Elektromagnetická indukcia v modernej technológii

Fenomén elektromagnetickej indukcie sa využíva predovšetkým na premenu mechanickej energie na energiu elektrického prúdu. Na tento účel použite alternátory(indukčné generátory).

Najjednoduchším generátorom striedavého prúdu je drôtený rám rotujúci rovnomerne s uhlovou rýchlosťou w=konšt v rovnomernom magnetickom poli s indukciou IN(obr. 4.5). Tok magnetickej indukcie prenikajúci rámom s plochou S, rovná sa

Pri rovnomernom otáčaní rámu je uhol natočenia , kde je frekvencia otáčania. Potom

Podľa zákona elektromagnetickej indukcie je EMF indukovaný v rámci svojej rotácie,

Ak je záťaž (spotrebič elektriny) pripojená k svorkám rámu pomocou zariadenia s kefovým kontaktom, potom cez ňu preteká striedavý prúd.
Pre priemyselná produkcia elektrina v elektrárňach synchrónne generátory(turbogenerátory, ak je stanica tepelná alebo jadrová, a hydrogenerátory, ak je stanica hydraulická). Stacionárna časť synchrónneho generátora sa nazýva stator a otáčanie - rotor(obr. 4.6). Rotor generátora má jednosmerné vinutie (budiace vinutie) a je to výkonný elektromagnet. Jednosmerný prúd privádzaný do budiaceho vinutia cez kefové kontaktné zariadenie magnetizuje rotor a v tomto prípade elektromagnet so severným a južné póly.
Na statore generátora sú tri vinutia striedavého prúdu, ktoré sú voči sebe posunuté o 120 0 a sú vzájomne prepojené podľa určitého spínacieho obvodu.
Keď sa vybudený rotor otáča pomocou parnej alebo hydraulickej turbíny, jeho póly prechádzajú pod vinutia statora a indukuje sa v nich elektromotorická sila, ktorá sa mení podľa harmonického zákona. Ďalej je generátor podľa určitej schémy elektrickej siete pripojený k uzlom spotreby elektrickej energie.
Ak prenášate elektrinu z generátorov staníc k spotrebiteľom cez elektrické vedenie priamo (pri napätí generátora, ktoré je relatívne malé), potom v sieti dôjde k veľkým stratám energie a napätia (pozor na pomery , ). Preto je pre ekonomickú prepravu elektriny potrebné znížiť prúdovú silu. Ale keďže prenášaný výkon zostáva nezmenený, napätie sa musí zvyšovať rovnakým faktorom, ako klesá prúd.
U spotrebiteľa elektriny treba zase znížiť napätie na požadovanú úroveň. Volajú sa elektrické zariadenia, v ktorých sa napätie zvyšuje alebo znižuje o daný počet krát transformátory. Práca transformátora je tiež založená na zákone elektromagnetickej indukcie.

Zvážte princíp činnosti transformátora s dvoma vinutiami (obr. 4.7). Pri prechode striedavého prúdu cez primárne vinutie vzniká okolo neho striedavé magnetické pole s indukciou IN, ktorého prietok je tiež premenlivý . Jadro transformátora slúži na usmerňovanie magnetického toku (magnetický odpor vzduchu je vysoký). Premenlivý magnetický tok, uzatvárajúci sa pozdĺž jadra, indukuje premenlivé EMF v každom z vinutí:

Potom Pre výkonné transformátory sú odpory cievok veľmi malé, takže napätia na svorkách primárneho a sekundárneho vinutia sú približne rovnaké ako EMF:

Kde k- transformačný pomer. O k1 () transformátor je spúšťanie.
Po pripojení k sekundárnemu vinutiu záťažového transformátora v ňom bude prúdiť prúd. S nárastom spotreby elektrickej energie by sa podľa zákona zachovania energie mala zvyšovať energia vydávaná generátormi stanice, t.j.

kde

To znamená, že zvýšením napätia v k krát je možné znížiť prúdovú silu v obvode o rovnakú hodnotu (v tomto prípade sa straty Joule znížia o k2 raz).

Stručné závery

Fenomén výskytu EMF v uzavretom vodivom obvode umiestnenom v striedavom magnetickom poli sa nazýva elektromagnetická indukcia.

2. Podľa zákona elektromagnetickej indukcie je EMF indukcie v uzavretom vodivom obvode číselne rovnaké a opačné v znamienku rýchlosti zmeny magnetického toku cez povrch ohraničený týmto obvodom:

Znamienko mínus odráža Lenzovo pravidlo: pri akejkoľvek zmene magnetického toku cez uzavretý vodivý obvod v ňom vzniká indukčný prúd v takom smere, že jeho magnetické pole pôsobí proti zmene vonkajšieho magnetického toku.

Podstata fenoménu elektromagnetickej indukcie nespočíva ani tak vo výskyte indukčného prúdu, ako skôr vo výskyte vírivého elektrického poľa. Vortex elektrické pole generované striedavým magnetickým poľom. Na rozdiel od elektrostatického poľa nie je vírivé elektrické pole potenciálne, jeho siločiary sú vždy uzavreté, ako siločiary magnetické pole.

Esej

v disciplíne "Fyzika"

Téma: "Objav fenoménu elektromagnetickej indukcie"

Dokončené:

Študentská skupina 13103/1

Saint Petersburg

2. Faradayove experimenty. 3

3. Praktické využitie javy elektromagnetickej indukcie. 9

4. Zoznam použitej literatúry .. 12

Elektromagnetická indukcia- jav výskytu elektrického prúdu v uzavretom obvode pri zmene magnetického toku, ktorý ním prechádza. Elektromagnetickú indukciu objavil Michael Faraday 29. augusta 1831. Zistil, že elektromotorická sila, ktorá vzniká v uzavretom vodivom obvode, je úmerná rýchlosti zmeny magnetického toku cez povrch ohraničený týmto obvodom. Veľkosť elektromotorickej sily (EMF) nezávisí od toho, čo spôsobuje zmenu toku - zmena samotného magnetického poľa alebo pohyb obvodu (alebo jeho časti) v magnetickom poli. Elektrický prúd spôsobený týmto EMF sa nazýva indukčný prúd.

