Induzione elettromagnetica nella tecnologia moderna

Il fenomeno dell'induzione elettromagnetica viene utilizzato principalmente per convertire l'energia meccanica in energia elettrica corrente. A tale scopo, applicare alternatori(generatori ad induzione).

Il generatore di corrente alternata più semplice è un telaio metallico che ruota uniformemente con una velocità angolare w=cost in un campo magnetico uniforme con induzione IN(figura 4.5). Il flusso di induzione magnetica che penetra in un telaio con un'area S, è uguale a

Con rotazione uniforme del telaio, l'angolo di rotazione , dove è la frequenza di rotazione. Poi

Secondo la legge dell'induzione elettromagnetica, l'EMF indotto nel quadro della sua rotazione,

Se un carico (utenza elettrica) è collegato ai morsetti del telaio mediante un dispositivo a contatto con spazzole, la corrente alternata scorrerà attraverso di esso.
Per produzione industriale viene utilizzata l'elettricità nelle centrali elettriche generatori sincroni(turbogeneratori, se la centrale è termica o nucleare, e idrogeneratori, se la centrale è idraulica). Viene chiamata la parte stazionaria di un generatore sincrono statore, e rotante - rotore(figura 4.6). Il rotore del generatore ha un avvolgimento CC (avvolgimento di eccitazione) ed è un potente elettromagnete. La corrente continua fornita all'avvolgimento di eccitazione attraverso l'apparato di contatto delle spazzole magnetizza il rotore, e in questo caso un elettromagnete con nord e poli sud.
Sullo statore del generatore sono presenti tre avvolgimenti di corrente alternata, che sono sfalsati l'uno rispetto all'altro di 120 0 e sono interconnessi secondo un certo circuito di commutazione.
Quando un rotore eccitato ruota con l'ausilio di una turbina a vapore o idraulica, i suoi poli passano sotto gli avvolgimenti dello statore e in essi viene indotta una forza elettromotrice che varia secondo una legge armonica. Inoltre, il generatore, secondo un certo schema della rete elettrica, è collegato ai nodi del consumo di elettricità.
Se trasferisci direttamente l'elettricità dai generatori delle stazioni ai consumatori tramite le linee elettriche (alla tensione del generatore, che è relativamente piccola), nella rete si verificheranno grandi perdite di energia e tensione (prestare attenzione ai rapporti , ). Pertanto, per il trasporto economico dell'elettricità, è necessario ridurre la forza attuale. Ma poiché la potenza trasmessa rimane invariata, la tensione deve aumentare dello stesso fattore al diminuire della corrente.
Al consumatore di elettricità, a sua volta, la tensione deve essere ridotta al livello richiesto. Vengono chiamati dispositivi elettrici in cui la tensione viene aumentata o diminuita di un determinato numero di volte trasformatori. Anche il lavoro del trasformatore si basa sulla legge dell'induzione elettromagnetica.

Considera il principio di funzionamento di un trasformatore a due avvolgimenti (Fig. 4.7). Quando una corrente alternata passa attraverso l'avvolgimento primario, attorno ad esso si genera un campo magnetico alternato con induzione IN, il cui flusso è anch'esso variabile . Il nucleo del trasformatore serve a dirigere il flusso magnetico (la resistenza magnetica dell'aria è elevata). Un flusso magnetico variabile, chiudendosi lungo il nucleo, induce una EMF variabile in ciascuno degli avvolgimenti:

Poi Per potenti trasformatori, le resistenze della bobina sono molto piccole, quindi le tensioni ai terminali degli avvolgimenti primari e secondari sono approssimativamente uguali all'EMF:

Dove K- rapporto di trasformazione. A k1 () il trasformatore è abbassamento.
Quando è collegato all'avvolgimento secondario di un trasformatore di carico, la corrente fluirà al suo interno. Con un aumento del consumo di elettricità, secondo la legge di conservazione dell'energia, l'energia emessa dai generatori della centrale dovrebbe aumentare, cioè

Dove

Ciò significa che aumentando la tensione in K volte, è possibile ridurre della stessa quantità l'intensità di corrente nel circuito (in questo caso, le perdite di Joule diminuiscono di k2 una volta).

Brevi conclusioni

Il fenomeno del verificarsi di campi elettromagnetici in un circuito conduttore chiuso situato in un campo magnetico alternato è chiamato induzione elettromagnetica.

2. Secondo la legge dell'induzione elettromagnetica, l'EMF dell'induzione in un circuito conduttore chiuso è numericamente uguale e di segno opposto alla velocità di variazione del flusso magnetico attraverso la superficie delimitata da questo circuito:

Il segno meno riflette la regola di Lenz: con qualsiasi variazione del flusso magnetico attraverso un circuito conduttore chiuso, in quest'ultimo si genera una corrente di induzione in una direzione tale che il suo campo magnetico contrasti una variazione del flusso magnetico esterno.

L'essenza del fenomeno dell'induzione elettromagnetica non risiede tanto nell'aspetto di una corrente di induzione quanto nell'aspetto di un campo elettrico a vortice. Vortice campo elettrico generato da un campo magnetico alternato. A differenza del campo elettrostatico, il campo elettrico a vortice non è potenziale, le sue linee di forza sono sempre chiuse, come le linee di forza campo magnetico.

Saggio

nella disciplina "Fisica"

Argomento: "Scoperta del fenomeno dell'induzione elettromagnetica"

Completato:

Gruppo studenti 13103/1

San Pietroburgo

2. Esperimenti di Faraday. 3

3. Uso pratico fenomeni di induzione elettromagnetica. 9

4. Elenco della letteratura utilizzata .. 12

Induzione elettromagnetica- il fenomeno del verificarsi di una corrente elettrica in un circuito chiuso quando cambia il flusso magnetico che lo attraversa. L'induzione elettromagnetica fu scoperta da Michael Faraday il 29 agosto 1831. Ha scoperto che la forza elettromotrice che si verifica in un circuito conduttore chiuso è proporzionale alla velocità di variazione del flusso magnetico attraverso la superficie delimitata da questo circuito. L'entità della forza elettromotrice (EMF) non dipende da ciò che provoca il cambiamento del flusso: un cambiamento nel campo magnetico stesso o il movimento di un circuito (o parte di esso) in un campo magnetico. La corrente elettrica causata da questo EMF è chiamata corrente di induzione.

