If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Ако си зад уеб филтър, моля, увери се, че домейните *. kastatic.org и *. kasandbox.org са разрешени.

Основно съдържание

Какво представлява законът на Фарадей?

Научи какво означава законът на Фарадей и как да определяш индуцираната електродвижеща сила.

Какво е електромагнитна индукция?

Електромагнитната индукция е процес, чрез който ток може да бъде индуциран да тече поради променливо магнитно поле.
В нашата статия за магнитна сила разгледахме силата, която изпитват движещи се заряди в магнитно поле. Класически пример за това е магнитната сила, която действа при наличието на магнитно поле върху проводник, в който протича електричен ток, представляващ насочено движение на електрони. Този процес също така работи и наобратно. Или движещ се проводник през магнитно поле, или (еквивалентно) промяната на силата на магнитното поле с времето може да причини протичане на електричен ток.

Как е описано това?

Има два ключови закона, които описват електромагнитната индукция:
  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 E, индуцирана в контура. Зависимостта е:
    E=dΦdt
Електродвижещата сила или EДС се отнася до разликата в потенциалите по ненатоварения контур (тоест когато съпротивлението във веригата е високо). В практиката обикновено е достатъчно да си представяме електродвижещата сила като напрежение, тъй като се измерват с една и съща мерна единица, волт.
  1. 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.
Законът на Ленц обикновено се включва в закона на Фарадей с един знак минус, наличието на който позволява използването на една и съща координатна система и за потока, и за електродвижещата сила. Резултатът понякога се нарича закон на Фарадей-Ленц:
E=dΦdt
На практика често имаме работа с магнитна индукция в няколко намотки от проводник, всяка от които допринася с една и съща електродвижеща сила. По тази причина често се добавя допълнителен множител N, отразяващ броя намотки, тоест
E=NdΦdt

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

Въпреки че пълната теоретична обосновка на закона на Фарадей е доста сложна, концептуално разбиране на директната връзка на действието на магнитното поле върху заредена частица е сравнително просто.
Фигура 1: Заряд в движещ се проводник.
Да разгледаме електрон, който може свободно да се движи в проводник. Както е показано на фигура 1, проводникът е поставен във вертикално магнитно поле и се движи перпендикулярно на магнитното поле с постоянна скорост. Двата края на проводника са свързани и образуват контур. Това гарантира, че всяка работа, извършена при създаването на ток в проводника, се превръща в топлина от съпротивлението на проводника.
Човек дърпа проводника с постоянна скорост през магнитното поле. Докато прави това, той трябва да прилага сила. Постоянното магнитно поле не може да извършва работа самостоятелно (в противен случай силата му ще трябва да се променя), но може да промени посоката на сила. В този случай част от силата, която човекът прилага, се пренасочва, причинявайки електродвижеща сила върху електрон, който се движи в проводника, създавайки ток. Част от работата, която човекът е извършил, като дърпа проводника, в крайна сметка води до отдаване на енергия под формата на топлина в съпротивлението на проводника.

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

Ключовият опит, чрез който Майкъл Фарадей е извел закона на Фарадей, е съвсем прост. Той може лесно да се възпроизведе почти само с домакински материали. Фарадей използва картонена тръба с изолиран проводник, обвит около нея, за да образува намотка. Един волтметър е свързан през бобината и индуцираната електродвижеща сила се измерва, когато магнит преминава през бобината. Постановката е показана на фигура 2.
Фигура 2: Опит на Фарадей: магнит преминава през бобина.
Наблюденията са следните:
  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.
Пример за измерена електродвижеща сила е показан на фигура 3 като функция на положението на магнита.
Тези наблюдения са в съответствие със закона на Фарадей. Макар че неподвижният магнит може да генерира голямо магнитно поле, не може да се индуцира електродвижеща сила, защото потокът през бобината не се променя. Когато магнитът се придвижи по-близо до бобината, потокът бързо се увеличава, докато магнитът не навлезе вътре в бобината. Докато преминава през бобината, магнитният поток през бобината започва да намалява. Следователно индуцираната електродвижеща сила е в обратна посока.
Упражнение 1a:
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?
Упражнение 1б:
Ако магнитът бъде пуснат със северния полюс напред, каква ще бъде посоката (по или обратно на часовниковата стрелка) първоначално на протеклия ток в бобината?
Упражнение 1в:
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.

Индукция в успоредни проводници

Ако двойка проводници са поставени успоредно един на друг, е възможно променливият ток в единия проводник да предизвика електрични пулсации в съседния проводник заради ЕДС. Това може да е проблем, когато течащият по двата проводника ток представя цифрови данни. Този ефект води до ограничение на скоростта, с която данните могат да се изпращат надеждно по такъв начин.
Упражнение 2:
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.

Какво е трансформатор?

В най-простия си вид трансформаторът е просто двойка намотки, навити около една и съща сърцевина. Ядрото често се оформя като квадратен контур с първични и вторични намотки, навити на противоположни страни. Конструкцията на трансформатора позволява магнитният поток, генериран от промяната на тока в едната бобина, да индуцира ток в съседната бобина.
Фигура 8: Конструкция на типичен трансформатор [2]
Големите трансформатори са ключов компонент на електроразпределителната система. Те са особено полезни, тъй като броят на намотките на всяка бобина не е нужно да бъде един и същ. Тъй като индуцираната електромагнитна сила зависи от броя на намотките, трансформаторите позволяват напрежението на променлив ток да бъде драстично увеличено или намалено. Това е от решаващо значение, защото позволява използването на високо напрежение за ефективно пренасяне на електроенергия на дълги разстояния с много по-безопасни по-ниски напрежения, предоставени на потребителите.
За трансформатор без загуби променливото напрежение, генерирано през вторичната намотка Vs, зависи от променливото напрежение през първичната намотка Vp и отношението на навивките на първичната и на вторичната намотка (Ns/Np). Тъй като енергията се запазва, максималният наличен ток се увеличава, когато напрежението намалее.
Vs=VpNsNp

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

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Все още няма публикации.
Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.