КАБАРДИН О.Ф. "ФИЗИКА (справочные материалы)", 1991

ГЛАВНАЯ СТРАНИЦА / МЕНЮ САЙТА / СОДЕРЖАНИЕ ДАННОЙ СТАТЬИ

Закон электромагнитной индукции. Экспериментальное исследование зависимости ЭДС индукции от изменения магнитного потока привело к установлению закона электромагнитной индукции: ЭДС индукции в замкнутом контуре пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.

В СИ единица магнитного потока выбрана такой, чтобы коэффициент пропорциональности между ЭДС индукции и изменением магнитного потока был равен единице. При этом закон электромагнитной индукции формулируется следующим образом: ЭДС индукции в замкнутом контуре равна модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:

(54.2)

С учетом правила Ленца закон электромагнитной индукции записывается следующим образом:

(54.3)

ЭДС индукции в катушке. Если в последовательно соединенных контурах происходят одинаковые изменения магнитного потока, то ЭДС индукции в них равна сумме ЭДС индукции в каждом из контуров. Поэтому при изменении магнитного потока в катушке, состоящей из одинаковых витков провода, общая ЭДС индукции в раз больше ЭДС индукции в одиночном контуре:

(54.4)

Единица магнитного потока. Единица магнитного потока в Международной системе единиц называется вебером (Вб). Она определяется на основании использования закона электромагнитной индукции. Магнитный поток через площадь, ограниченную замкнутым контуром, равен 1 Вб, если при равномерном убывании этого потока до нуля за 1 с в контуре возникает ЭДС индукции 1 В:

Для однородного магнитного поля на основании уравнения (54.1) следует, что его магнитная индукция равна 1 Тл, если магнитный поток через контур площадью 1 м2 равен 1 Вб:

Вихревое электрическое поле. Закон электромагнитной индукции (54.3) по известной скорости изменения магнитного потока позволяет найти значение ЭДС индукции в контуре и при известном значении электрического сопротивления контура вычислить силу тока в контуре. Однако при этом остается нераскрытым физический смысл явления электромагнитной индукции. Рассмотрим это явление подробнее.

Возникновение электрического тока в замкнутом контуре свидетельствует о том, что при изменении магнитного потока, пронизывающего контур, на свободные электрические заряды в контуре действуют силы. Провод контура неподвижен, неподвижными можно считать свободные электрические заряды в нем. На неподвижные электрические заряды может действовать только электрическое поле. Следовательно, при любом изменении магнитного поля в окружающем пространстве возникает электрическое поле. Это электрическое поле и приводит в движение свободные электрические заряды в контуре, создавая индукционный электрический ток. Электрическое поле, возникающее при изменениях магнитного поля, называют вихревым электрическим полем.

Работа сил вихревого электрического поля по перемещению электрических зарядов и является работой сторонних сил, источником ЭДС индукции.

Вихревое электрическое поле отличается от электростатического поля тем, что оно не связано с электрическими зарядами, его линии напряженности представляют собой замкнутые линии. Работа сил вихревого электрического поля при движении электрического заряда по замкнутой линии может быть отлична от нуля.

ЭДС индукции в движущихся проводниках. Явление электромагнитной индукции наблюдается и в тех случаях, когда магнитное поле не изменяется во времени, но магнитный поток через контур изменяется из-за движения проводников контура в магнитном поле. В этом случае причиной возникновения ЭДС индукции является не вихревое электрическое поле, а сила Лоренца.

Рассмотрим прямоугольный контур в однородном магнитном поле, вектор индукции которого перпендикулярен плоскости контура. Если провод скользит с постоянной скоростью по двум проводникам контура (рис. 196), то за время площадь контура изменяется на величину , а магнитый поток через контур - на .

Рис. 196

Поэтому ЭДС индукции в контуре будет равна

(54.5)

В проводнике, движущемся в магнитном поле, на электрический заряд действует сила Лоренца:

.

Вычислим работу силы Лоренца, действующей на электрический заряд во время полного обхода контура.

