Какво е електромагнитна индукция?

Как е описано това?

1. Закон на Фарадей, който носи името на физика от 19-и век Майкъл Фарадей. Той дава връзката между скоростта на изменение на магнитния поток в затворен контур и големината на електродвижещата сила $\mathcal{E}$‍, индуцирана в контура. Зависимостта е:
   $\mathcal{E}=\frac{\mathrm{d}\mathrm{\Phi }}{\mathrm{d}t}$‍

2. Законът на Ленц е следствие от закона за запазване на енергията, приложено към електромагнитната индукция. Той е бил формулиран от Хайнрих Ленц през 1833 г. Докато законът на Фарадей ни дава големината на произведената електродвижеща сила, законът на Ленц ни дава посоката, в която ще тече токът. Той гласи, че посоката винаги е такава, че ще се противопоставя на промяната в потока, който я е произвел. Това означава, че всяко магнитно поле, произведено от индуциран ток, ще е в посока, противоположна на промяната на оригиналното поле.

Каква е връзката между закона на Фарадей за индукцията и магнитната сила?

Опит на Фарадей: Индукция от магнит, движещ се през бобина

1. Магнит в покой в или близо до бобината: не се наблюдава напрежение.
2. Магнитът се движи към бобината: има измерено напрежение, нарастващо когато магнитът се приближава към центъра на бобината.
3. Магнитът минава през средата на бобината: измереното напрежение бързо променя знака си.
4. Магнитът се отдалечава от бобината: измерваме напрежението в посока, обратна на предишния случай, в който магнитът се движи към намотката.

Малък постоянен магнит с диаметър 10 mm генерира поле от 100 mT. Полето намалява бързо с увеличаване на разстоянието и е пренебрежимо на повече от 1 mm от повърхността. Ако този магнит се движи със скорост от 1m/s през бобина със 100 намотки и диаметър съвсем малко по-голям от магнита, каква ще бъде индуцираната електродвижеща сила?

Решение

Можем да използваме закона на Фарадей за индукцията, за да определим индуцираната електродвижеща сила. Това изисква да знаем промяната на тока през намотката и колко бързо се случва промяната.

Можем да започнем, като разгледаме поотделно случаите, в които магнитът е извън и вътре в бобината. Тъй като е казано, че полето бързо намалява, можем да приемем, че потокът е нула, когато магнитът е извън намотката. Тъй като намотката е плътно около магнита, можем да предположим, че полето винаги е ортогонално на намотката и потокът е:

$\mathrm{\Phi }=BA$‍

Тъй като знаем, че магнитът се движи с 1000 mm/s, разбираме, че ще бъде във вътрешността на дългата 1 mm бобина само за 1/1000 s (1 ms). Така че, като приложим закона на Фарадей, получаваме:

$\begin{array}{rl}\mathcal{E}& =-N\frac{\mathrm{d}\mathrm{\Phi }}{\mathrm{d}t}\\ & =-(100\mathrm{turns})\frac{(100\cdot {10}^{-3}\mathrm{T})\pi (5\cdot {10}^{-3}\mathrm{m}{)}^2}{1\cdot {10}^{-3}\mathrm{s}}\\ & \simeq 0,78\mathrm{V}\end{array}$‍

Ако магнитът бъде пуснат със северния полюс напред, каква ще бъде посоката (по или обратно на часовниковата стрелка) първоначално на протеклия ток в бобината?

Решение

Според закона на Ленц полето, генерирано от индуцирания ток, трябва да се противопостави на променящия се поток, който го е предизвикал. Прилагайки правилото за свитите пръсти на дясната ръка, виждаме, че токът в намотката трябва да бъде първоначално обратно на часовниковата стрелка, гледано отгоре, за да се постигне това, както е показано на фигура 4.

Фигура 4: Посока на индуцирания ток, дължащ се на закона на Ленц.

Предположи, че краищата на намотката са електрически свързани един с друг, което гарантира, че всеки генериран ток се разсейва като топлина поради съпротивлението на проводниците. Какъв ефект ще очакваш това да има върху падащ магнит? Подсказка: помисли за запазването на енергията.

Решение

Енергията, изгубена в топлина, трябва да е дошла от падащия магнит. Следователно скоростта на падащия магнит трябва да намалява, докато се движи през бобината. Това би било в съответствие с ефекта на отблъскваща сила от двете противоположни магнитни полета. Интересното е, че този ефект може да се появи във всеки проводник, движещ се през магнитно поле. Този ефект има много инженерни приложения, където е известен като индукционна спирачка и се прилага например при влаковете.

Индукция в успоредни проводници

Фигура 5 показва двойка успоредни проводници. Единият е свързан към батерия чрез превключвател и ток, докато съседният формира затворен контур с последователно свързан амперметър. Да приемем, че превключвателят е за кратко включен и изключен. Какво ще се случи с тока, измерен в съседния проводник?

Фигура 6: Ток пулсира поради индукция между успоредни проводници.

Решение

Когато ключът е затворен, токът започва да тече през левия проводник. Това поражда магнитно поле, което се натрупва около проводника по дължината му съгласно правилото за свитите пръсти на дясната ръка. Част от това поле излиза от страницата и пресича десния проводник. Получената промяна в потока причинява краткотрайно индуциране на ток, докато магнитното поле не спре да се променя. Този ток е максимален точно в момента на затваряне на ключа, защото по това време полето се увеличава с максимална скорост. Токът не зависи от силата на магнитното поле, а само от скоростта, с която се променя.

От закона на Ленц посоката на тока в десния проводник е обратна на тази в лявия. Когато отново се отвори ключът, процесът се повтаря наобратно. Фигура 6 показва как токът в двата проводника ще се променя в резултат на отварянето и затварянето на превключвателя.

Фигура 6: Ток пулсира поради индукция между успоредни проводници.

Какво е трансформатор?

Източници

1. By Peripitus GFDL или CC BY-SA 4.0-3.0-2.5-2.0-1.0, от Wikimedia Commons
2. OpenStax Physics