V roku 1820 Hans Christian Oersted ukázal, že tečie cez reťaz elektriny spôsobí vychýlenie magnetickej strelky. Ak elektrický prúd generuje magnetizmus, potom výskyt elektrického prúdu musí byť spojený s magnetizmom. Táto myšlienka zaujala anglického vedca M. Faradaya. „Premeňte magnetizmus na elektrinu,“ napísal v roku 1822 vo svojom denníku.

Michael Faraday

Michael Faraday (1791-1867) sa narodil v Londýne, jednej z jeho najchudobnejších častí. Jeho otec bol kováč a jeho matka bola dcérou nájomného roľníka. Keď Faraday dosiahol školského veku Bol poslaný do základnej školy. Kurz, ktorý tu absolvoval Faraday, bol veľmi úzky a obmedzený len na výučbu čítania, písania a začiatku počítania.

Pár krokov od domu, kde žila rodina Faradayovcov, bolo kníhkupectvo, ktoré bolo zároveň aj kníhviazačskou prevádzkou. Tu sa Faraday dostal po absolvovaní kurzu ZÁKLADNÁ ŠKOLA keď vyvstala otázka o výbere povolania pre neho. Michael mal v tom čase iba 13 rokov. Už v mladosti, keď sa Faraday práve začal vzdelávať, sa snažil spoliehať len na fakty a overovať si správy iných vlastnými skúsenosťami.

Tieto ašpirácie ho ovládali celý život ako hlavné črty jeho vedeckej činnosti.Fyzikálne a chemické pokusy začal Faraday robiť už ako chlapec pri prvom zoznámení sa s fyzikou a chémiou. Raz sa Michael zúčastnil jednej z prednášok Humphreyho Davyho, veľkého anglického fyzika. Faraday urobil podrobnú poznámku o prednáške, zviazal ju a poslal Davymu. Bol tak ohromený, že ponúkol Faradayovi, aby s ním spolupracoval ako sekretárka. Čoskoro sa Davy vydal na výlet do Európy a vzal so sebou Faradaya. Dva roky navštevovali najväčšie európske univerzity.

Po návrate do Londýna v roku 1815 začal Faraday pracovať ako asistent v jednom z laboratórií Kráľovskej inštitúcie v Londýne. V tom čase to bolo jedno z najlepších fyzikálnych laboratóriách mier. Od roku 1816 do roku 1818 Faraday publikoval množstvo malých poznámok a malých memoárov o chémii. Faradayova prvá práca o fyzike sa datuje do roku 1818.

Na základe skúseností svojich predchodcov a kombináciou niekoľkých vlastných skúseností Michael do septembra 1821 vytlačil „Príbeh úspechu elektromagnetizmu“. Už vtedy vymyslel úplne správnu koncepciu podstaty javu vychýlenia magnetickej strelky pôsobením prúdu.

Po dosiahnutí tohto úspechu Faraday opustil štúdium v oblasti elektriny na desať rokov a venoval sa štúdiu množstva predmetov iného druhu. V roku 1823 urobil Faraday jeden z najvýznamnejších objavov v oblasti fyziky – prvýkrát dosiahol skvapalnenie plynu a zároveň zaviedol jednoduchú, ale platnú metódu premeny plynov na kvapalinu. V roku 1824 urobil Faraday niekoľko objavov v oblasti fyziky. Okrem iného zistil, že svetlo ovplyvňuje farbu skla a mení ju. IN ďalší rok Faraday sa opäť obracia od fyziky k chémii a výsledkom jeho práce v tejto oblasti je objav benzínu a kyseliny sírovej naftalénovej.

V roku 1831 Faraday publikoval pojednanie O zvláštnom druhu optická ilúzia“, ktorý slúžil ako základ pre krásny a zvedavý optický projektil nazývaný „chromotrop“. V tom istom roku vyšlo ďalšie pojednanie vedca „O vibrujúcich platniach“. Mnohé z týchto diel by samy o sebe mohli zvečniť meno svojho autora. Ale najdôležitejšie z vedeckých prác Faraday sú jeho výskumy v oblasti elektromagnetizmu a elektrickej indukcie.

Faradayove experimenty

Posadnutý myšlienkami o nerozlučné spojenie a interakciou prírodných síl sa Faraday pokúsil dokázať, že rovnako ako Ampére dokázal vytvárať magnety pomocou elektriny, tak je možné vytvárať elektrinu pomocou magnetov.

Jeho logika bola jednoduchá: mechanická práca sa ľahko mení na teplo; Naopak, teplo sa dá premeniť na mechanická práca(povedzme v parnom stroji). Vo všeobecnosti sa medzi prírodnými silami najčastejšie vyskytuje nasledujúci vzťah: ak A porodí B, potom B porodí A.

Ak pomocou elektriny Ampère získa magnety, potom je zrejme možné „získať elektrinu z bežného magnetizmu“. Arago a Ampère si dali rovnakú úlohu v Paríži, Colladon v Ženeve.

Presne povedané, dôležitý odbor fyziky, ktorý sa zaoberá javmi elektromagnetizmu a indukčnej elektriny a ktorý má v súčasnosti taký obrovský význam pre technológiu, vytvoril Faraday z ničoho. V čase, keď sa Faraday konečne venoval výskumu v oblasti elektriny, sa zistilo, že s bežné podmienky prítomnosť elektrifikovaného telesa stačí na to, aby jeho vplyv vzbudil elektrinu v každom inom telese. Zároveň bolo známe, že drôt, ktorým prechádza prúd a ktorý je zároveň elektrifikovaným telesom, nemá žiadny vplyv na ostatné drôty umiestnené v blízkosti.