Nel 1820, Hans Christian Oersted ha mostrato che scorre attraverso la catena elettricità fa deviare l'ago magnetico. Se una corrente elettrica genera magnetismo, allora la comparsa di una corrente elettrica deve essere associata al magnetismo. Questa idea ha catturato lo scienziato inglese M. Faraday. "Trasforma il magnetismo in elettricità", scrisse nel 1822 nel suo diario.

Michael Farday

Michael Faraday (1791-1867) nacque a Londra, una delle zone più povere di essa. Suo padre era un fabbro e sua madre era la figlia di un fittavolo. Quando Faraday raggiunse età scolasticaÈ stato mandato alla scuola elementare. Il corso seguito da Faraday qui era molto ristretto e limitato solo all'insegnamento della lettura, della scrittura e dell'inizio del conteggio.

A pochi passi dalla casa dove abitava la famiglia Faraday, c'era una libreria, che era anche una legatoria. È qui che è arrivato Faraday, dopo aver completato il corso scuola elementare quando è sorta la domanda sulla scelta di una professione per lui. Michael a quel tempo aveva solo 13 anni. Già in gioventù, quando Faraday aveva appena iniziato la sua autoeducazione, si sforzò di affidarsi esclusivamente ai fatti e verificare i resoconti degli altri con le proprie esperienze.

Queste aspirazioni lo hanno dominato per tutta la vita come le caratteristiche principali della sua attività scientifica... Faraday iniziò a fare esperimenti fisici e chimici da ragazzo alla prima conoscenza della fisica e della chimica. Una volta Michael ha assistito a una delle lezioni di Humphrey Davy, il grande fisico inglese. Faraday prese nota dettagliata della conferenza, la rilegò e la inviò a Davy. Rimase così colpito che offrì a Faraday di lavorare con lui come segretario. Presto Davy fece un viaggio in Europa e portò con sé Faraday. Per due anni hanno visitato le più grandi università europee.

Tornato a Londra nel 1815, Faraday iniziò a lavorare come assistente in uno dei laboratori della Royal Institution di Londra. All'epoca era uno dei migliori laboratori fisici pace. Dal 1816 al 1818 Faraday pubblicò una serie di piccoli appunti e piccole memorie sulla chimica. Il primo lavoro di Faraday sulla fisica risale al 1818.

Sulla base delle esperienze dei suoi predecessori e combinando molte delle sue esperienze, nel settembre 1821, Michael aveva stampato la "Storia di successo dell'elettromagnetismo". Già a quel tempo aveva formulato un concetto completamente corretto dell'essenza del fenomeno della deflessione di un ago magnetico sotto l'azione di una corrente.

Raggiunto questo successo, Faraday abbandonò per dieci anni gli studi nel campo dell'elettricità, dedicandosi allo studio di una serie di materie di diverso genere. Nel 1823 Faraday fece una delle scoperte più importanti nel campo della fisica: per primo ottenne la liquefazione di un gas e allo stesso tempo stabilì un metodo semplice ma valido per convertire i gas in un liquido. Nel 1824 Faraday fece diverse scoperte nel campo della fisica. Tra l'altro stabilì che la luce incide sul colore del vetro, modificandolo. IN l'anno prossimo Faraday passa di nuovo dalla fisica alla chimica, e il risultato del suo lavoro in quest'area è la scoperta della benzina e dell'acido naftalene solforico.

Nel 1831 Faraday pubblicò un trattato On a Special Kind Illusione Ottica”, che è servito come base per un bellissimo e curioso proiettile ottico chiamato "cromotropo". Nello stesso anno fu pubblicato un altro trattato dello scienziato "Sulle piastre vibranti". Molte di queste opere potrebbero da sole immortalare il nome del loro autore. Ma il più importante di opere scientifiche Faraday sono le sue ricerche nel campo dell'elettromagnetismo e dell'induzione elettrica.

Gli esperimenti di Faraday

Ossessionato dalle idee su legame inscindibile e l'interazione delle forze della natura, Faraday ha cercato di dimostrare che nello stesso modo in cui Ampère poteva creare magneti con l'aiuto dell'elettricità, così è possibile creare elettricità con l'aiuto dei magneti.

La sua logica era semplice: il lavoro meccanico si trasforma facilmente in calore; Al contrario, il calore può essere convertito in lavoro meccanico(diciamo, in un motore a vapore). In generale, tra le forze della natura, si verifica più spesso la seguente relazione: se A partorisce B, allora B partorisce A.

Se per mezzo dell'elettricità Ampère ha ottenuto dei magneti, allora, a quanto pare, è possibile "ottenere elettricità dal magnetismo ordinario". Arago e Ampère si sono posti lo stesso compito a Parigi, Colladon a Ginevra.

A rigor di termini, un'importante branca della fisica che tratta i fenomeni dell'elettromagnetismo e dell'elettricità induttiva, e che attualmente è di enorme importanza per la tecnologia, è stata creata da Faraday dal nulla. Quando Faraday si dedicò finalmente alla ricerca nel campo dell'elettricità, fu stabilito che con condizioni ordinarie la presenza di un corpo elettrizzato è sufficiente perché la sua influenza ecciti l'elettricità in ogni altro corpo. Allo stesso tempo, si sapeva che il filo attraverso il quale passa la corrente e che è anche un corpo elettrificato non ha alcun effetto su altri fili posti nelle vicinanze.