На пути длиной работа силы Лоренца равна

(54.6)

В неподвижных частях контура сила Лоренца равна нулю, поэтому полная работа силы Лоренца при обходе контура зарядом равна работе силы Лоренца на движущемся участке контура.

Рассматривая работу силы Лоренца как работу сторонних сил в контуре, мы получим выражение для ЭДС сторонних сил:

(54.7)

Совпадение выражений (54.5) и (54.7) показывает, что причиной возникновения ЭДС индукции в контуре в этом случае является действие силы Лоренца на заряды в движущемся проводнике.

55. САМОИНДУКЦИЯ

Индуктивность. Электрический ток, проходящий по проводнику, создает вокруг него магнитное поле. Магнитный поток через контур из этого проводника пропорционален модулю индукции магнитного поля внутри контура, а индукция магнитного поля в свою очередь пропорциональна силе тока в проводнике. Следовательно, магнитный поток через контур прямо пропорционален силе тока в контуре:

(55.1)

Коэффициент пропорциональности между силой тока в контуре и магнитным потоком , создаваемым этим током, называется индуктивностью. Индуктивность зависит от размеров и формы проводника, от магнитных свойств среды, в которой находится проводник.

Единица индуктивности. За единицу индуктивности в Международной системе принимается генри (Гн). Эта единица определяется на основании формулы (55.1):

(55.2)

Индуктивность контура равна 1 Гн, если при силе постоянного тока 1 А магнитный поток через контур равен 1 Вб:

Самоиндукция. При изменении силы тока в катушке происходит изменение магнитного потока, создаваемого этим током. Изменение магнитного потока, пронизывающего катушку, должно вызывать появление ЭДС индукции в катушке. Явление возникновения ЭДС индукции в электрической цепи в результате изменения силы тока в этой цепи называется самоиндукцией.

В соответствии с правилом Ленца ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока при включении и убыванию силы тока при выключении цепи.

Явление самоиндукции можно наблюдать, собрав электрическую цепь из катушки с большой индуктивностью, резистора, двух одинаковых ламп накаливания и источника тока (рис. 197). Резистор должен иметь такое же электрическое сопротивление, как и провод катушки. Опыт показывает, что при замыкании цепи электрическая лампа, включенная последовательно с катушкой, загорается несколько позже, чем лампа, включенная последовательно с резистором. Нарастанию тока в цепи катушки при замыкании препятствует ЭДС самоиндукции, возникающая при возрастании магнитного потока в катушке. При отключении источника тока вспыхивают обе лампы. В этом случае ток в цепи поддерживается ЭДС самоиндукции, возникающей при убывании магнитного потока в катушке.

Рис. 197

ЭДС самоиндукции , возникающая в катушке с индуктивностью , по закону электромагнитной индукции равна

или (55.3)

ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна индуктивности катушки и скорости изменения силы тока в катушке.

Используя выражение (55.3), можно дать второе определение единицы индуктивности: элемент электрической цепи обладает индуктивностью в 1 Гн, если при равномерном изменении силы тока в цепи на 1 А за 1 с в нем возникает ЭДС самоиндукции 1 В.

Энергия магнитного поля. При отключении катушки индуктивности от источника тока лампа накаливания, включенная параллельно катушке, дает кратковременную вспышку. Ток в цепи возникает под действием ЭДС самоиндукции. Источником энергии, выделяющейся при этом в электрической цепи, является магнитное поле катушки.

Энергию магнитного поля катушки индуктивности можно вычислить следующим способом. Для упрощения расчета рассмотрим такой случай, когда после отключения катушки от источника ток в цепи убывает со временем по линейному закону. В этом случае ЭДС самоиндукции имеет постоянное значение, равное

(55.4)

где - промежуток времени, за который сила тока в цепи убывает от начального значения до 0.

За время при линейном убывании силы тока от до 0 в цепи проходит электрический заряд:

(55.5)

поэтому работа электрического тока равна

(55.6)

Эта работа совершается за счет энергии магнитного поля катушки.

