Вопрос № 5. Закон электромагнитной индукции (15 мин.)

Вопрос №4. Закон полного тока (10 мин.)

Подобно тому, как ЭДС вызывает электрический ток в электрической цепи, считается, что существует магнитодвижущая сила (МДС), которая вызывает или возбуждает магнитное поле. Обозначается МДС буквой F.

В МСИ в проводе или одном витке:

F=I.

В катушке с числом витков w:

F=Iw.

Единица измерения МДС – Ампер [А].

Взаимосвязь напряженности магнитного поля и МДС описывает закон полного тока (рис. 21).

Закон полного тока: намагничивающая сила Н вдоль контура равна полному току, проходящему сквозь поверхность, ограниченную этим контуром.

или F=SI.

Рис. 21. К иллюстрации закона полного тока

В частности, для контура, изображенного на рис. 6, по закону полного тока

.

МДС создаваемая катушкой будет равна

Закон полного тока широко применяют для расчета магнитных полей. На основе этого закона строят методы расчета магнитных цепей электрических машин и аппаратов.

Вывод по четвертому вопросу: взаимосвязь напряженности магнитного поля и МДС описывает закон полного тока. Направление МДС в катушке или витке определяется по правилу правой руки.

Как я уже говорила, датский физик Эрстед обнаружил, что электрический ток действует на магнитную стрелку компаса, и сделал вывод, что магнетизм появляется из электричества. Следовательно, предположили ученые, что возможен и обратный процесс: появление электричества из магнетизма. В этом направлении работали английский физик Майкл Фарадей и французский Анри Ампер. Они оба пытались различными способами расположить проводник с током рядом с магнитом. При этом Фарадей работал с ассистентом, а Ампер один. И Фарадею первому удалось доказать, что для получения тока в проводнике, находящемся рядом с магнитом, необходимо их взаимное перемещение относительно друг друга.

Это открытие английский физик М.Фарадей сделал в 1831 г.

Суть опытов Фарадея заключалось в следующем.

1. Возьмем соленоид, соединенный с гальванометром (рис. 22), и будем вдвигать в него постоянный магнит. Оказывается, что при движении магнита стрелка гальванометра отклоняется. Если же магнит останавливается, то стрелка гальванометра возвращается в нулевое положение. То же самое получается при выдвижении магнита из соленоида или при надевании соленоида на неподвижный магнит. Такие опыты показывают, что индукционный ток возникает в соленоиде только при относительном перемещении соленоида и магнита.

Рис. 22

2. Будем опускать в соленоид В катушку с током А (рис. 23). Оказывается, что и в этом случае в соленоиде В возникает индукционный ток только при относительном перемещении соленоида В и катушки А.

Рис. 23

3. Вставим катушку А в соленоид В и закрепим их неподвижно (рис. 24). При этом тока в соленоиде нет. Но в моменты замыкания или размыкания цепи катушки А в соленоиде В появляется индукционный ток.

Рис. 24

То же самое получается в моменты усиления или ослабления тока в катушке А с помощью изменения сопротивления R. В дальнейшем цепь катушки А, соединенную с источником электрической энергии, будем называть первичной, а цепь соленоида В, в которой возникает индукционный ток, – вторичной. Эти же названия будем применять и к самим катушкам.

Рассмотрим эти явления с количественной стороны при движении прямолинейного проводника в однород­ном магнитном поле (рис. 25).

Пусть проводник длиной l движется со скоростью v. Тогда на свободные электроны, движущиеся вместе с проводником, со стороны магнитного поля (МП) будет действовать электромагнитная сила или сила Лоренца (Хендрик Лоренц – голландский физик), направление которой определяется по правилулевой руки. Под действием этой силы электроны движутся вдоль проводника, что приводит к разделению за­рядов: на конце А проводника накапливаются положительные заряды, на конце В – отрицательные.

Рис. 25. Схема индуцирования ЭДС в проводнике, движущемся в МП

Но при разделении зарядов возни­кает электрическое поле, пре­пятствующее этому процессу. Когда силы поля уравновесят силу Лоренца, разделение прекратится и между точками А и Б возникнет напряжение. Это напряжение равно ЭДС электромагнитной ин­дукции. Если проводник замкнуть на нагрузку, то в цепи появится ток, называемый индуцированный ток. Направление ЭДС определяется по правилу правой руки (табл. 1).

Суть закона ЭДС ЭМИ: в проводе, который при движении в магнитном поле пересекает магнитные линии, возбуждается ЭДС, которая называется ЭДС электромагнитной индукции.

,

где E – ЭДС электромагнитной индукции, [В];

В – магнитная индукция, [Тл];

v – скорость движения проводника, [м/с];

l – длина провода, [м];

α – угол между направлением вектора скорости проводника v

и вектором.

Направление наведенной ЭДС определяется правилом правой руки (табл. 5).

Таблица 5

ПРАВИЛО ПРАВОЙ РУКИ (определение направления ЭДС ЭМИ)
	Если правую руку расположить так, чтобы магнитные линии входили в ладонь, а отогнутый под прямым углом большой палец совмещают с направлением скорости, тогда вытянутые четыре пальца покажут направле­ние ЭДС ЭМИ

ЭДС ЭМИ, создаваемая в проводнике, зависит от следующих факторов:

1. ЭДС ЭМИ можно увеличить, если свернуть проводник в спираль, т.е. сделать из него катушку индуктивности. В каждом витке катушки наводится ЭДС и все ЭДС отдельных витков будут складываться, как ЭДС последовательно включенных генераторов.

2. ЭДС будет тем больше, чем выше скорость изменения магнитной индукции В. При движении проводника в магнитном поле внешнее магнитное поле, захватившее свободные электроны в проводнике пытается накопить их в одной области, сдвинув в один конец проводника. А электроны своими электрическими полями расталкиваются, пытаясь распределиться по проводнику равномерно. Здесь для магнитного поля самое главное скорость, чем быстрее оно будет сдвигать электроны к одному концу, тем больше их накопиться по концам проводника, тем больше будет наведенная ЭДС индукции. Например, по двум совершенно одинаковым катушкам идет ток, по первой 5 А, по второй – 1000 А. Токи постепенно меняются и через секунду в первой ток стал 10 А, а во второй - 1001 А. ЭДС самоиндукции будет больше в первой катушке, т.к. в ней ток изменился на 4 А больше, чем во второй.

Все вышеизложенное описывает вторую часть формулировки закона ЭДС ЭМИ, к которой кроме Фарадея имеет отношение и Максвелл.

Дата добавления: 2014-01-07