Трофимова Т.И. - Курс физики (1092345), страница 61
Текст из файла (страница 61)
Трофимова З 122. Явление члектромнгнн. ной индуш1нн (опыты Фарадея) В гл. 14 было показано, что электрические токи создают вокруг себя магнитное поле, Связь магнитного поля с током привела к многочисленным попыткам возбудить ток в контуре с помощью магнитного поля. Эта фундаментальная задача была блестяще решена в 183! г. английским физиком М.
Фарадеем, открывшим явление электромагнитной нндукцнм, заключающееся в том, что в замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции, охватываемого этим контуром, возникает электрический ток, получивший название индукционного. Рассмотрим классические опыты Фарадея, с помощью которых было обнаружено явление электромагнитной индукции. Опыт 1 (рис 179, а) Если ь замкнутый нз гальванометр соленоид вдвигать илн выднигзть постоянный магнит, то в моменты его ндвигаиии илн выдвигания наблюдается отклонение стрелки гальванонетрз (возникает индукционный ток); направлении отклонений стрелки нри вдвигаиин и выдвигании магнита протизано.
ложны. Отклонение стрелки гальвзнометрз тем больше, чен бол~ше скорость движения магнита относительно катушки, При изменении полюсов иагикта направление отклонения стрелки изменится. Лля получения индукционного тока маг. инт можно оставлять неподвижным, тогда нужно относительно магнита передвигать соленоид. Опыт 1!. Концы одной из катушек, вставленных одна в другую, нрисоединиютсн к гальвавометру, а через другую катушку пропускается ток. Отклонение стрелки гальваноиетра на. плюхается в моменты включения нли зм.
ключеиии тока, в моменты его увеличения илн уменьшения нлн нрн перемещении катушек друг относительно друга (рнс. 179, б). Направления от«лонеиий стрелки гальванометрз также противоншшжиы нрн включении и выключении тока, его увеличении в уменьшении, сближении и удалении катушек. Обобгцая результаты своих многочисленных опытов, Фарадей пришел к выводу, что индукционный так возникает всегда, когда происходит изменение сцепленного с контуром потока магнитной индукции.
Например, при повороте в однородном магнитном поле замкнутого проводящего контура в нем также возникает индукционный ток. В данном случае ин. дукция магнитного поля вблизи проводника остаетсн постоянной, а меняется только поток магнитной индукции через площадь контура. Опытным путем было также установлено, что значение индукционного тока совершенно ие зависит ог способа изменения потока магнитной индукции, а определяется лишь скоростью его изменения (в опытах Фарадея также доказывается, что отклонение стрелки гальванометра (сила тока) тем больше, чем больше скорость движения магнита, или скорость изменения силы тока, или скоргшть движения катушек).
Открытие явления электромагнитной индукции имело большое значение, так как была доказана вазможность получения электрического тока с помощью магнитного паля. Этим была установлена взаимосвязь между электрическими н магнитными явлениями, что послужило в дальнейшем толчком для разработки теории электромагнитного поля. й 12:1. Зпкон Фара.гея н его вывод из зяионя сохранения энергии Обобщая результаты своих многочисленных опытов,,Фарадей пришел к количественному закону электромагнитной индукции. Он показал, что вснкий раз, когда происходит изменение сцепленного с контуром потока магнитной индукции, в кон- 3 Пгаачи'юг|за ч ~"гэ~р чч.1 гнали К ЗФ 01 (123.! ) Теперь необходимо выяснить знак У,.
В $120 было показано, что знак магнитного потока зависит от выбора положительной нормали к контуру. В свою очередь, положительное направление нормали связано с током правилом правого винта (см. $109). Следовательно, выбирая определенное положительное направление нормали, мы определяем как знак потока магнитной индукции, так и направление тока и э. д. с.
в контуре. Пользуясь этими представлениями и выводами, можно соответственно прийти к формулировке закона электромагнитной индукции Фарадея: какова бы ни была причина изменения потока магнитной индукции, охватываемого замкнутым проводящим контуром, возникающая в контуре э, д. с. зг = —— дФ 01 ' (! 23.2) Знак минус показывает, что увеличе/ г(Ф ние потока — )0 вызывает э.
д. с. ), б/ Уг(0, т. е. поле индукционного тока направлено навстречу потоку; уменьшение / г)Ф патака — (О вызывает м'г) О, ~ 01 т. е. направления потока и поля индукционного тона совпадают. Знак минус а формуле (123.2) является математическим выражением правила Ленца — общего правила для нахождения направлении индукционного тока, выведенного в !ЯЗЗ г. Правило Ленца: индукцнонный ток в контуре имеет всегда такое направление, что создаваемое нм магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот индукционный так.
туре возникает индукционный ток; возникновение индукционного тока указывает на наличие в цепи электродвижушей силы, называемой электродвнжущей силой электромагнитной индукции. Значение индукционного тока, а следовательно, и э. д. с, электромагнитной индукции У, определяются только скоростью изменения магнитного потока, т. е. Закон Фарадея (см. (123.2) ) может быть непосредственно получен из закона сохранения энергии, как эта впервые сделал Г. Гельмгольц. Рассмотрим проводник с током /, который помещен в однородное магнитное поле, перпендикулярное плоскости контура, и мажет свободно перемещаться (см. рис.