Энергия магнитного поля катушки индуктивности равна половине произведения ее индуктивности на квадрат силы тока в ней:

(55.7)

56. МАГНИТНАЯ ЗАПИСЬ ИНФОРМАЦИИ

Микрофон и громкоговоритель. Наиболее привычный для каждого человека способ обмена информацией - это речь. При обмене информацией с помощью речи один человек возбуждает звуковые колебания в воздухе с помощью голосовых связок, другой воспринимает эти колебания с помощью органов слуха.

Первыми шагами к созданию современных способов записи и воспроизведения звука было изобретение микрофона и громкоговорителя. Микрофоном называется прибор для преобразования звуковых колебаний в электрические.

Изменения давления, происходящие при распределении звуковых волн в воздухе, позволяют использовать для их объективной регистрации и изучения электродинамический микрофон. В электродинамическом микрофоне имеется тонкая и гибкая мембрана 1, к которой приклеена легкая проволочная катушка 2. Катушка расположена в кольцевом зазоре между полюсами постоянного магнита 3 (рис. 198). Колебания давления воздуха, возникающие при прохождении звуковой волны, вызывают колебания мембраны микрофона и соединенной с ней проволочной катушки. Колебания катушки в магнитном поле постоянного магнита приводят к возникновению переменной ЭДС индукции. Таким образом в электродинамическом микрофоне происходит преобразование звуковых колебаний в электрические.

Рис. 198

Для обратного преобразования электрических колебаний в звуковые применяется громкоговоритель. В громкоговорителе катушка 1 (рис. 199) из медного провода соединена с гибкой мембраной 2 и коническим диффузором 3. Катушка находится в магнитном поле постоянного магнита 4. При протекании переменного тока катушка под действием переменной силы Ампера колеблется с частотой колебаний силы тока. Катушка заставляет колебаться с такой же частотой мембрану и диффузор. Эти колебания создают колебания давления воздуха, т.е. звуковые волны.

Рис. 199

Магнитная запись и воспроизведение звука. Одним из наиболее распространенных способов сохранения и последующего воспроизведения звуков речи и музыки является магнитная запись. Магнитная запись основана на свойстве ферромагнетиков сохранять остаточное намагничивание после снятия внешнего магнитного поля. Запись звука в магнитофонах производится на тонкую пластмассовую ленту, покрытую слоем порошка ферромагнитного материала. Колебания воздуха в звуковой волне преобразуются с помощью микрофона М в колебания силы тока в электрической цепи (рис. 200). После усиления переменный ток звуковой частоты поступает в обмотку кольцевого магнита магнитной головки ГЗ. При протягивании магнитной ленты около зазора между полюсами кольцевого электромагнита различные участки ленты намагничиваются в соответствии с изменениями силы тока в обмотке. Полоса на ленте, намагниченная в процессе записи, называется дорожкой.

Рис. 200

Для воспроизведения записи магнитная лента протягивается перед зазором кольцевого магнита магнитной головки воспроизведения ГВ с той же скоростью, с которой она протягивалась при записи. При движении намагниченной ленты происходят изменения магнитного поля в кольцевом электромагните - в обмотке электромагнита возникает переменный ток. После усиления переменного напряжения усилителем воспроизведения УВ напряжение звуковой частоты подводится к катушке громкоговорителя Гр. Переменный ток в катушке громкоговорителя вызывает колебания катушки в магнитном поле постоянного магнита. Прикрепленный к катушке диффузор воспроизводит звук.

Для стирания ненужной записи с ленты служит магнитная головка стирания записи ГС. К ее обмотке подводится переменное напряжение от генератора ультразвуковой частоты ГУЗЧ. В бытовых магнитофонах при записи и воспроизведении обычно используются одна и та же универсальная головка и один усилитель.

Видеозапись. На магнитную ленту может быть записан не только сигнал звуковой частоты, но и сигнал для управления электронным лучом кинескопа телевизора. На магнитную ленту видеомагнитофона записывается информация об изображении в каждой точке экрана телевизора и звуковом сопровождении. При считывании записи с ленты с помощью магнитных головок на экране телевизора получается изображение и динамик воспроизводит звуковое сопровождение изображения.

