Основно съдържание
Физика – 10. клас (България)
Курс: Физика – 10. клас (България) > Раздел 1
Урок 9: Електромагнитна индукция- Поток и магнитен поток
- Въведение в закона на Фарадей
- Пример със закона на Фарадей
- Какво представлява законът на Фарадей?
- Електродвижеща сила в прът, преминаващ през магнитно поле
- Закон на Фарадей за генериране на електричество
© 2023 Khan AcademyУсловия за ползванеДекларация за поверителностПолитика за Бисквитки
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 статията ни за магнитната сила разгледахме силата, която заредени частици изпитват, когато се движат в магнитно поле. Силата върху проводник, по който тече ток, дължаща се на електроните, които се движат в него, когато има магнитно поле, е класически пример. Този процес също работи наобратно. Като движим проводника в магнитно поле или (еквивалентно) променяме силата на магнитното поле с времето, можем да получим ток.
Как е описано това?
Има два ключови закона, които описват електромагнитната индукция:
- Законът на Фарадей, изведен от физика Майкъл Фарадей, живял през деветнадесети век. Той дава връзката между магнитния поток през проводников контур и големината на електродвижещата сила E, индуцирана в проводника. Връзката е:
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.
- Законът на Ленц е следствие от запазването на енергията при електромагнитната индукция. Формулиран е от Хайнрих Ленц през 1833 година. Докато законът на Фарадей ни дава големината на електродвижещата сила, законът на Ленц ни дава посоката, в която ще протече ток. Той гласи, че посоката е винаги такава, че ще противодейства на промяната в потока, който я е предизвикал. Това означава, че магнитните полета, предизвикани от индуцирания ток, ще имат противоположна посока на промяната в първоначалното 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:
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
Каква е връзката между закона на Фарадей за индукцията и магнитната сила?
Въпреки че пълната теоретична обосновка на закона на Фарадей е доста сложна, концептуалното разбиране на връзката с магнитната сила върху заредена частица е доста лесно.
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.
Наблюденията са следните:
- Магнит в покой в или близо до бобината: не се наблюдава напрежение.
- Магнитът се движи към бобината: има измерено напрежение, нарастващо когато магнитът се приближава към центъра на бобината.
- Магнитът минава през средата на бобината: измереното напрежение бързо променя знака си.
- 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:
Да предположим, че краищата на бобината са свързани един с друг, което гарантира, че всеки генериран ток се разсейва като топлина заради съпротивлението на проводниците. Какъв ефект очакваш това да има върху падащия магнит? Подсказка: припомни си 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?
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.
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 V, start subscript, s, end subscript, зависи от променливото напрежение през първичната намотка V, start subscript, p, end subscript и отношението на навивките на първичната и на вторичната намотка (N, start subscript, s, end subscript, slash, N, start subscript, p, end subscript). Тъй като енергията се запазва, максималният наличен ток се увеличава, когато напрежението намалее.
Източници
- By Peripitus GFDL или CC BY-SA 4.0-3.0-2.5-2.0-1.0, от Wikimedia Commons
- OpenStax Physics
Искаш ли да се присъединиш към разговора?
Все още няма публикации.