Čo spôsobilo túto výnimku? To je otázka, ktorá zaujímala Faradaya a ktorej riešenie ho priviedlo k najvýznamnejším objavom v oblasti indukčnej elektriny. Faraday robí veľa experimentov, drží pedantské poznámky. Každej malej štúdii venuje odsek. laboratórne záznamy(vyšiel v Londýne v plnom znení v roku 1931 pod názvom Faraday's Diary). O Faradayovej efektivite hovorí aspoň fakt, že posledný odsek Denníka je označený číslom 16041.

Okrem intuitívneho presvedčenia o univerzálnom prepojení javov ho v hľadaní „elektriny z magnetizmu“ vlastne nič nepodporovalo. Okrem toho sa podobne ako jeho učiteľ Devi spoliehal viac na vlastné experimenty ako na mentálne konštrukcie. Davy ho naučil:

„Dobrý experiment má väčšiu hodnotu ako ohľaduplnosť génia, akým je Newton.

Napriek tomu to bol Faraday, kto bol predurčený k veľkým objavom. Veľký realista spontánne roztrhol okovy empirizmu, ktorý mu kedysi vnútila Devi, a v tých chvíľach sa mu zrodil veľký nadhľad – nadobudol schopnosť najhlbších zovšeobecnení.

Prvý záblesk šťastia sa objavil až 29. augusta 1831. V tento deň Faraday testoval v laboratóriu jednoduché zariadenie: železný krúžok s priemerom asi šesť palcov, omotaný okolo dvoch kusov izolovaného drôtu. Keď Faraday pripojil batériu na svorky jedného vinutia, jeho asistent, delostrelecký seržant Andersen, uvidel, ako sa strelka galvanometra pripojená k druhému vinutiu zatrhla.

Trhla sebou a upokojila sa, hoci prvým vinutím ďalej tiekol jednosmerný prúd. Faraday starostlivo skontroloval všetky detaily tejto jednoduchej inštalácie - všetko bolo v poriadku.

Ale ihla galvanometra tvrdohlavo stála na nule. Faraday sa z mrzutosti rozhodol vypnúť prúd a potom sa stal zázrak - počas otvárania okruhu sa strelka galvanometra znova rozkývala a znova zamrzla na nule!

Galvanometer, ktorý zostáva počas celého prechodu prúdu úplne nehybný, začne oscilovať pri uzavretí a pri otvorení okruhu. Ukázalo sa, že v momente, keď prúd prechádza do prvého vodiča a tiež keď sa tento prenos zastaví, dôjde k vybudeniu prúdu aj v druhom vodiči, ktorý má v prvom prípade opačný smer ako prvý prúd a je to isté s ním v druhom prípade a trvá iba jeden okamih.

Práve tu boli Faradayovi úplne jasne odhalené Amperove skvelé myšlienky, spojenie medzi elektrickým prúdom a magnetizmom. Veď prvé vinutie, do ktorého priviedol prúd, sa okamžite stalo magnetom. Ak to považujeme za magnet, potom experiment z 29. augusta ukázal, že z magnetizmu zrejme vznikla elektrina. V tomto prípade zostali zvláštne iba dve veci: prečo rýchlo zmizol nápor elektriny, keď bol elektromagnet zapnutý? A navyše, prečo sa prepätie objaví, keď je magnet vypnutý?

Na druhý deň, 30. augusta, nová séria pokusov. Účinok je jasne vyjadrený, ale napriek tomu úplne nepochopiteľný.

Faraday má pocit, že otvorenie je niekde blízko.

„Teraz som opäť zapojený do elektromagnetizmu a myslím si, že som zaútočil na úspešnú vec, ale zatiaľ to nemôžem potvrdiť. Môže sa veľmi dobre stať, že po všetkej mojej námahe nakoniec namiesto rýb vytiahnem morské riasy.

Do nasledujúceho rána, 24. septembra, Faraday pripravil mnoho rôznych zariadení, v ktorých hlavnými prvkami už neboli vinutia elektrického prúdu, ale permanentné magnety. A bol tam aj efekt! Šípka sa vychýlila a okamžite zapadla na miesto. Tento nepatrný pohyb nastal pri najneočakávanejších manipuláciách s magnetom, niekedy, ako sa zdalo, náhodou.

Najbližší experiment je 1. októbra. Faraday sa rozhodne vrátiť na úplný začiatok – k dvom vinutiam: jedno s prúdom, druhé spojené s galvanometrom. Rozdiel oproti prvému experimentu je absencia oceľového prstenca – jadra. Striekanie je takmer nepostrehnuteľné. Výsledok je triviálny. Je jasné, že magnet bez jadra je oveľa slabší ako magnet s jadrom. Preto je účinok menej výrazný.

Faraday je sklamaný. Dva týždne nepristupuje k prístrojom a premýšľa nad príčinami zlyhania.

"Vzal som valcovú magnetickú tyč (priemer 3/4" a dĺžku 8 1/4") a vložil som jej jeden koniec do cievky medeného drôtu (dĺžka 220 stôp) pripojenej ku galvanometru. Potom som rýchlym pohybom zatlačil magnet do celej dĺžky špirálky a ihla galvanometra zažila šok. Potom som rovnako rýchlo vytiahol magnet zo špirály a ihla sa opäť otočila, ale v opačnom smere. Tieto výkyvy ihly sa opakovali vždy, keď sa magnet zatlačil dovnútra alebo von."

Tajomstvo je v pohybe magnetu! Impulz elektriny nie je určený polohou magnetu, ale pohybom!

To znamená, že „elektrická vlna vzniká iba vtedy, keď sa magnet pohybuje, a nie kvôli vlastnostiam, ktoré má v pokoji“.

Ryža. 2. Faradayov pokus s cievkou

Táto myšlienka je mimoriadne plodná. Ak pohyb magnetu vo vzťahu k vodiču vytvára elektrinu, potom zrejme aj pohyb vodiča vo vzťahu k magnetu musí generovať elektrinu! Navyše táto „elektrická vlna“ nezmizne, pokiaľ bude pokračovať vzájomný pohyb vodiča a magnetu. To znamená, že je možné vytvoriť generátor elektrického prúdu, ktorý pracuje ľubovoľne dlho, pokiaľ vzájomný pohyb drôtu a magnetu pokračuje!