Магнитная память ЭВМ. Для работы ЭВМ необходим обмен информацией с внешними устройствами. Так как вся информация для компьютера представляет собой набор сигналов типа "да" или нет", эта информация может быть записана на магнитную ленту или магнитный диск в виде чередующихся участков с различной полярностью намагничивания.

В персональных компьютерах для записи информации используется тонкий пластмассовый диск, покрытый слоем магнитного материала. Запись и считывание производятся с помощью электромагнитной головки, перемещающейся над поверхностью диска по его радиусу (рис. 201). Диск вращается со скоростью 300 оборотов в минуту, запись производится на концентрических дорожках, продольная плотность записи информации достигает 275 бит/мм, поперечная плотность - до 60 дорожек на 1 мм по радиусу. Полная емкость записи информации на одной стороне диска диаметром 133 мм достигает 500 Кбайт.

Рис. 201

57. МАШИНА ПОСТОЯННОГО ТОКА

Превращение механической энергии в электрическую. Явление возникновения электрического тока при движении проводника в магнитном поле широко используется в электрических генераторах. При движении проводника длиной в магнитном поле перпендикулярно вектору индукции в нем под действием ЭДС индукции возникает электрический ток . На проводник с током действует сила Ампера .

Применив правило левой руки, можно убедиться, что направление вектора силы Ампера противоположно направлению вектора скорости движения проводника (рис. 202). Следовательно, для равномерного движения проводника к нему должна быть приложена внешняя сила , равная по модулю силе Ампера , но направленная в противоположную сторону: . Эта сила при перемещении проводника на расстояние совершает работу, равную

(57.1)

Рис. 202

Мы получили, что работа внешних сил, вызывающих движение проводника в магнитном поле, равна работе ЭДС индукции в электрической цепи.

Машина постоянного тока как электрический генератор. Физический принцип действия машины постоянного тока как генератора основан на явлении возникновения ЭДС индукции в рамке из проводника при вращении ее в магнитном поле (рис. 203).

Рис. 203

Основными частями машины постоянного тока являются индуктор, с помощью которого создается магнитное поле, якорь, в обмотке которого наводится ЭДС индукции, коллектор и электрические щетки. Коллектором называются изолированные друг от друга проводящие пластины, присоединенные к катушкам. По пластинам коллектора скользят электрические щетки, соединяющие концы обмоток с внешней электрической цепью.

Если индуктор в машине постоянного тока неподвижен и является в этом случае статором машины, то якорь вращается и является ротором машины.

Якорь имеет стальной сердечник цилиндрической формы, концы обмоток якоря присоединены к пластинам коллектора.

При вращении якоря в магнитном поле индуктора в проводах его обмоток возникает ЭДС индукции.

С потребителями электрической энергии через скользящие контакты коллектора и электрических щеток соединяются концы той обмотки якоря, в которой в данный момент времени ЭДС индукции имеет максимальное значение.

Провода обмотки движутся перпендикулярно линиям индукции магнитного поля. При этом между концами проводника возникает ЭДС индукции, которая прямо пропорциональна скорости движения проводника в магнитном поле, длине проводника и индукции магнитного поля. Поэтому на концах разомкнутой обмотки, содержащей витков, напряжение будет равно

. (57.2)

Так как линейная скорость движения проводника связана с частотой вращения ротора и его радиусом выражением

,

то формулу (57.2) следует записать

. (57.3)

Так как площадь рамки равна , а магнитный поток можно определить как , то напряжение на выходе генератора равно

. (57.4)

Машина постоянного тока как электродвигатель. Замечательной особенностью машины постоянного тока является ее обратимость, т.е. возможность использования одной и той же машины как для преобразования механической энергии в электрическую, так и для преобразования электрической энергии в механическую.

Для использования машины постоянного тока в качестве электродвигателя через обмотку индуктора пропускают постоянный ток.

При подключении к щеткам постоянного напряжения возникает электрический ток в обмотке якоря и на провода обмотки со стороны магнитного поля действует сила Ампера .