!77). Под действием силы Ампера Р, направление которой пока. вано на рисунке, проводник перемещается на отрезок г)х. Таким образам, сила Ампера производит работу (см. (121.1)) г)А= =/ бФ, где дФ вЂ” пересеченный проводником магнитный поток. Если полное сопротивление контура равно /?, то, согласно закону сохранения энергии, работа источника тока за время г)1(У/ б/) будет складываться из работы на джоулеву теплоту (/'/)Й) и работы по перемещению проводника в магнитном поле (/ г(Ф): Ж! бг=/'/? г)1+/ дФ, откуда /= У вЂ” //?, г)Ф где — — = У есть не что иное, как за- Й кон Фарадея (см.
(123.2) ). Закон Фарадея можно сформулировать еше таким образом: э. д. с. У, электромагнитной индукции в контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока сквозь поверхность, ограниченную этим контуром. Этот закон является униеерсальнымп э. д. с.
У, не зависит от способа изменения магнитного патока. Э. д. с. электромагнитной индукции выражается в вольтах. Действительно, учитывая, что единицей магнитного потока является вебер (Вб), получим | ЙФ1 Вб Тлм Нм бг~ с с А.М.с Дж АВ ° Ас Ас Какова природа э. д. с. электромагнитной индукции? Если проводник (подвижная перемычка контура на рис. 177) дви- !'л э в а 15. Влгюрамагяктнзя ннаукпчн !э, жется в постоянном магнитном поле, то сила Лоренца, действующая на заряды внутри проводника, движущиеся вместе с проводником, будет направлена противоположно току, т.
е. она будет создавать в проводнике индукционный ток противоположного направления (за направление электрического тока принимается движение положительных зарядов). Таким образом, возбуждение э, д. с. индукции при движении контура в постоянном магнитном поле объясняется действием силы Лоренца, возникающей при движении проводника. Согласно закону Фарадея, возникновение э, д. с. электромагнитной индукции возможно и в случае неподвижного контура, находящегося в переменном магнитном поле.
Однако сила Лоренца на неподвижные заряды не действует, поэтому в данном случае ею нельзя объяснить возникновение э. д, с. индукции, Максвелл для объяснения э. д. с, индукции в неподвижных проводниках предположил, что всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве эле трическое поле, которое и является причиной возникновения индукционного тока в проводнике.
Циркуляция вектора Еэ этого поля по любому неподвижному контуру ! проводника представляет собой э. д. с. электромагнитной индукции: 0' =ф Ев 41= (123.3) дФ бг й' 124. Вращение рамки в магнитном поле Явление электромагнитной индукции при. меняется для преобразования механической энергии в энергию электрического тока, Для этой цели используются генераторы, принцип действия которых можно рассмотреть на примере плоской рамки, вращающейся в однородном магнитном поле (рис.
180). Предположим, что рамка вращается в однородном магнитном поле (В=сопя() равномерно с угловой скоростью в = = сопя! Магнитный поток, сцепленный с рамкой плошадью 5, в любой момент ряс. 1зп времени г, согласно 1120.1), равен Ф=В„5=В5 сов в=В5 соя вг, где а=в! — угол поворота рамки в момент времени ! (иачало отсчета выбрано так, чтобы при 1=0 а=О). При вращении рамки в ней будет возникать переменная э.
д, с. индукции (см. (!23.2)) У,= — =-В5в з!п вй (124.1) дФ г)г изменяющаяся со временем по гармоническому закону. При Мп в!= ! Ю, макси. мальна, т, е. У мхи = В5в (124.2) определяет максимальные значения, достигаемые колеблющейся э. д. с. Учитывая (124.2), выражение (!24.1) можно записать в ниде 1Г,= У~,„з)п вд Таким образом, если в однородном магнитном поле равномерно вращается рамка, то в ней возникает переменная э. д.
с., изменяющаяся по гармоническому закону. Из формулы (!24.2) вытекает, что в,„(следовательно, и э. д. с. индукции) находится в прямой зависимости от величин в, В и 5. В СССР принята стандартная частота тока э= в/(2п)= 30 Гц, поэтому возможно лишь увеличение двух остальных величин. Для увеличения В применяют мощные постоянные магниты или в электромагнитах пропускают значительный ток, а также внутрь электромагнита помещают сердечники из материалов с большой магнитной проницаемостью р.
Если вращать не один, а ряд витков, соединенных последовательно, то тем са- з,ю.юрп ~сгтв< к мккн.шшнг~и~к пт„ й! пг пг — <О ч) !'нс. !Н! ., !аг мым увеличивается 3. Переменное напряжение снимается с вращающегося витка с помощью щеток, схематически изображенных на рис. 180. Процесс превращения механической энергии в электрическую обратим. Если через рамку, помещенную в магнитное поле, пропускать электрический ток, то в соответствии с (109.!) на нее будет действовать вращающий момент и рамка начнет вращаться. На этом принципе основана работа электродвигателей, предназначенных для превращения электрической энергии в механическую.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