Faraday nainštaloval 28. októbra medzi póly podkovovitého magnetu rotujúci medený kotúč, z ktorého sa dalo odoberať elektrické napätie pomocou posuvných kontaktov (jeden na osi, druhý na obvode kotúča). Bol to prvý elektrický generátor vytvorený ľudskou rukou. Takže sa našiel nový zdroj elektrická energia, okrem predtým známych (trenie a chemické procesy), - indukcia, a nový druh z tejto energie je indukčná elektrina.

Pokusy podobné Faradayovým, ako už bolo spomenuté, sa uskutočnili vo Francúzsku a Švajčiarsku. Colladon, profesor na Ženevskej akadémii, bol sofistikovaným experimentátorom (napríklad robil presné merania rýchlosti zvuku vo vode na Ženevskom jazere). Možno zo strachu pred otrasmi prístrojov, podobne ako Faraday, odstránil galvanometer čo najďalej od zvyšku inštalácie. Mnohí tvrdili, že Colladon pozoroval rovnaké prchavé pohyby šípu ako Faraday, ale očakávajúc stabilnejší a trvalejší účinok nepripisoval týmto „náhodným“ výbuchom náležitú dôležitosť ...

Názor väčšiny vedcov tej doby bol totiž taký, že opačný efekt „vytvárania elektriny z magnetizmu“ by mal mať zjavne rovnaký stacionárny charakter ako „priamy“ efekt – „tvoriaci magnetizmus“ v dôsledku elektrického prúdu. Neočakávaná „prechodnosť“ tohto efektu zmiatla mnohých, vrátane Colladona, a títo mnohí doplatili na svoje predsudky.

Faraday, pokračujúc vo svojich experimentoch, ďalej zistil, že jednoduché priblíženie drôtu stočeného do uzavretej krivky k druhému, pozdĺž ktorého preteká galvanický prúd, stačí na vybudenie indukčného prúdu v smere opačnom ako je galvanický prúd v neutrálnom drôte, že odstránením nulového vodiča sa v ňom opäť vybudí indukčný prúd.prúd je už v rovnakom smere ako galvanický prúd pretekajúci po pevnom vodiči a že napokon tieto indukčné prúdy sa vybudia až pri približovaní a odvádzaní vodiča. drôt k vodiču galvanického prúdu a bez tohto pohybu prúdy nie sú vzrušené, bez ohľadu na to, ako blízko sú drôty pri sebe .

Bol teda objavený nový jav, podobný vyššie opísanému javu indukcie pri uzatváraní a ukončovaní galvanického prúdu. Tieto objavy následne viedli k novým. Ak je možné vytvoriť indukčný prúd uzavretím a zastavením galvanického prúdu, nezískal by sa rovnaký výsledok magnetizáciou a demagnetizáciou železa?

Práca Oersteda a Ampera už vytvorila vzťah medzi magnetizmom a elektrinou. Vedelo sa, že železo sa stalo magnetom, keď sa okolo neho navial izolovaný drôt a prešiel ním galvanický prúd, a že magnetické vlastnosti tohto železa zanikli, len čo prúd prestal.

Na základe toho Faraday prišiel s týmto druhom experimentu: dva izolované drôty boli navinuté okolo železného kruhu; navyše jeden drôt bol navinutý okolo jednej polovice prsteňa a druhý okolo druhej. Cez jeden drôt prechádzal prúd z galvanickej batérie a konce druhého boli pripojené ku galvanometru. A tak, keď sa prúd uzavrel alebo zastavil, a keď bol následne zmagnetizovaný alebo demagnetizovaný železný krúžok, ihla galvanometra rýchlo oscilovala a potom sa rýchlo zastavila, to znamená, že všetky rovnaké okamžité indukčné prúdy boli excitované v neutrálnom drôte - toto čas: už pod vplyvom magnetizmu.

Ryža. 3. Faradayov pokus so železným krúžkom

Takto sa tu po prvýkrát magnetizmus premenil na elektrinu. Po získaní týchto výsledkov sa Faraday rozhodol diverzifikovať svoje experimenty. Namiesto železného prsteňa začal používať železnú pásku. Namiesto vzrušujúceho magnetizmu v železe galvanickým prúdom zmagnetizoval železo dotykom s permanentným oceľovým magnetom. Výsledok bol rovnaký: v drôte ovinutom okolo žehličky sa vždy v momente magnetizácie a demagnetizácie žehličky vybudil prúd. Potom Faraday zaviedol do drôtenej špirály oceľový magnet - jeho priblíženie a odstránenie spôsobilo indukčné prúdy v drôte. Jedným slovom, magnetizmus v zmysle budenia indukčných prúdov pôsobil presne rovnako ako galvanický prúd.

Fyzici sa vtedy intenzívne zaoberali jedným záhadný jav, objavil v roku 1824 Arago a nenašiel vysvetlenie, napriek tomu, že takí vynikajúci vedci tej doby ako samotný Arago, Ampère, Poisson, Babaj a Herschel toto vysvetlenie intenzívne hľadali. Záležitosť bola nasledovná. Magnetická ihla, voľne visiaca, sa rýchlo zastaví, ak sa pod ňu vnesie kruh z nemagnetického kovu; ak sa potom kruh uvedie do rotačného pohybu, magnetická strelka ho začne sledovať.

IN pokojný stav nebolo možné objaviť najmenšiu príťažlivosť alebo odpudivosť medzi kruhom a šípom, zatiaľ čo ten istý kruh, ktorý bol v pohybe, ťahal pozdĺž nielen ľahkého šípu, ale aj ťažkého magnetu. Je to pravda zázračný jav sa vtedajším vedcom zdalo záhadnou hádankou, niečím nad prirodzeným. Faraday na základe svojich vyššie uvedených údajov predpokladal, že kruh z nemagnetického kovu pod vplyvom magnetu počas rotácie cirkuluje indukčnými prúdmi, ktoré ovplyvňujú magnetickú ihlu a ťahajú ju za magnet. Vložením okraja kruhu medzi póly veľkého magnetu v tvare podkovy a spojením stredu a okraja kruhu s galvanometrom s drôtom dostal Faraday počas otáčania kruhu konštantný elektrický prúd.