Cosa ha causato questa eccezione? Questa è la domanda che ha interessato Faraday e la cui soluzione lo ha portato alle più importanti scoperte nel campo dell'elettricità ad induzione. Faraday fa molti esperimenti, tiene appunti pedanti. Dedica un paragrafo a ogni piccolo studio. registri di laboratorio(pubblicato integralmente a Londra nel 1931 con il titolo Faraday's Diary). Almeno il fatto che l'ultimo paragrafo del Diario sia segnato con il numero 16041 parla dell'efficienza di Faraday.

Oltre a una convinzione intuitiva nella connessione universale dei fenomeni, nulla, infatti, lo ha sostenuto nella sua ricerca di "elettricità dal magnetismo". Inoltre, come il suo insegnante Devi, faceva più affidamento sui propri esperimenti che sulle costruzioni mentali. Davy gli ha insegnato:

“Un buon esperimento ha più valore della premura di un genio come Newton.

Tuttavia, era Faraday che era destinato a grandi scoperte. Grande realista, strappò spontaneamente le catene dell'empirismo, una volta impostogli da Devi, e in quei momenti gli balenò una grande intuizione: acquisì la capacità per le generalizzazioni più profonde.

Il primo barlume di fortuna apparve solo il 29 agosto 1831. Quel giorno, Faraday stava testando un semplice dispositivo in laboratorio: un anello di ferro di circa sei pollici di diametro, avvolto attorno a due pezzi di filo isolato. Quando Faraday ha collegato una batteria ai terminali di un avvolgimento, il suo assistente, il sergente di artiglieria Andersen, ha visto l'ago di un galvanometro collegato all'altro avvolgimento contrarsi.

Si contrasse e si calmò, sebbene la corrente continua continuasse a fluire attraverso il primo avvolgimento. Faraday ha esaminato attentamente tutti i dettagli di questa semplice installazione: tutto era in ordine.

Ma l'ago del galvanometro era ostinatamente fermo a zero. Infastidito, Faraday decise di interrompere la corrente, e poi accadde un miracolo: durante l'apertura del circuito, l'ago del galvanometro oscillava ancora e ancora si bloccava a zero!

Il galvanometro, rimanendo perfettamente fermo durante tutto il passaggio della corrente, inizia ad oscillare quando il circuito viene chiuso e quando viene aperto. Si è scoperto che nel momento in cui una corrente passa nel primo filo, e anche quando questa trasmissione si interrompe, si eccita anche una corrente nel secondo filo, che nel primo caso ha verso opposto alla prima corrente ed è la lo stesso nel secondo caso e dura un solo istante.

Fu qui che le grandi idee di Ampere, la connessione tra corrente elettrica e magnetismo, furono rivelate in tutta chiarezza a Faraday. Dopotutto, il primo avvolgimento in cui ha applicato la corrente è diventato immediatamente un magnete. Se lo consideriamo come un magnete, allora l'esperimento del 29 agosto ha mostrato che il magnetismo sembrava dare origine all'elettricità. Solo due cose sono rimaste strane in questo caso: perché l'ondata di elettricità quando l'elettromagnete è stato acceso è svanita rapidamente? E inoltre, perché la sovratensione appare quando il magnete è spento?

Il giorno successivo, 30 agosto, una nuova serie di esperimenti. L'effetto è chiaramente espresso, ma tuttavia del tutto incomprensibile.

Faraday sente che l'apertura è da qualche parte nelle vicinanze.

“Ora sono di nuovo impegnato nell'elettromagnetismo e penso di aver attaccato una cosa di successo, ma non posso ancora confermarlo. Può darsi benissimo che dopo tutte le mie fatiche, alla fine tirerò fuori le alghe invece dei pesci.

La mattina successiva, il 24 settembre, Faraday aveva preparato molti dispositivi diversi, in cui gli elementi principali non erano più avvolgimenti di corrente elettrica, ma magneti permanenti. E c'era anche un effetto! La freccia deviò e si precipitò immediatamente al suo posto. Questo leggero movimento si è verificato durante le manipolazioni più inaspettate con il magnete, a volte, sembrava, per caso.

Il prossimo esperimento è il 1 ottobre. Faraday decide di tornare all'inizio: a due avvolgimenti: uno con corrente, l'altro collegato a un galvanometro. La differenza con il primo esperimento è l'assenza di un anello d'acciaio: il nucleo. Lo splash è quasi impercettibile. Il risultato è banale. È chiaro che un magnete senza nucleo è molto più debole di un magnete con un nucleo. Pertanto, l'effetto è meno pronunciato.

Faraday è deluso. Per due settimane non si avvicina agli strumenti, pensando ai motivi del fallimento.

“Ho preso una barra magnetica cilindrica (3/4" di diametro e 8 1/4" di lunghezza) e ne ho inserito un'estremità in una bobina di filo di rame (lunga 220 piedi) collegata a un galvanometro. Quindi, con un rapido movimento, ho spinto il magnete per tutta la lunghezza della spirale e l'ago del galvanometro ha subito uno shock. Poi altrettanto rapidamente ho estratto il magnete dalla spirale e l'ago ha oscillato di nuovo, ma nella direzione opposta. Queste oscillazioni dell'ago si ripetevano ogni volta che il magnete veniva spinto dentro o fuori".

Il segreto sta nel movimento del magnete! L'impulso di elettricità non è determinato dalla posizione del magnete, ma dal movimento!

Ciò significa che "un'onda elettrica sorge solo quando il magnete si muove, e non a causa delle proprietà insite in esso a riposo".

Riso. 2. L'esperimento di Faraday con una bobina

Questa idea è straordinariamente fruttuosa. Se il movimento di un magnete rispetto a un conduttore crea elettricità, allora, a quanto pare, anche il movimento di un conduttore rispetto a un magnete deve generare elettricità! Inoltre, questa "onda elettrica" non scomparirà finché continuerà il movimento reciproco del conduttore e del magnete. Ciò significa che è possibile creare un generatore di corrente elettrica che funzioni per un tempo arbitrariamente lungo, purché il movimento reciproco del filo e del magnete continui!