В проводах обмотки, расположенных на противоположных сторонах якоря, направления сил Ампера противоположны друг другу, и под действием этих сил якорь приходит во вращение (рис. 204). Электродвигатель может использоваться для приведения в движение колес электровоза, троллейбуса, трамвая, автобуса.

Рис. 204

С помощью электродвигателя постоянного тока - стартера - производится запуск двигателя автомобиля. Например, рабочее напряжение стартера автомобиля "Жигули" - 12 В, сила тока в обмотке при максимальной мощности - 260 А, скорость вращения якоря - 1800 об/мин.

58. ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Действие, магнитного поля на проводник с током используется в электроизмерительных приборах магнитоэлектрической системы. Измеряемый электрический ток пропускается через рамку 8, помещенную в магнитное поле постоянного магнита 5 (рис. 205). Рамка укреплена на оси 2.

Рис. 205

Для уменьшения силы трения стальная ось 2 опирается на подпятники 1, изготовленные из синтетического агата, рубина или корунда.

При пропускании электрического тока через рамку сначала момент сил Ампера, вызывающий поворот рамки и связанной с ней подвижной части измерительной системы, превосходит момент сил упругости пружин 3, препятствующих повороту. Поэтому подвижная часть вращается с ускорением и к моменту достижения угла поворота, при котором наступает равенство моментов сил, приобретает запас кинетической энергии вращательного движения. За счет этой энергии подвижная система проходит положение равновесия, затем ее движение постепенно замедляется под действием возвращающих пружин. После остановки подвижная система под действием сил упругости совершает поворот в обратную сторону и т.д. Таким образом, подвижная система не сразу останавливается, а совершает затухающие колебания относительно положения равновесия. Для устранения этих колебаний в приборах применяются специальные успокоители. В них для торможения подвижной системы используется тонкая алюминиевая пластина 6, помещенная между полюсами постоянного магнита 7 и закрепленная на оси вращения подвижной системы. При повороте подвижной системы алюминиевая пластина успокоителя движется в поле постоянного магнита. Наводимые в ней при этом индукционные токи тормозят движение пластины и вместе с тем вращение всей подвижной системы электроизмерительного прибора.

Для того чтобы при любом положении указательной стрелки 4 подвижная часть была уравновешенной в поле силы тяжести, имеются противовесы 9. Установка стрелки на нулевое деление шкалы производится с помощью корректора 10.

Угол поворота стрелки в приборах магнитоэлектрической системы пропорционален силе тока.

Формулы

Закон сохранения электрического заряда

Закон Кулона

Напряженность электрического поля точечного заряда

Напряжение

Электроемкость

ЭДС

Сила тока

Закон Ома

Закон электролиза

Магнитная индукция

Сила Ампера

Сила Лоренца

Магнитный поток

Закон электромагнитной индукции

Индуктивность

ЭДС самоиндукции

Обозначения

ОбозначенияЕдиницы и значения величин
- электрический заряд1 Кл
- модуль силы электростатического взаимодействия1 Н
𝑘 = 9·109 Н·м2/Кл2
- электрическая постоянная= 8,85·10-12 Кл2/(Н·м2)
- напряженность электрического поля1 Н/Кл или 1 В/м
- напряжение1 В
- электроемкость1 Ф
- сила тока1 А
- электрическое сопротивление1 Ом
- внутреннее сопротивление источника тока1 Ом
- электродвижущая сила источника тока (ЭДС)1 В
- работа сторонних сил1 Дж
- электрохимический эквивалент вещества1 кг/Кл
- постоянная Фарадея= 96500 Кл/моль
- заряд электрона= 1,6·10-19 Кл
- магнитная индукция1 Тл
- ЭДС индукции1 В
- магнитный поток1 Вб
- индуктивность1 Гн

⇦ Ctrl предыдущая страница / следующая страница Ctrl ⇨

ГЛАВНАЯ СТРАНИЦА / МЕНЮ САЙТА / СОДЕРЖАНИЕ ДАННОЙ СТАТЬИ 

cartalana.orgⒸ 2008-2020 контакт: koshka@cartalana.org