V nadväznosti na to sa Faraday rozhodol pre ďalší fenomén, ktorý vtedy vyvolával všeobecnú zvedavosť. Ako viete, ak sú železné piliny posypané magnetom, sú zoskupené pozdĺž určitých čiar, nazývaných magnetické krivky. Faraday, upozorňujúc na tento jav, dal v roku 1831 základy magnetickým krivkám, pomenovanie „čiary magnetickej sily“, ktoré sa potom začali všeobecne používať. Štúdium týchto „čiar“ priviedlo Faradaya k novému objavu, ukázalo sa, že pre budenie indukčných prúdov nie je potrebné približovanie a odstraňovanie zdroja od magnetického pólu. Na vybudenie prúdov stačí známym spôsobom prekrížiť čiary magnetickej sily.

Ryža. 4. "čiary magnetickej sily"

Ďalšie Faradayove diela v spomínanom smere nadobudli z moderného pohľadu charakter niečoho úplne zázračného. Začiatkom roku 1832 predviedol prístroj, v ktorom sa induktívne prúdy budili bez pomoci magnetu alebo galvanického prúdu. Zariadenie pozostávalo zo železného pásu umiestneného v drôtenej cievke. Toto zariadenie za bežných podmienok nedalo ani najmenšiu známku výskytu prúdov v ňom; ale akonáhle dostal smer zodpovedajúci smeru magnetickej strelky, v drôte sa vzbudil prúd.

Potom Faraday dal polohu magnetickej ihly jednej cievke a potom do nej zaviedol železný pás: prúd bol opäť vzrušený. Dôvodom, ktorý spôsobil prúd v týchto prípadoch, bol zemský magnetizmus, ktorý spôsoboval indukčné prúdy ako obyčajný magnet alebo galvanický prúd. Aby to ukázal a dokázal jasnejšie, Faraday podnikol ďalší experiment, ktorý plne potvrdil jeho myšlienky.

Usúdil, že ak kruh z nemagnetického kovu, napríklad medi, rotujúci v polohe, v ktorej pretína čiary magnetickej sily susedného magnetu, dáva indukčný prúd, potom ten istý kruh, ktorý sa otáča v neprítomnosti magnet, ale v polohe, v ktorej bude kruh pretínať čiary zemského magnetizmu, musí tiež poskytnúť indukčný prúd. A skutočne, medený kruh, otočený v horizontálnej rovine, dal indukčný prúd, ktorý spôsobil značnú odchýlku ihly galvanometra. Faraday dokončil sériu štúdií v oblasti elektrickej indukcie objavom z roku 1835 o "indukčnom účinku prúdu na seba."

Zistil, že pri zatvorení alebo otvorení galvanického prúdu dochádza k vybudeniu okamžitých indukčných prúdov v samotnom drôte, ktorý slúži ako vodič tohto prúdu.

Ruský fyzik Emil Khristoforovič Lenz (1804-1861) dal pravidlo na určenie smeru indukovaného prúdu. "Indukčný prúd je vždy nasmerovaný tak, že magnetické pole, ktoré vytvára, bráni alebo spomaľuje pohyb, ktorý spôsobuje indukciu," poznamenáva A.A. Korobko-Stefanov vo svojom článku o elektromagnetickej indukcii. - Napríklad, keď sa cievka priblíži k magnetu, výsledný indukčný prúd má taký smer, že ním vytvorené magnetické pole bude opačné ako magnetické pole magnetu. V dôsledku toho vznikajú medzi cievkou a magnetom odpudivé sily. Lenzove pravidlo vyplýva zo zákona zachovania a premeny energie. Ak by indukčné prúdy zrýchlili pohyb, ktorý ich vyvolal, potom by dielo vzniklo z ničoho. Samotná cievka by sa po malom zatlačení rútila k magnetu a zároveň by v ňom indukčný prúd uvoľnil teplo. V skutočnosti sa indukčný prúd vytvára v dôsledku práce približovania magnetu a cievky.

Ryža. 5. Lenzove pravidlo

Prečo existuje indukovaný prúd? Hlboké vysvetlenie fenoménu elektromagnetickej indukcie podal anglický fyzik James Clerk Maxwell, tvorca dokončeného matematická teória elektromagnetického poľa. Aby ste lepšie pochopili podstatu veci, zvážte veľmi jednoduchý experiment. Nech sa cievka skladá z jedného závitu drôtu a je prepichnutá striedavým magnetickým poľom kolmým na rovinu závitu. V cievke je samozrejme indukčný prúd. Maxwell interpretoval tento experiment s výnimočnou odvahou a neočakávanosťou.

Pri zmene magnetického poľa v priestore vzniká podľa Maxwella proces, pre ktorý nie je prítomnosť drôtovej cievky dôležitá. Hlavná vec je tu vzhľad uzavretých kruhových línií elektrického poľa, ktoré zakrývajú meniace sa magnetické pole. Pôsobením vznikajúceho elektrického poľa sa elektróny začnú pohybovať a v cievke vzniká elektrický prúd. Cievka je len zariadenie, ktoré umožňuje detekovať elektrické pole. Podstatou javu elektromagnetickej indukcie je, že striedavé magnetické pole vždy generuje v okolitom priestore elektrické pole s uzavretým siločiary. Takéto pole sa nazýva vírové pole.

Výskum v oblasti indukcie produkovanej pozemským magnetizmom dal Faradayovi príležitosť vyjadriť myšlienku telegrafu už v roku 1832, ktorý potom tvoril základ tohto vynálezu. Vo všeobecnosti sa objav elektromagnetickej indukcie nie bezdôvodne pripisuje najvýznamnejším objavom 19. storočia - na tomto fenoméne je založená práca miliónov elektrických motorov a generátorov elektrického prúdu po celom svete ...