Il 28 ottobre Faraday ha installato un disco di rame rotante tra i poli di un magnete a forma di ferro di cavallo, dal quale è possibile rimuovere la tensione elettrica utilizzando contatti striscianti (uno sull'asse, l'altro sulla periferia del disco). È stato il primo generatore elettrico creato da mani umane. Quindi è stata trovata una nuova fonte energia elettrica, oltre a quelli precedentemente noti (attrito e processi chimici), - induzione e il nuovo genere di questa energia è l'elettricità di induzione.

Esperimenti simili a quello di Faraday, come già detto, sono stati condotti in Francia e in Svizzera. Colladon, professore all'Accademia di Ginevra, era un sofisticato sperimentatore (ad esempio, ha effettuato misurazioni accurate della velocità del suono nell'acqua sul lago di Ginevra). Forse, temendo il tremolio degli strumenti, come Faraday, ha rimosso il galvanometro il più lontano possibile dal resto dell'installazione. Molti sostenevano che Colladon osservasse gli stessi fugaci movimenti della freccia di Faraday, ma, aspettandosi un effetto più stabile e duraturo, non attribuiva la dovuta importanza a queste esplosioni "casuali" ...

In effetti, l'opinione della maggior parte degli scienziati dell'epoca era che l'effetto inverso di "creare elettricità dal magnetismo" avrebbe dovuto, apparentemente, avere lo stesso carattere stazionario dell'effetto "diretto" - "formare magnetismo" dovuto alla corrente elettrica. L'inaspettata "capacità" di questo effetto ha sconcertato molti, compreso Colladon, e questi molti hanno pagato per il loro pregiudizio.

Continuando i suoi esperimenti, Faraday scoprì inoltre che un semplice avvicinamento di un filo attorcigliato in una curva chiusa ad un altro, lungo il quale scorre una corrente galvanica, è sufficiente per eccitare una corrente induttiva nella direzione opposta alla corrente galvanica in un filo neutro, che la rimozione di un filo neutro eccita nuovamente una corrente induttiva in esso, la corrente è già nella stessa direzione della corrente galvanica che scorre lungo un filo fisso e che, infine, queste correnti induttive vengono eccitate solo durante l'avvicinamento e la rimozione del filo filo al conduttore della corrente galvanica, e senza questo movimento, le correnti non sono eccitate, non importa quanto vicini siano i fili l'uno all'altro.

Fu così scoperto un nuovo fenomeno, simile al fenomeno di induzione sopra descritto durante la chiusura e la cessazione della corrente galvanica. Queste scoperte a loro volta ne diedero origine a nuove. Se è possibile produrre una corrente induttiva chiudendo e arrestando la corrente galvanica, non si otterrebbe lo stesso risultato dalla magnetizzazione e smagnetizzazione del ferro?

Il lavoro di Oersted e Ampère aveva già stabilito il rapporto tra magnetismo ed elettricità. Si sapeva che il ferro diventava un magnete quando veniva avvolto intorno ad esso un filo isolato e attraversato da una corrente galvanica, e che le proprietà magnetiche di questo ferro cessavano non appena cessava la corrente.

Sulla base di ciò, Faraday ha ideato questo tipo di esperimento: due fili isolati sono stati avvolti attorno a un anello di ferro; inoltre, un filo era avvolto attorno a metà dell'anello e l'altro attorno all'altro. Una corrente proveniente da una batteria galvanica veniva fatta passare attraverso un filo e le estremità dell'altro erano collegate a un galvanometro. E così, quando la corrente si chiudeva o si interrompeva, e quando, di conseguenza, l'anello di ferro veniva magnetizzato o smagnetizzato, l'ago del galvanometro oscillava rapidamente e poi si fermava rapidamente, cioè tutte le stesse correnti induttive istantanee venivano eccitate nel filo neutro - questo tempo: già sotto l'influenza del magnetismo.

Riso. 3. Esperimento di Faraday con un anello di ferro

Così, qui, per la prima volta, il magnetismo è stato convertito in elettricità. Dopo aver ricevuto questi risultati, Faraday ha deciso di diversificare i suoi esperimenti. Invece di un anello di ferro, iniziò a usare una fascia di ferro. Invece di eccitare il magnetismo nel ferro con una corrente galvanica, ha magnetizzato il ferro avvicinandolo a un magnete permanente in acciaio. Il risultato era lo stesso: nel filo avvolto attorno al ferro, veniva sempre eccitata una corrente al momento della magnetizzazione e smagnetizzazione del ferro. Quindi Faraday ha introdotto un magnete d'acciaio nella spirale del filo: l'avvicinamento e la rimozione di quest'ultimo ha causato correnti di induzione nel filo. In una parola, il magnetismo, nel senso di eccitazione di correnti induttive, agiva esattamente allo stesso modo della corrente galvanica.

A quel tempo, i fisici erano intensamente occupati con uno fenomeno misterioso, scoperto nel 1824 da Arago e non trovò una spiegazione, nonostante il fatto che eminenti scienziati dell'epoca come lo stesso Arago, Ampère, Poisson, Babaj e Herschel cercassero intensamente questa spiegazione. La questione era la seguente. Un ago magnetico, che pende liberamente, si ferma rapidamente se si porta sotto di esso un cerchio di metallo non magnetico; se poi il cerchio viene messo in moto rotatorio, l'ago magnetico comincia a seguirlo.

IN stato calmo era impossibile scoprire la minima attrazione o repulsione tra il cerchio e la freccia, mentre lo stesso cerchio, che era in movimento, trascinava con sé non solo una freccia leggera, ma anche un magnete pesante. È vero fenomeno miracoloso sembrava agli scienziati di quel tempo un misterioso enigma, qualcosa al di là del naturale. Faraday, sulla base dei suoi dati di cui sopra, ha ipotizzato che un cerchio di metallo non magnetico, sotto l'influenza di un magnete, sia fatto circolare durante la rotazione da correnti induttive che influenzano l'ago magnetico e lo trascinano dietro il magnete. Infatti, inserendo il bordo del cerchio tra i poli di un grande magnete a forma di ferro di cavallo e collegando il centro e il bordo del cerchio con un galvanometro con un filo, Faraday riceveva una corrente elettrica costante durante la rotazione del cerchio.

