак минус выражает правило Ленца: при возрастании силы тока ЭДС самоиндукции направлена навстречу ему, а при убывании – поддерживает ток в том же направлении.

Явление самоиндукции проявляется при всяком изменении силы тока и поэтому играет очень важную роль в цепях переменного тока и в процессах электромагнитных колебаний.

Явление самоиндукции можно наблюдать, собрав следующую электрическую цепь.

При включении источника тока лампа Л₁ вспыхивает мгновенно, а лампа Л₂ – через некоторый промежуток времени.

При отключении источника тока обе лампы Л₁ и Л₂ гаснут через некоторый промежуток времени.

Токи самоиндукции, возникающие в цепи постоянного тока в моменты замыкания и размыкания цепи, называются экстратоками замыкания и размыкания.

Ток при замыкании цепи меняется по закону:

,

а при размыкании цепи – по закону:

,

где R – сопротивление цепи, – установившийся ток.

При отключении источника ток в цепи возникает под действием ЭДС самоиндукции. Источником энергии, выделяющейся при этом в электрической цепи, является магнитное поле катушки. Энергия магнитного поля равна работе, которая затрачивается током на создание этого поля:

, , , .

Следовательно, энергия магнитного поля будет равна:

.

Явление взаимной индукции – это другой частный случай электромагнитной индукции.

Взаимная индукция – явление возникновения ЭДС индукции в контуре, находящемся в магнитном поле другого контура с переменным током.

При протекании в контуре 1 тока I₁ в контуре 2 возникает ЭДС индукции:

.

Аналогично, при протекании в контуре 2 тока I₂ в контуре 1 возникает ЭДС индукции:

.

Коэффициенты пропорциональности , Гн называются взаимной индуктивностью контуров. Они зависят от размеров, формы, расположения контуров и от магнитной проницаемости среды, в которой находятся контуры.

На явлении взаимной индукции основан принцип действия трансформатора.

Трансформатор – устройство, применяемое для повышения или понижения напряжения переменного тока (Яблочков П.Н. , 1878 г.).

Первичная обмотка Вторичная обмотка

N₁ ← число витков → N₂

Отношение называют коэффициентом трансформации.

При k 1 трансформатор является повышающим, а при k – понижающим.