Praktická aplikácia javu elektromagnetickej indukcie

1. Vysielanie

Striedavé magnetické pole, vybudené meniacim sa prúdom, vytvára v okolitom priestore elektrické pole, ktoré zase vybudí magnetické pole atď. Tieto polia, ktoré sa navzájom vytvárajú, tvoria jediné premenlivé elektromagnetické pole – elektromagnetickú vlnu. Elektromagnetické pole, ktoré vzniklo v mieste, kde je drôt s prúdom, sa šíri v priestore rýchlosťou svetla -300 000 km/s.

Ryža. 6. Rádio

2. Magnetoterapia

Vo frekvenčnom spektre rôzne miesta obsadené rádiovými vlnami, svetlom, röntgenovým žiarením a inými elektromagnetická radiácia. Zvyčajne sa vyznačujú nepretržite prepojenými elektrickými a magnetickými poľami.

3. Synchrofazotróny

V súčasnosti sa magnetické pole chápe ako špeciálna forma hmoty pozostávajúca z nabitých častíc. V modernej fyzike sa lúče nabitých častíc používajú na preniknutie hlboko do atómov, aby ich mohli študovať. Sila, ktorou magnetické pole pôsobí na pohybujúcu sa nabitú časticu, sa nazýva Lorentzova sila.

4. Prietokomery

Metóda je založená na aplikácii Faradayovho zákona pre vodič v magnetickom poli: pri prúdení elektricky vodivej kvapaliny pohybujúcej sa v magnetickom poli sa indukuje EMF úmerné rýchlosti prúdenia, ktoré sa elektronickou časťou premieňa na elektrický analógový / digitálny signál.

5. DC generátor

V režime generátora sa kotva stroja otáča pod vplyvom vonkajšieho momentu. Medzi pólmi statora je konštantný magnetický tok prenikajúci do kotvy. Vodiče vinutia kotvy sa pohybujú v magnetickom poli, a preto sa v nich indukuje EMF, ktorého smer môže byť určený pravidlom " pravá ruka". V tomto prípade vzniká kladný potenciál na jednej kefke vzhľadom na druhú. Ak je na svorky generátora pripojená záťaž, potom v nej bude prúdiť prúd.

6. Transformátory

Transformátory sú široko používané pri prenose elektrickej energie na veľké vzdialenosti, jej distribúcii medzi prijímačmi, ako aj v rôznych usmerňovacích, zosilňovacích, signalizačných a iných zariadeniach.

Transformácia energie v transformátore sa uskutočňuje striedavým magnetickým poľom. Transformátor je jadro z tenkých oceľových plátov izolovaných od seba, na ktorých sú umiestnené dve a niekedy aj viac vinutí (cievok) izolovaného drôtu. Vinutie, ku ktorému je pripojený zdroj striedavej elektrickej energie, sa nazýva primárne vinutie, zvyšné vinutia sa nazývajú sekundárne.

Ak je v sekundárnom vinutí transformátora navinutých trikrát viac závitov ako v primárnom, potom magnetické pole vytvorené v jadre primárnym vinutím, ktoré prechádza závitmi sekundárneho vinutia, v ňom vytvorí trikrát väčšie napätie.

Pomocou transformátora s opačným pomerom závitov môžete rovnako ľahko a jednoducho získať znížené napätie.

Zoznam použitej literatúry

1. [Elektronický zdroj]. Elektromagnetická indukcia.

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

2. [Elektronický zdroj] Faraday. Objav elektromagnetickej indukcie.

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

3. [Elektronický zdroj]. Objav elektromagnetickej indukcie.

4. [Elektronický zdroj]. Praktická aplikácia javu elektromagnetickej indukcie.

Už vieme, že elektrický prúd, ktorý sa pohybuje cez vodič, vytvára okolo neho magnetické pole. Na základe tohto javu človek vynašiel a široko používa širokú škálu elektromagnetov. Vynára sa však otázka: ak elektrické náboje, pohybujúce sa, spôsobujú výskyt magnetického poľa, ale nefunguje to a naopak?

To znamená, že môže magnetické pole spôsobiť tok elektrického prúdu vo vodiči? V roku 1831 Michael Faraday zistil, že v uzavretom dirigovaní elektrický obvod Pri zmene magnetického poľa vzniká elektrický prúd. Takýto prúd sa nazýval indukčný prúd a jav objavenia sa prúdu v uzavretom vodivom obvode so zmenou magnetického poľa prenikajúceho do tohto obvodu sa nazýva elektromagnetická indukcia.

Fenomén elektromagnetickej indukcie

Samotný názov „elektromagnetický“ pozostáva z dvoch častí: „elektro“ a „magnetické“. Elektrické a magnetické javy sú navzájom neoddeliteľne spojené. A ak elektrické náboje, pohybujúce sa, menia magnetické pole okolo seba, potom magnetické pole, meniace sa, chtiac-nechtiac spôsobí, že sa elektrické náboje budú pohybovať a vytvárajú elektrický prúd.

V tomto prípade je to meniace sa magnetické pole, ktoré spôsobuje výskyt elektrického prúdu. Permanentné magnetické pole nespôsobí pohyb elektrické náboje, a preto sa nevytvára indukčný prúd. Podrobnejšia úvaha o jave elektromagnetickej indukcie, odvodzovaní vzorcov a zákone elektromagnetickej indukcie sa týka priebehu deviateho ročníka.

Aplikácia elektromagnetickej indukcie

V tomto článku si povieme niečo o využití elektromagnetickej indukcie. Prevádzka mnohých motorov a generátorov prúdu je založená na využití zákonov elektromagnetickej indukcie. Princíp ich práce je celkom jednoduchý na pochopenie.

Zmena magnetického poľa môže byť spôsobená napríklad pohybom magnetu. Preto, ak sa magnet pohybuje v uzavretom obvode vplyvom nejakej tretej strany, potom sa v tomto obvode objaví prúd. Takže môžete vytvoriť generátor prúdu.