In seguito, Faraday si concentrò su un altro fenomeno che allora suscitava la curiosità generale. Come sapete, se la limatura di ferro viene cosparsa su un magnete, viene raggruppata lungo determinate linee, chiamate curve magnetiche. Faraday, attirando l'attenzione su questo fenomeno, diede nel 1831 le basi alle curve magnetiche, il nome di "linee di forza magnetica", che poi divennero di uso generale. Lo studio di queste "linee" ha portato Faraday a una nuova scoperta, si è scoperto che per l'eccitazione delle correnti induttive non è necessario l'avvicinamento e l'allontanamento della sorgente dal polo magnetico. Per eccitare le correnti è sufficiente attraversare le linee di forza magnetica in un modo noto.

Riso. 4. "Linee di forza magnetica"

Ulteriori opere di Faraday nella direzione menzionata acquisirono, dal punto di vista moderno, il carattere di qualcosa di completamente miracoloso. All'inizio del 1832 dimostrò un apparato in cui le correnti induttive venivano eccitate senza l'aiuto di un magnete o di una corrente galvanica. Il dispositivo consisteva in una striscia di ferro posta in una bobina di filo. Questo dispositivo, in condizioni ordinarie, non dava il minimo segno della comparsa di correnti al suo interno; ma non appena gli è stata data una direzione corrispondente alla direzione dell'ago magnetico, una corrente è stata eccitata nel filo.

Quindi Faraday ha dato la posizione dell'ago magnetico a una bobina e poi vi ha introdotto una striscia di ferro: la corrente è stata nuovamente eccitata. Il motivo che ha causato la corrente in questi casi è stato il magnetismo terrestre, che ha causato correnti induttive come un normale magnete o corrente galvanica. Per mostrarlo e dimostrarlo più chiaramente, Faraday ha intrapreso un altro esperimento che ha confermato pienamente le sue idee.

Ha ragionato che se un cerchio di metallo non magnetico, ad esempio rame, ruotando in una posizione in cui interseca le linee di forza magnetica di un magnete vicino, fornisce una corrente induttiva, allora lo stesso cerchio, ruotando in assenza di un magnete, ma in una posizione in cui il cerchio attraverserà le linee del magnetismo terrestre, deve anche dare una corrente induttiva. E infatti, un cerchio di rame, ruotato su un piano orizzontale, dava una corrente induttiva, che produceva una notevole deviazione dell'ago del galvanometro. Faraday completò una serie di studi nel campo dell'induzione elettrica con la scoperta, fatta nel 1835, dell'"effetto induttivo della corrente su se stessa".

Ha scoperto che quando una corrente galvanica è chiusa o aperta, le correnti induttive istantanee vengono eccitate nel filo stesso, che funge da conduttore per questa corrente.

Il fisico russo Emil Khristoforovich Lenz (1804-1861) diede una regola per determinare la direzione della corrente indotta. "La corrente di induzione è sempre diretta in modo tale che il campo magnetico che crea impedisca o rallenti il movimento che provoca l'induzione", osserva A.A. Korobko-Stefanov nel suo articolo sull'induzione elettromagnetica. - Ad esempio, quando la bobina si avvicina al magnete, la corrente induttiva risultante ha una direzione tale che il campo magnetico da essa creato sarà opposto al campo magnetico del magnete. Di conseguenza, sorgono forze repulsive tra la bobina e il magnete. La regola di Lenz deriva dalla legge di conservazione e trasformazione dell'energia. Se le correnti di induzione accelerassero il movimento che le ha provocate, allora il lavoro verrebbe creato dal nulla. La bobina stessa, dopo una piccola spinta, si precipiterebbe verso il magnete, e allo stesso tempo la corrente di induzione libererebbe calore al suo interno. In realtà, la corrente di induzione viene creata a causa del lavoro di avvicinamento del magnete e della bobina.

Riso. 5. Regola di Lenz

Perché c'è una corrente indotta? Una profonda spiegazione del fenomeno dell'induzione elettromagnetica è stata data dal fisico inglese James Clerk Maxwell, il creatore del completo teoria matematica campo elettromagnetico. Per comprendere meglio l'essenza della questione, considera un esperimento molto semplice. Lascia che la bobina sia costituita da una spira di filo e sia attraversata da un campo magnetico alternato perpendicolare al piano della spira. Nella bobina, ovviamente, c'è una corrente di induzione. Maxwell ha interpretato questo esperimento con eccezionale coraggio e inaspettato.

Quando il campo magnetico cambia nello spazio, secondo Maxwell, si verifica un processo per il quale la presenza di una bobina di filo non ha importanza. La cosa principale qui è la comparsa di linee ad anello chiuse del campo elettrico, che coprono il campo magnetico variabile. Sotto l'azione del campo elettrico emergente, gli elettroni iniziano a muoversi e nella bobina si forma una corrente elettrica. Una bobina è solo un dispositivo che consente di rilevare un campo elettrico. L'essenza del fenomeno dell'induzione elettromagnetica è che un campo magnetico alternato genera sempre nello spazio circostante un campo elettrico con campo chiuso linee di forza. Tale campo è chiamato campo vorticoso.

La ricerca nel campo dell'induzione prodotta dal magnetismo terrestre diede a Faraday l'opportunità di esprimere l'idea di un telegrafo già nel 1832, che poi costituì la base di questa invenzione. In generale, la scoperta dell'induzione elettromagnetica non è senza ragione attribuita alle scoperte più straordinarie del XIX secolo: il lavoro di milioni di motori elettrici e generatori di corrente elettrica in tutto il mondo si basa su questo fenomeno ...

