23 23 1 Явление электромагнитной индукции Опыты Фарадея

23 23. 1. Явление электромагнитной индукции. Опыты Фарадея.

Опыты Фарадея. 1. Две катушки, витки которых располагаются плотно друг к другу, но они разделены изолирующим слоем. По одной из катушек течёт сильный ток, другая катушка соединена с гальванометром. Майкл Фарадей (1791 -1867) Стрелка гальванометра не отклоняется. Следовательно, постоянный ток и постоянное магнитное поле не оказывают влияния на проводник. 2. Гальванометр слабо реагирует на включение и выключение тока. Замена гальванометра на более чувствительную магнитную стрелку, расположенную в катушке позволила установить, что стрелка намагничивалась импульсом тока при включении. При выключении тока намагничивание магнитной стрелки было противоположным

2. Токи в других проводниках наводятся не постоянным, а изменяющимся током. 3. Индукционный ток увеличивается, если катушки намотаны на железный сердечник 4. Направление индукционного тока изменяется при изменении направления движения проводника в магнитном поле. 5. При вращении проводника в магнитном поле также возникает индукционный ток и направление индукционного тока изменяется при изменении направления вращения.

Если в замкнутый на гальванометр соленоид вдвигать или выдвигать постоянный магнит, то в моменты его вдвигания или выдвигания наблюдается отклонение стрелки гальванометра (возникает индукционный ток). Направления отклонения стрелки при вдвигании и выдвигании магнита противоположны. Отклонение стрелки гальванометра тем больше, чем больше скорость движения магнита относительно катушки. При изменении полюсов магнита направление отклонения стрелки изменится. Для получения индукционного тока магнит можно оставлять неподвижным, а соленоид передвигать относительно магнита.

23. 2. Проводящий стержень, движущийся в магнитном поле.

Проводящий стержень, движущийся в магнитном поле. Отрезок прямолинейного проводника движется с постоянной скоростью в однородном магнитном поле с индукцией. Вместе с проводником относительно магнитного поля перемещаются с той же скоростью и заряженные частицы, входящие в состав проводника, и на каждую из этих частиц действует магнитная сила

Свободные носители под действием этой силы смещаются вдоль проводника, создавая на его концах избыточные заряды. Внутри проводника возникает электрическое поле с напряжённостью , препятствующее дальнейшему смещению свободных носителей. Со стороны электрического поля на свободные носители тока действует сила, направление которой противоположно направлению силы Лоренца. В проекциях на направление вертикальной оси на рисунке: В векторной форме: Между концами проводника возникает разность потенциалов

Считая поле внутри проводника однородным, величину разности потенциалов можно найти так: Ещё раз отметим, что в общем виде

23. 3. Контур с подвижной перемычкой в однородном магнитном поле.

Контур с подвижной перемычкой в однородном магнитном поле. 2 Пусть по двум сторонам прямоугольного п-образного проводника без потери электрического контакта скользит проводящая перемычка длиной l. Вся конструкция находится в однородном магнитном поле с индукцией B. Направление вектора магнитной индукции перпендикулярно плоскости 1 контура. Под действием силы Лоренца, возникает упорядоченное движение свободных носителей тока. Оно будет продолжаться до тех пор, пока действует сила Лоренца, то есть пока сохраняется движение проводника. Силе можно сопоставить поле, напряжённость которого равна Это поле неэлектростатическое. Циркуляция его по контуру L равна работе этого поля по перемещению единичного положительного заряда, то есть электродвижущей силе, действующей в этом контуре:

Согласно свойству векторно-скалярного произведения можно записать: Умножим правую часть уравнения на dt: - единичный вектор нормали. Следовательно,

При движении проводника в магнитном поле появляется тормозящая сила Для обеспечения равномерного движения нужно прикладывать внешнюю силу, равную по величине тормозящей силе, но противоположную по направлению. Работа по перемещению зарядов по цепи равна работе этой внешней силы. В случае контура с подвижной перемычкой в однородном магнитном поле ЭДС индукции равна В данном случае изменение магнитного потока связано с изменением площади, охватываемой контуром.

23. 4. Рамка в неоднородном магнитном поле.

Рамка в неоднородном магнитном поле. Пусть в неоднородном магнитном поле движется квадратная проводящая рамка со стороной l. Направление вектора магнитной индукции перпендикулярно плоскости рамки. Индукция магнитного поля вблизи стороны рамки (3 -4) больше индукции вблизи стороны (12). Как было показано ранее (см. п. 4. 2), между токами 3 и 4, а также точками 1 и 2 возникает разность потенциалов В результате в рамке возникает индукционный ток. Направление тока указано на следующем рисунке.

Найдём ЭДС индукции в этом случае: Интегралы по отрезкам (2 -3) и (4 -1) равны нулю. Умножим правую и левую часть уравнения на dt: величина, на которую уменьшился магнитный поток, пронизывающий рамку в результате движения стороны (1 -2) величина, на которую увеличился магнитный поток, пронизывающий рамку в результате движения стороны (3 -4)

суммарное изменение магнитного потока, пронизывающего рамку в результате её движения В случае движения рамки в неоднородном магнитном поле ЭДС индукции также равна В данном случае изменение магнитного потока связано с изменением вектора магнитной индукции.

23. 5. Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея)

Индукционный ток возникает всегда, когда происходит изменение сцепленного с контуром потока магнитной индукции. Сила индукционного тока совершенно не зависит от способа изменения потока магнитной индукции, а определяется лишь скоростью его изменения. Электромагнитная индукция явление, заключающееся в том, что в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, охватываемого этим контуром, возникает электрический ток (индукционный ток). Возникновение индукционного тока указывает на наличие в цепи электродвижущей силы, называемой электродвижущей силой электромагнитной индукции.

Закон Фарадея ЭДС электромагнитной индукции в контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока сквозь поверхность, ограниченную этим контуром: Величина ЭДС индукции не зависит от способа, которым производится изменение магнитного потока, пронизывающего контур, а определяется только скоростью изменения этого потока.

Правило Ленца: Индукционный ток всегда имеет такое направление, что своим магнитным полем препятствует причине, вызывающей этот ток.

Знак ЭДС электромагнитной индукции определяется углом между направлением магнитного момента индукционного тока и направлением вектора магнитной индукции. Поток вектора магнитной индукции убывает, индукционный ток создает поле, поддерживающее убывающий поток Поток вектора магнитной индукции возрастает; индукционный ток создает поле, уменьшаюшее растущий внешний поток.

Причины возникновения ЭДС индукции 1 2 3 1. Изменение величины вектора индукции магнитного поля, в котором находится контур. 2. Изменение площади контура, находящегося в магнитном поле (даже однородном). 3. Изменение ориентации контура относительно направления магнитного поля.

23. 6. Простейший генератор переменного тока.

Простейший генератор переменного тока Рамка вращается в однородном магнитном поле с угловой скоростью . Определим силу тока, возникающего в рамке. Согласно закону Фарадея Обозначим Сила тока

При равномерном вращении рамки в однородном магнитном поле возникает переменная ЭДС, изменяющаяся по гармоническому закону Это явление лежит в основе действия генераторов, применяемых для преобразования механической энергии в энергию электрического тока.