Ak naopak obvodom prechádza prúd zo zdroja tretej strany, potom sa magnet vo vnútri obvodu začne pohybovať pod vplyvom magnetického poľa generovaného elektrickým prúdom. Týmto spôsobom je možné zostaviť elektromotor.

Vyššie opísané generátory prúdu premieňajú mechanickú energiu na elektrickú energiu v elektrárňach. Mechanická energia je energia uhlia, motorovej nafty, vetra, vody atď. Elektrická energia je dodávaná vodičom spotrebiteľom a tam sa premieňa späť na mechanickú energiu v elektromotoroch.

Elektromotory vysávačov, sušičov vlasov, mixérov, chladičov, elektrických mlynčekov na mäso a mnohých ďalších zariadení, ktoré denne používame, sú založené na využití elektromagnetickej indukcie a magnetických síl. O využití týchto istých javov v priemysle sa netreba baviť, je jasné, že je všadeprítomné.

Vysielanie

Magnetoterapia

Vo frekvenčnom spektre sú rôzne miesta obsadené rádiovými vlnami, svetlom, röntgenovým žiarením a iným elektromagnetickým žiarením. Zvyčajne sa vyznačujú nepretržite prepojenými elektrickými a magnetickými poľami.

Synchrofazotróny

Prietokomery - merače

DC generátor

V režime generátora sa kotva stroja otáča pod vplyvom vonkajšieho momentu. Medzi pólmi statora je konštantný magnetický tok prenikajúci do kotvy. Vodiče vinutia kotvy sa pohybujú v magnetickom poli, a preto sa v nich indukuje EMF, ktorého smer môže byť určený pravidlom "pravej ruky". V tomto prípade vzniká pozitívny potenciál na jednej kefke v porovnaní s druhou. Ak je záťaž pripojená ku svorkám generátora, prúdi v nej prúd.

transformátory

Použitím transformátora s reverzným pomerom závitov môžete rovnako ľahko a jednoducho získať znížené napätie.

Fenomén elektromagnetickej indukcie je jav, ktorý spočíva vo výskyte elektromotorickej sily alebo napätia v telese umiestnenom v magnetickom poli, ktoré sa neustále mení. Elektromotorická sila v dôsledku elektromagnetickej indukcie vzniká aj vtedy, ak sa teleso pohybuje v statickom a nehomogénnom magnetickom poli alebo rotuje v magnetickom poli tak, že sa jeho čiary pretínajúce uzavretú slučku menia.

Indukovaný elektrický prúd

Pojem "indukcia" znamená výskyt procesu ako výsledok vplyvu iného procesu. Napríklad môže byť indukovaný elektrický prúd, to znamená, že sa môže objaviť ako výsledok vystavenia vodiča magnetickému poľu špeciálnym spôsobom. Takýto elektrický prúd sa nazýva indukovaný. Podmienky vzniku elektrického prúdu v dôsledku javu elektromagnetickej indukcie sú diskutované ďalej v článku.

Pojem magnetické pole

Pred začatím štúdia fenoménu elektromagnetickej indukcie je potrebné pochopiť, čo je magnetické pole. rozprávanie jednoducho povedané Magnetické pole je oblasť priestoru, v ktorej magnetický materiál prejavuje svoje magnetické účinky a vlastnosti. Táto oblasť priestoru môže byť znázornená pomocou čiar nazývaných magnetické siločiary. Počet týchto riadkov predstavuje fyzikálne množstvo, ktorá sa volá magnetický tok. Magnetické siločiary sú uzavreté, začínajú na severnom póle magnetu a končia na južnom.

Magnetické pole má schopnosť pôsobiť na akékoľvek materiály, ktoré majú magnetické vlastnosti, napríklad na železné vodiče elektrického prúdu. Toto pole je charakterizované magnetickou indukciou, ktorá sa označuje B a meria sa v tesle (T). Magnetická indukcia 1 T je veľmi silné magnetické pole, ktoré pôsobí silou 1 newton na bodový náboj 1 coulomb, ktorý letí kolmo na siločiary magnetického poľa rýchlosťou 1 m/s, teda 1 T. = 1N*s/(m*Cl).

Kto objavil fenomén elektromagnetickej indukcie?

Elektromagnetická indukcia, na princípe ktorej fungujú mnohé moderné zariadenia, bola objavená začiatkom 30. rokov 19. storočia. Objav indukcie sa zvyčajne pripisuje Michaelovi Faradayovi (dátum objavu - 29. august 1831). Vedec vychádzal z výsledkov experimentov dánskeho fyzika a chemika Hansa Oersteda, ktorý zistil, že vodič, ktorým preteká elektrický prúd, vytvára okolo seba magnetické pole, čiže začína vykazovať magnetické vlastnosti.

Faraday zase objavil opak javu, ktorý objavil Oersted. Všimol si, že meniace sa magnetické pole, ktoré môže byť vytvorené zmenou parametrov elektrického prúdu vo vodiči, vedie k vzniku rozdielu potenciálov na koncoch akéhokoľvek vodiča prúdu. Ak sú tieto konce spojené napríklad cez elektrickú lampu, potom bude cez takýto obvod prúdiť elektrický prúd.

V dôsledku toho Faraday objavil fyzikálny proces, v dôsledku čoho sa vo vodiči objaví elektrický prúd v dôsledku zmeny magnetického poľa, čo je jav elektromagnetickej indukcie. Zároveň pri vytváraní indukovaného prúdu nezáleží na tom, čo sa pohybuje: magnetické pole alebo samotné sa dá ľahko ukázať, ak sa vykoná vhodný experiment na fenoméne elektromagnetickej indukcie. Takže po umiestnení magnetu do kovovej špirály s ním začneme pohybovať. Ak pripojíte konce špirály cez akýkoľvek indikátor elektrického prúdu do obvodu, môžete vidieť vzhľad prúdu. Teraz by ste mali nechať magnet na pokoji a pohybovať špirálou nahor a nadol vzhľadom na magnet. Indikátor tiež ukáže existenciu prúdu v obvode.