Applicazione pratica del fenomeno dell'induzione elettromagnetica

1. Trasmissione

Un campo magnetico alternato, eccitato da una corrente variabile, crea un campo elettrico nello spazio circostante, che a sua volta eccita un campo magnetico, e così via. Generandosi reciprocamente, questi campi formano un unico campo elettromagnetico variabile: un'onda elettromagnetica. Essendo sorto nel luogo dove c'è un filo con corrente, il campo elettromagnetico si propaga nello spazio alla velocità della luce -300.000 km/s.

Riso. 6. Radio

2. Magnetoterapia

Nello spettro delle frequenze luoghi differenti occupato da onde radio, luce, raggi X e altro radiazioni elettromagnetiche. Di solito sono caratterizzati da campi elettrici e magnetici continuamente interconnessi.

3. Sincrofasotroni

Attualmente, un campo magnetico è inteso come una forma speciale di materia costituita da particelle cariche. Nella fisica moderna, i fasci di particelle cariche vengono utilizzati per penetrare in profondità negli atomi per studiarli. La forza con cui un campo magnetico agisce su una particella carica in movimento è chiamata forza di Lorentz.

4. Flussometri

Il metodo si basa sull'applicazione della legge di Faraday per un conduttore in un campo magnetico: nel flusso di un liquido elettricamente conduttivo che si muove in un campo magnetico, viene indotta una EMF proporzionale alla velocità del flusso, che viene convertita dalla parte elettronica in un segnale elettrico analogico/digitale.

5. Generatore CC

Nella modalità generatore, l'armatura della macchina ruota sotto l'influenza di un momento esterno. Tra i poli dello statore c'è un flusso magnetico costante che penetra nell'armatura. I conduttori dell'avvolgimento dell'armatura si muovono in un campo magnetico e, pertanto, in essi viene indotto un EMF, la cui direzione può essere determinata dalla regola " mano destra". In questo caso, su una spazzola rispetto alla seconda sorge un potenziale positivo. Se un carico è collegato ai terminali del generatore, al suo interno scorrerà una corrente.

6. Trasformatori

I trasformatori sono ampiamente utilizzati nella trasmissione di energia elettrica su lunghe distanze, nella sua distribuzione tra ricevitori, nonché in vari dispositivi di rettifica, amplificazione, segnalazione e altri.

La trasformazione dell'energia nel trasformatore è effettuata da un campo magnetico alternato. Il trasformatore è un nucleo di sottili lamiere di acciaio isolate l'una dall'altra, sulle quali sono posti due, e talvolta più avvolgimenti (bobine) di filo isolato. L'avvolgimento a cui è collegata la sorgente di energia elettrica CA è chiamato avvolgimento primario, gli avvolgimenti rimanenti sono chiamati secondari.

Se nell'avvolgimento secondario del trasformatore vengono avvolte tre volte più spire che nel primario, il campo magnetico creato nel nucleo dall'avvolgimento primario, incrociando le spire dell'avvolgimento secondario, creerà una tensione tre volte maggiore in esso.

Utilizzando un trasformatore con un rapporto di spire inverso, puoi ottenere altrettanto facilmente e semplicemente una tensione ridotta.

Elenco della letteratura usata

1. [Risorsa elettronica]. Induzione elettromagnetica.

< https://ru.wikipedia.org/>

2. [Risorsa elettronica] Faraday. Scoperta dell'induzione elettromagnetica.

< http://www.e-reading.club/chapter.php/26178/78/Karcev_-_Maksvell.html >

3. [Risorsa elettronica]. Scoperta dell'induzione elettromagnetica.

4. [Risorsa elettronica]. Applicazione pratica del fenomeno dell'induzione elettromagnetica.

Sappiamo già che una corrente elettrica, muovendosi attraverso un conduttore, crea attorno ad esso un campo magnetico. Sulla base di questo fenomeno l'uomo ha inventato ed utilizza ampiamente un'ampia varietà di elettromagneti. Ma sorge spontanea la domanda: se cariche elettriche, muovendosi, provocano la comparsa di un campo magnetico, ma non funziona e viceversa?

Cioè, un campo magnetico può far fluire una corrente elettrica in un conduttore? Nel 1831, Michael Faraday lo stabilì in una direzione chiusa circuito elettrico Quando il campo magnetico cambia, viene generata una corrente elettrica. Tale corrente era chiamata corrente di induzione e il fenomeno della comparsa di una corrente in un circuito conduttore chiuso con un cambiamento nel campo magnetico che penetra in questo circuito è chiamato induzione elettromagnetica.

Il fenomeno dell'induzione elettromagnetica

Il nome stesso "elettromagnetico" è composto da due parti: "elettro" e "magnetico". Elettrico e fenomeni magnetici sono indissolubilmente legati tra loro. E se le cariche elettriche, muovendosi, cambiano il campo magnetico attorno a loro, allora il campo magnetico, cambiando, volenti o nolenti fa muovere le cariche elettriche, formando una corrente elettrica.

In questo caso, è il campo magnetico variabile che provoca il verificarsi di una corrente elettrica. Un campo magnetico permanente non causerà movimento cariche elettriche, e di conseguenza, la corrente di induzione non si forma. Una considerazione più dettagliata del fenomeno dell'induzione elettromagnetica, la derivazione delle formule e la legge dell'induzione elettromagnetica si riferisce al corso del nono grado.

Applicazione dell'induzione elettromagnetica

In questo articolo parleremo dell'uso dell'induzione elettromagnetica. Il funzionamento di molti motori e generatori di corrente si basa sull'uso delle leggi dell'induzione elettromagnetica. Il principio del loro lavoro è abbastanza semplice da capire.

Un cambiamento nel campo magnetico può essere causato, ad esempio, dallo spostamento di un magnete. Pertanto, se un magnete viene spostato all'interno di un circuito chiuso da un'influenza di terze parti, in questo circuito apparirà una corrente. Quindi puoi creare un generatore di corrente.

