Тема 7. Явление электромагнитной индукции

1. Понятие о явлении электромагнитной индукции.

2. ЭДС индукции наводимая магнитным полем в движущихся проводниках.

3. Опыты Фарадея.

4. Правило Ленца.

5. Величина ЭДС индукции.

6. Потокосцепление. Индуктивность.

7. Явление самоиндукции.

 

1. Понятие о явлении электромагнитной индукции.

 

Явление электромагнитной индукции было открыто опытным путем английским ученым Фарадеем в 1831 году.

Суть явления заключается в следующем: если в изменяющееся магнитное поле поместить проводник, то в нем будет наводиться ЭДС индукции, которая существует во время изменения магнитного поля.

Для того чтобы объяснить это явление в середине XIX в Англии ученый Максвелл разработал теорию электромагнитного поля, в которой доказал, что это поле является одним из видов материи.

 

2. ЭДС индукции наводимая магнитным полем в движущихся проводниках.

В – индукция магнитного поля.

 

В однородное магнитное поле, с индукцией «В» помещаем проводник АС длиною l, будем перемещать этот проводник со скоростью v перпендикулярно линиям индукции. Вместе с проводником будут перемещаться и его заряды, и на них со стороны магнитного поля будут действовать силы Лоренца (Fл).

Направление действия этих сил определяем по правилу левой руки: левую руку расположим так, чтобы линии индукции входили в ладонь и вытянутые вперед четыре пальца указывали на направление движения положительных зарядов, тогда отставленный на 90⁰ большой палец будет указывать на направление действия сил Лоренца.

В результате действия этих сил внутри проводника происходит перераспределение зарядов и на концах проводника появляется разность потенциалов, а внутри проводника электрическое поле с напряженностью Ест (напряженность электростатическая).

Со стороны этого поля на заряды проводника будут действовать Кулоновские силы (Fк), противоположено направленные силам Лоренца (Fл). Перераспределение зарядов внутри проводника прекратится при равенстве этих сил

|Fк| = |Fл|

 

|Fл| = qBv sin α = 90⁰ sin 90 =1 |Fл| = q B v

 

|Fк| = q Еcт

Еcт = Fq

Еcт = Bv u – напряжение

U=Bvl

U=Eинд

Eинд = Bvl если α= 90⁰

 

Eинд = B v l sin α - формула расчета ЭДС индукции, наводимой

магнитным полем в движущихся проводниках.

Вывод: ЭДС индукции прямопропорциональна индукции магнитного поля (В) скорости движения проводника (v), его длине (l), а также зависит от угла, под которым движется проводник в магнитном поле по отношению к линиям индукции (α).

Направление ЭДС индукции в движущихся проводниках можно определить по правилу правой руки: правую руку расположим так, чтобы линии индукции входили в ладонь, отставленный на 90⁰ большой палец указывал на направление движения проводника, тогда вытянутые вперед четыре пальца будут указывать на направление ЭДС индукции.

 

3. Опыты Фарадея.

 

 

Явление электромагнитной индукции было открыто Фарадеем опытным путем. Во всех опытах магнитный поток, пронизывающий контуры проводников был изменяющимся.

Ф= ВS cos α формула расчета магнитного потока.

 

Возьмем соленоид, соединенный с гальванометром и будем вдвигать и выдвигать в него магнит. При движении магнита стрелка гальванометра откланяется. Вставим одну катушку в другую катушку. В катушке (2), появится индукционный ток при изменении тока в 1-ой катушке.

Δ Ι ≠ 0

Вторая серия опытов - это изменение площади контура (в котором возникает индукционный ток) находящегося в не-

измененном магнитном поле.

В= const

S ≠ const

Ф ≠ 0

Ф= ВS cos α

Еинд ≠ 0

 

Третья серия. Возьмем плоский контур в виде рамки, соединенный с гальванометром и если рамку поворачивать, то в ней возникает индукционный ток

В= const

S = const

сos α не сonst

Еинд ≠ 0

 

 

Вывод: для того чтобы в контуре цепи получить ЭДС индукции необходимо менять:

индукцию магнитного поля (В), или площадь поверхности контура (S), или угол между линиями индукции магнитного поля и перпендикуляром восстановленным к поверхности контура (сos α).

 

4. Правило Ленца.

 

Для определения направления ЭДС индукции можно использовать правило Ленца: ЭДС индукции всегда имеет такое направление, при котором ток индукции своим магнитным полем препятствует причине своего появления.

Методика применения правила Ленца.

1) Необходимо установить причину появления ЭДС, то есть выяснить нарастающий или убывающий магнитный поток является причиной ЭДС.

2) Если причиной является нарастающий магнитный поток, то магнитный поток индукционного тока и нарастающий магнитный поток направлены на встречу друг другу.

Если причина убывающий магнитный поток, то магнитный поток, по направлению совпадают.

3) Зная направление магнитного поля индукционного тока по правилу правого винта определяется направление тока индукции, а следовательно ЭДС.

 

5. Величина ЭДС индукции.

 

Опытным путем установлено, что величина ЭДС индукции находится в прямой пропорциональной зависимости от скорости изменения магнитного потока.

определение ЭДС индукции

 

1) ∆Ф > 0; εu < 0 магнитные потоки противоположно направлены

2) ∆Ф < 0; εu > 0 магнитные потоки по направлению совпадают

Знак минус в этой формуле означает, что при нарастающем магнитном потоке ЭДС индукции считается отрицательной и магнитные потоки индукционного тока и нарастающий магнитный поток направлен в противоположную сторону. При убывающем магнитном потоке ЭДС индукции больше нуля, и магнитные потоки по направлению совпадают.

 

6. Потокосцепление. Индуктивность.

 

ω (омега) – число витков

Ф – магнитный поток пронизывающий

контуры катушки

ψ - пси(потокосцепление)

ψ=Φw

формула расчета потокосцепления

катушки с магнитным полем.

Если W= 1, то ψ=Φ

εuнд = - формула закона электромагнитной индукции:

εuнд ,наводимая магнитным полем прямопропорциональна скорости изменения

потокосцепления катушки с магнитным полем.

[ψ]=Вебер

Индуктивность (L) – коэффициент прямопропорциональности между силой тока (Ι) в контуре и магнитном потоком (Ф), создаваемым этим контуром.

Ф=LI

Если по контуру идет ток, то он создает магнитное поле, которое с этим контуром образует потокосцепление ψ, величина ψ находится прямой пропорциональной зависимости от силы тока (I).

Ψ=LI формула расчета потокосцепления контура с собственным магнитным полем

Индуктивность контура зависит от формы контура, его геометрических размеров и окружающей среды

[L]= Гн (Генри)

 

7. Явление самоиндукции.

 

 

Явление самоиндукции собственное магнитное поле в цепи постоянного тока изменяется в моменты замыкания и размыкания цепи.
А также при изменении силы тока в ней. Это означает, что в данный момент в такой цепи возникает ЭДС самоиндукции.

При замыкании цепи лампа загорается с некоторой задержкой. При размыкании не сразу гаснет. Это объясняется тем, что в катушке возникает ЭДС самоиндукции, которая согласно закону Ленца мешает быстрому нарастанию тока в цепи.

ЭДС самоиндукции прямопропорциональна скорости

изменения силы тока в той цепи.