Faradayov experiment

Faradayove experimenty pozostávali z práce s dirigentom a permanentný magnet. Michael Faraday prvýkrát objavil, že keď sa vodič pohybuje vo vnútri magnetického poľa, na jeho koncoch vzniká potenciálny rozdiel. Pohybujúci sa vodič začne pretínať čiary magnetického poľa, čo simuluje efekt zmeny tohto poľa.

Vedec zistil, že pozitívne a negatívne znaky výsledný potenciálny rozdiel závisí od smeru, ktorým sa vodič pohybuje. Napríklad, ak je vodič zdvihnutý v magnetickom poli, potom výsledný potenciálny rozdiel bude mať +- polaritu, ale ak je tento vodič znížený, potom už dostaneme -+ polaritu. Tieto zmeny znamienka potenciálov, ktorých rozdiel sa nazýva elektromotorická sila (EMF), vedú k vzniku striedavého prúdu v uzavretom okruhu, to znamená prúdu, ktorý neustále mení svoj smer opačný.

Vlastnosti elektromagnetickej indukcie objavené Faradayom

Keď vieme, kto objavil fenomén elektromagnetickej indukcie a prečo vzniká indukovaný prúd, vysvetlíme niektoré črty tohto javu. Takže čím rýchlejšie pohybujete vodičom v magnetickom poli, tým väčšia bude hodnota indukovaného prúdu v obvode. Ďalšou črtou tohto javu je: čím väčšia je magnetická indukcia poľa, to znamená, čím silnejšie je toto pole, tým väčší potenciálny rozdiel môže vytvoriť pri pohybe vodiča v poli. Ak je vodič v pokoji v magnetickom poli, nevzniká v ňom EMF, pretože nedochádza k žiadnej zmene v čiarach magnetickej indukcie prechádzajúcich vodičom.

Smer elektrického prúdu a pravidlo ľavej ruky

Na určenie smeru vo vodiči elektrického prúdu vytvoreného v dôsledku javu elektromagnetickej indukcie môžete použiť takzvané pravidlo ľavej ruky. Možno ho formulovať takto: ak ľavá ruka umiestnite tak, aby čiary magnetickej indukcie, ktoré začínajú na severnom póle magnetu, vstupovali do dlane a vyčnievali palec nasmerovať v smere pohybu vodiča v poli magnetu, potom zvyšné štyri prsty ľavej ruky naznačia smer pohybu indukovaného prúdu vo vodiči.

Existuje aj iná verzia tohto pravidla, a to takto: ak ukazovák nasmerujte ľavú ruku pozdĺž čiar magnetickej indukcie a nasmerujte vyčnievajúci palec v smere vodiča, potom prostredník otočený o 90 stupňov k dlani ukáže smer prúdu, ktorý sa objavil vo vodiči.

Fenomén samoindukcie

Hans Christian Oersted objavil existenciu magnetického poľa okolo vodiča alebo cievky s prúdom. Vedec tiež zistil, že vlastnosti tohto poľa priamo súvisia so silou prúdu a jeho smerom. Ak je prúd v cievke alebo vodiči premenlivý, potom vytvorí magnetické pole, ktoré nebude stacionárne, to znamená, že sa zmení. Toto striedavé pole zase povedie k vzniku indukovaného prúdu (fenomén elektromagnetickej indukcie). Pohyb indukčného prúdu bude vždy opačný ako striedavý prúd cirkulujúci cez vodič, to znamená, že bude odolávať každej zmene smeru prúdu vo vodiči alebo cievke. Tento proces sa nazýva samoindukcia. Rozdiel v elektrickom potenciáli vytvorený v tomto prípade sa nazýva samoindukčný EMF.

Všimnite si, že fenomén samoindukcie nastáva nielen pri zmene smeru prúdu, ale aj pri akejkoľvek jeho zmene, napríklad pri zvýšení v dôsledku zníženia odporu v obvode.

Na fyzikálny opis odporu vyvolaného akoukoľvek zmenou prúdu v obvode v dôsledku samoindukcie bol zavedený pojem indukčnosti, ktorý sa meria v Henry (na počesť amerického fyzika Josepha Henryho). Jeden henry je taká indukčnosť, pre ktorú, keď sa prúd zmení o 1 ampér za 1 sekundu, vzniká EMF v procese samoindukcie, ktorá sa rovná 1 voltu.

Striedavý prúd

Keď sa induktor začne otáčať v magnetickom poli, v dôsledku javu elektromagnetickej indukcie vytvára indukovaný prúd. Tento elektrický prúd je premenlivý, to znamená, že systematicky mení svoj smer.

Striedavý prúd je bežnejší ako jednosmerný prúd. Mnoho zariadení, ktoré pracujú z centrálnej elektrickej siete, teda používa tento konkrétny typ prúdu. Striedavý prúd sa ľahšie indukuje a prenáša ako jednosmerný prúd. Frekvencia striedavého prúdu v domácnosti je spravidla 50-60 Hz, to znamená, že za 1 sekundu sa jeho smer zmení 50-60 krát.

Geometrické znázornenie striedavého prúdu je sínusová krivka, ktorá popisuje závislosť napätia od času. Celá perióda sínusovej krivky pre prúd v domácnosti je približne 20 milisekúnd. Podľa tepelného účinku je striedavý prúd podobný jednosmernému prúdu, ktorého napätie je U max /√2, kde U max je maximálne napätie na sínusovej krivke striedavého prúdu.

Využitie elektromagnetickej indukcie v technológii

Objav fenoménu elektromagnetickej indukcie spôsobil skutočný rozmach vo vývoji technológie. Pred týmto objavom boli ľudia schopní vyrábať elektrinu v obmedzené množstvá len s elektrickými batériami.

Toto je momentálne fyzikálny jav použité v elektrické transformátory, v ohrievačoch, ktoré premieňajú indukovaný prúd na teplo, ako aj v elektromotoroch a generátoroch automobilov.