Se, al contrario, una corrente proveniente da una fonte di terze parti passa attraverso il circuito, il magnete all'interno del circuito inizierà a muoversi sotto l'influenza del campo magnetico generato dalla corrente elettrica. In questo modo è possibile assemblare un motore elettrico.

I generatori di corrente sopra descritti convertono l'energia meccanica in energia elettrica nelle centrali elettriche. L'energia meccanica è l'energia del carbone, del gasolio, del vento, dell'acqua e così via. L'elettricità viene fornita dai cavi ai consumatori e lì viene riconvertita in energia meccanica nei motori elettrici.

I motori elettrici di aspirapolvere, asciugacapelli, frullatori, frigoriferi, tritacarne elettrici e numerosi altri dispositivi che utilizziamo quotidianamente si basano sull'utilizzo dell'induzione elettromagnetica e delle forze magnetiche. Non c'è bisogno di parlare dell'uso di questi stessi fenomeni nell'industria, è chiaro che è onnipresente.

Trasmissione

Magnetoterapia

Nello spettro delle frequenze posti diversi sono occupati da onde radio, luce, raggi X e altre radiazioni elettromagnetiche. Di solito sono caratterizzati da campi elettrici e magnetici continuamente interconnessi.

Sincrofasotroni

Misuratori di portata - contatori

generatore di corrente continua

Nella modalità generatore, l'armatura della macchina ruota sotto l'influenza di un momento esterno. Tra i poli dello statore c'è un flusso magnetico costante che penetra nell'armatura. I conduttori dell'avvolgimento dell'armatura si muovono in un campo magnetico e, pertanto, viene indotto un EMF, la cui direzione può essere determinata dalla regola della "mano destra". In questo caso, sorge un potenziale positivo su un pennello rispetto al secondo. Se un carico è collegato ai terminali del generatore, la corrente scorrerà al suo interno.

trasformatori

Utilizzando un trasformatore con un rapporto di spire inverso, puoi ottenere altrettanto facilmente e semplicemente una tensione ridotta.

Il fenomeno dell'induzione elettromagnetica è un fenomeno che consiste nel verificarsi di una forza o tensione elettromotrice in un corpo situato in un campo magnetico in continua evoluzione. La forza elettromotrice come risultato dell'induzione elettromagnetica sorge anche se il corpo si muove in un campo magnetico statico e disomogeneo o ruota in un campo magnetico in modo tale che le sue linee che intersecano un cambiamento ad anello chiuso.

Corrente elettrica indotta

Il concetto di "induzione" indica il verificarsi di un processo come risultato dell'influenza di un altro processo. Ad esempio, una corrente elettrica può essere indotta, cioè può apparire come risultato dell'esposizione di un conduttore a un campo magnetico in un modo speciale. Tale corrente elettrica è chiamata indotta. Le condizioni per la formazione di una corrente elettrica come risultato del fenomeno dell'induzione elettromagnetica sono discusse più avanti nell'articolo.

Il concetto di campo magnetico

Prima di iniziare a studiare il fenomeno dell'induzione elettromagnetica, è necessario capire cos'è un campo magnetico. parlando in parole povere, un campo magnetico è una regione dello spazio in cui un materiale magnetico mostra i suoi effetti e proprietà magnetiche. Questa regione dello spazio può essere rappresentata utilizzando linee chiamate linee del campo magnetico. Il numero di queste linee rappresenta quantità fisica, che è chiamato flusso magnetico. Le linee del campo magnetico sono chiuse, iniziano al polo nord del magnete e finiscono a sud.

Il campo magnetico ha la capacità di agire su qualsiasi materiale che abbia proprietà magnetiche, ad esempio conduttori di ferro di corrente elettrica. Questo campo è caratterizzato dall'induzione magnetica, indicata con B e misurata in tesla (T). Un'induzione magnetica di 1 T è un campo magnetico molto forte che agisce con una forza di 1 newton su una carica puntiforme di 1 coulomb, che vola perpendicolarmente alle linee del campo magnetico ad una velocità di 1 m/s, cioè 1 T = 1 N * s / (m*Cl).

Chi ha scoperto il fenomeno dell'induzione elettromagnetica?

L'induzione elettromagnetica, sul principio di funzionamento su cui si basano molti dispositivi moderni, fu scoperta all'inizio degli anni '30 del XIX secolo. La scoperta dell'induzione è solitamente attribuita a Michael Faraday (data di scoperta - 29 agosto 1831). Lo scienziato si è basato sui risultati degli esperimenti del fisico e chimico danese Hans Oersted, che ha scoperto che un conduttore attraverso il quale scorre una corrente elettrica crea un campo magnetico attorno a sé, cioè inizia a mostrare proprietà magnetiche.

Faraday, a sua volta, scoprì l'opposto del fenomeno scoperto da Oersted. Ha notato che un campo magnetico variabile, che può essere creato modificando i parametri della corrente elettrica nel conduttore, porta alla comparsa di una differenza di potenziale alle estremità di qualsiasi conduttore di corrente. Se queste estremità sono collegate, ad esempio, tramite una lampada elettrica, una corrente elettrica scorrerà attraverso tale circuito.

Di conseguenza, Faraday ha scoperto processo fisico, a seguito della quale appare una corrente elettrica nel conduttore a causa di un cambiamento nel campo magnetico, che è il fenomeno dell'induzione elettromagnetica. Allo stesso tempo, per la formazione di una corrente indotta, non importa cosa si muova: il campo magnetico o se stesso può essere facilmente mostrato se si esegue un apposito esperimento sul fenomeno dell'induzione elettromagnetica. Quindi, posizionato il magnete all'interno della spirale metallica, iniziamo a muoverlo. Se colleghi le estremità della spirale attraverso qualsiasi indicatore di corrente elettrica in un circuito, puoi vedere l'aspetto della corrente. Ora dovresti lasciare il magnete da solo e muovere la spirale su e giù rispetto al magnete. L'indicatore mostrerà anche l'esistenza di corrente nel circuito.

