ЭДС в движущемся проводнике

Чтобы разобраться в природе возникновения ЭДС индукции, рассмотрим опыт с движущимся проводником. Поместим П-образный проводник и лежащий на нем подвижный проводящий стержень в однородное магнитное поле как показано на рис.10.4 (линии магнитной индукции направлены перпендикулярно к плоскости проводника к читателю). За время dt площадь контура увеличивается на dS = LVdt, где V – скорость движения стержня.

Согласно закону Фарадея получим:

. (10.2.1)

Соотношение (10.2.1) получено при условии , то есть, когда выполняется правило левой руки.

Рис. 10.4. Движение проводника в магнитном поле.

С другой стороны на заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле, действует сила Лоренца. Так как стержень движется в магнитном поле , то на каждую его частицу действует сила Лоренца:

. (10.2.2)

Если бы стержень не находился в контакте с проводником, то разноименные заряды скапливались бы в противоположных концах стержня. При скольжении подвижного стержня по П-образному проводнику, контур оказывается замкнутым, и через него от плюса к минусу потечет ток. Работа по перемещению заряда из одного конца стержня в другой составляет:

. (10.2.3)

А разность потенциалов , это отношение работы по перемещению заряда вдоль стержня, к величине заряда q:

. (10.2.4)

Из полученного выражения (10.2.4) видно, что ЭДС имеет магнитную природу, так как вычисляется с использованием магнитной индукции .

По этой причине между концами крыльев самолета возникает разность потенциалов, поскольку крылья, по аналогии с движением проводника на рис.10.2, пересекают силовые линии магнитного поля Земли. Причем в этом случае магнитное поле считается постоянным.

Пример 10.1. Определить разность потенциалов, которая возникает между крыльями пассажирского самолета с размахом крыльев L=40 м. Скорость самолета v составляет 900 км/час. Магнитное поле Земли B составляет 0.001 Тл.

Самолет представляет собой проводник, который пересекает линии магнитного поля Земли. Поэтому крылья самолета, как и в рассмотренном выше случае прямолинейного проводника на рис.10.2, охватывают площадь в магнитном поле dS = LVdt. Откуда разность потенциалов между крыльями вычисляем по формуле (10.2.1):

Примером использования движущегося проводника в магнитном поле является вращение рамки в постоянном магнитном поле. Ее площадь будет изменяться с частотой по гармоническому закону:

При этом в рамке будет возникать переменное электрической поле, и, следовательно, переменное напряжение:

.

Если рамку заставить вращаться в магнитном поле, то в цепи возникнет переменный ток. На этом принципе работают все источники (генераторы) переменного тока (рис.10.5а). На этом принципе работает атомные, тепловые и гидроэлектростанции. В первых двух способах получения переменного тока лопасти генератора тока (рамки с большим числом витков) вращаются при помощи горячего пара, в последнем случае – падающей с большой высоты водой.

а) б)

Рис. 10.5. Генератор переменного тока (а), электродвигатель (б).

Электродвигатель[2], по сути, устройство обратное генератору. Под действием переменного напряжения происходит механическое вращение ротора электродвигателя благодаря действию силы Ампера, которая стремиться развернуть виток вдоль силовых линий магнитного поля. На рис.10.5б представлен простейший электродвигатель, в котором ротор состоит из двух обмоток провода, намотанных на одну ось. Ротор помещен между двумя дугообразными магнитами. При пропускании электрического тока по обмоткам, они поворачиваются в магнитном поле на четверть оборота. Вторую четверть оборота ротор проходит по инерции. Затем, через половину оборота, с помощью специального коллектора ток в них меняет направление на противоположное. Ротор вновь поворачивается под действием силы ампера на проводник, расположенный в магнитном поле. Для того, чтобы двигатель вращался не рывками, а плавно, его ротор может состоять из нескольких обмоток, например четырех, расположенных на двух взаимно перпендикулярных осях, восьми и более.

Дата добавления: 2014-01-07