Esperimento di Faraday

Gli esperimenti di Faraday consistevano nel lavorare con un direttore d'orchestra e magnete permanente. Michael Faraday scoprì per primo che quando un conduttore si muove all'interno di un campo magnetico, si forma una differenza di potenziale alle sue estremità. Il conduttore in movimento inizia ad attraversare le linee del campo magnetico, che simula l'effetto di cambiare questo campo.

Lo scienziato lo ha trovato positivo e segni negativi la differenza di potenziale risultante dipende dalla direzione in cui si muove il conduttore. Ad esempio, se il conduttore viene sollevato in un campo magnetico, la differenza di potenziale risultante avrà una polarità +-, ma se questo conduttore viene abbassato, otterremo già una polarità -+. Questi cambiamenti nel segno dei potenziali, la cui differenza è chiamata forza elettromotrice (EMF), portano alla comparsa di una corrente alternata in un circuito chiuso, cioè una corrente che cambia costantemente direzione al contrario.

Caratteristiche dell'induzione elettromagnetica scoperte da Faraday

Sapendo chi ha scoperto il fenomeno dell'induzione elettromagnetica e perché si verifica una corrente indotta, spiegheremo alcune delle caratteristiche di questo fenomeno. Quindi, più velocemente muovi il conduttore in un campo magnetico, maggiore sarà il valore della corrente indotta nel circuito. Un'altra caratteristica del fenomeno è la seguente: maggiore è l'induzione magnetica del campo, cioè più forte è questo campo, maggiore è la differenza di potenziale che può creare quando si sposta il conduttore nel campo. Se il conduttore è a riposo in un campo magnetico, in esso non si verifica alcuna EMF, poiché non vi è alcun cambiamento nelle linee di induzione magnetica che attraversano il conduttore.

Direzione della corrente elettrica e regola della mano sinistra

Per determinare la direzione nel conduttore della corrente elettrica creata a seguito del fenomeno dell'induzione elettromagnetica, è possibile utilizzare la cosiddetta regola della mano sinistra. Può essere formulato come segue: se mano sinistra mettere in modo che le linee di induzione magnetica, che iniziano al polo nord del magnete, entrino nel palmo e sporgano pollice diretto nella direzione del movimento del conduttore nel campo del magnete, quindi le restanti quattro dita della mano sinistra indicheranno la direzione del movimento della corrente indotta nel conduttore.

Esiste un'altra versione di questa regola, è la seguente: se indice dirigi la mano sinistra lungo le linee di induzione magnetica e punta il pollice sporgente nella direzione del conduttore, quindi il dito medio ruotato di 90 gradi rispetto al palmo indicherà la direzione della corrente che è apparsa nel conduttore.

Il fenomeno dell'autoinduzione

Hans Christian Oersted scoprì l'esistenza di un campo magnetico attorno a un conduttore o bobina che trasporta corrente. Lo scienziato ha anche scoperto che le caratteristiche di questo campo sono direttamente correlate alla forza della corrente e alla sua direzione. Se la corrente nella bobina o nel conduttore è variabile, genererà un campo magnetico che non sarà stazionario, cioè cambierà. A sua volta, questo campo alternato porterà alla comparsa di una corrente indotta (il fenomeno dell'induzione elettromagnetica). Il movimento della corrente di induzione sarà sempre opposto alla corrente alternata che circola attraverso il conduttore, cioè resisterà a ogni cambiamento nella direzione della corrente nel conduttore o nella bobina. Questo processo è chiamato autoinduzione. La differenza di potenziale elettrico creata in questo caso è chiamata EMF di autoinduzione.

Si noti che il fenomeno dell'autoinduzione si verifica non solo quando la direzione della corrente cambia, ma anche con qualsiasi suo cambiamento, ad esempio, con un aumento dovuto a una diminuzione della resistenza nel circuito.

Per descrivere fisicamente la resistenza esercitata da qualsiasi variazione di corrente in un circuito dovuta all'autoinduzione, è stato introdotto il concetto di induttanza, che si misura in Henry (in onore del fisico americano Joseph Henry). Un henry è una tale induttanza per la quale, quando la corrente cambia di 1 ampere in 1 secondo, si verifica un EMF nel processo di autoinduzione, pari a 1 volt.

Corrente alternata

Quando un induttore inizia a ruotare in un campo magnetico, per effetto del fenomeno dell'induzione elettromagnetica, crea una corrente indotta. Questa corrente elettrica è variabile, cioè cambia sistematicamente la sua direzione.

La corrente alternata è più comune della corrente continua. Quindi, molti dispositivi che funzionano dalla rete elettrica centrale utilizzano questo particolare tipo di corrente. La corrente alternata è più facile da indurre e trasportare rispetto alla corrente continua. Di norma, la frequenza della corrente alternata domestica è di 50-60 Hz, ovvero in 1 secondo la sua direzione cambia 50-60 volte.

La rappresentazione geometrica della corrente alternata è una curva sinusoidale che descrive la dipendenza della tensione dal tempo. Il periodo completo della curva sinusoidale per la corrente domestica è di circa 20 millisecondi. Secondo l'effetto termico, la corrente alternata è simile alla corrente continua, la cui tensione è U max /√2, dove U max è la tensione massima sulla curva sinusoidale della corrente alternata.

L'uso dell'induzione elettromagnetica nella tecnologia

La scoperta del fenomeno dell'induzione elettromagnetica produsse un vero e proprio boom nello sviluppo della tecnologia. Prima di questa scoperta, gli esseri umani erano in grado di produrre elettricità quantità limitate solo con batterie elettriche.

Questo è attualmente fenomeno fisico usato in trasformatori elettrici, nei riscaldatori che convertono la corrente indotta in calore, così come nei motori elettrici e nei generatori di automobili.