Описание явления самоиндукции: суть явления, пояснение на примерах
Направление возникающего при самоиндукции тока определяется по правилу Ленца.
Кратко опишем процесс появления самоиндукции в проводнике. Возьмем простой замкнутый контур, состоящий из катушки, двух ламп накаливания и источника тока.
Если подключить схему к источнику, можно наблюдать, как при замыкании цепи лампа за катушкой будет загораться позже другой лампы. При размыкании цепи лампа за катушкой также потухнет позже.
После замыкания ключа по цепи начинает проходить ток, при этом сила тока будет постепенно нарастать в течение некоторого времени. В результате через витки катушки начинает проходить равномерный магнитный поток, также нарастающий со временем.
По закону электромагнитной индукции под действием меняющегося во времени магнитного поля образуется вихревое поле и, следовательно, индукционный ток. По правилу Ленца направление индукционного тока будет противоположным направлению тока источника, именно по этой причине лампа загорается не сразу после замыкания ключа.
Теперь отключим источник тока. Сила тока в цепи начнет убывать, как и магнитный поток, проходящий через обмотку катушки. Индукционный ток при этом будет сонаправлен с током источника. Лампа, находящаяся за катушкой, потухнет спустя некоторое время после размыкания ключа.
При резком размыкании цепи можно столкнуться с таким явлением, как скачок тока. Значение величины ЭДС самоиндукции в этот момент может значительно превышать ЭДС источника энергии.
Резкое возрастание тока в цепи при ее размыкании находит применение в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания и сетевых фильтрах (с помощью явления самоиндукции сглаживаются скачки напряжения и заполняются «провалы»).
Работа Э. Ленца
Направленность индукционного тока предоставляет возможность определить правило Ленца. Краткая формулировка звучит достаточно просто. Появляющийся при изменении показателей поля проводникового контура ток, препятствует благодаря своему магнитному полю такому изменению.
Если в катушку постепенно вводить магнит, в ней повышается уровень магнитного потока. Согласно правилу Ленца, магнитное поле будет иметь направление противоположное увеличению поля магнита. Чтобы понять эту направленность, необходимо смотреть на магнит с северной стороны. Отсюда будет вкручиваться буравчик навстречу северному полюсу. Ток будет перемещаться в сторону движения часовой стрелки.
Если магнит выводится из системы, магнитный поток в ней уменьшится. Чтобы установить направление тока, выкручивается буравчик. Вращения будет направлено в обратную сторону перемещения по циферблату часовой стрелки.
Формулировки Ленца приобретают большое значение для системы с контуром замкнутого типа и отсутствующим сопротивлением. Его принято именовать идеальным контуром. По правилу Ленца, в нем невозможно увеличить или уменьшить магнитный поток.
ЭДС индукции. Закон электромагнитной индукции
Выше рассмотренные опыты показали, что в замкнутом контуре возникает индукционный ток при изменении магнитного потока, пронизывающего поверхность, ограниченную контуром. Как известно, ток в проводнике возникает в том случае, если на свободные заряды проводника действуют сторонние силы. Работу этих сил при перемещении единичного заряда вдоль замкнутого проводника называют электродвижущей силой. Следовательно, при изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, в нем появляются сторонние силы (природу их выясним ниже: ЭДС индукции в движущихся проводниках), действие которых характеризуется ЭДС, называемой ЭДС индукции
Как показывает опыт, значение индукционного тока (а значит, и \(~\varepsilon_i\)) не зависит от причины изменения магнитного потока (изменяется ли площадь, ограниченная контуром, или его ориентация в пространстве, изменяется ли индукция магнитного поля при перемещении его источников или за счет изменения среды и т.д.). Существенное
значение имеет лишьскорость изменения магнитного потока \(~\frac {\Delta \Phi}{\Delta t}\) (так, стрелка гальванометра в опытах Фарадея отклоняется тем больше, чем быстрее вдвигается магнит в катушку). \(~ \mathcal h \varepsilon_i \mathcal i = -\frac {\Delta \Phi}{\Delta t}. \qquad (1)\) Эта формула выражает закон Фарадея для электромагнитной индукции:
среднее значение ЭДС индукции в проводящем контуре пропорционально скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограничен ную контуром. Мгновенное значение ЭДС индукции равно взятой с противоположным знаком первой производной от магнитного потока по времени, т.е.
\(~\mathcal h \varepsilon_i \mathcal i = {\Phi}'(t)\).
Советуем изучить Термосопротивление
Знак «-» учитывает правило Ленца, согласно которому при увеличении магнитного потока \(~(\frac {\Delta \Phi}{\Delta t} > 0)\) ЭДС индукции отрицательная \(~(\varepsilon_i 0)\).
Сила индукционного тока в замкнутом контуре рассчитывается по закону Ома\ где R
— сопротивление контура.
Индукционный ток возникает не только в линейных проводниках, но и в массивных сплошных проводниках, помещенных в переменное магнитное поле. В соответствии с законом электромагнитной индукции любые изменения магнитного потока, пронизывающего проводящее тело, сопровождаются возникновением в нем индукционных токов. Эти токи оказываются замкнутыми в толще проводника и поэтому называются вихревыми (а также токами Фуко)
. Токи Фуко, как и индукционные токи в линейных проводниках, подчиняются правилу Ленца: их магнитное поле направлено так, чтобы противодействовать изменению магнитного потока, индуцирующего вихревые токи. Токи Фуко можно обнаружить на опыте с маятником (проводящей пластиной), колеблющемся в зазоре между полюсами электромагнита. До включения маятник совершает практически незатухающие колебания. При пропускании тока через катушку электромагнита маятник испытывает сильное торможение и очень быстро останавливается. Торможение маятника объясняется действием магнитного поля на индукционные токи, возникающие в пластине при ее движении в магнитном поле. Если в пластине сделать разрезы, то вихревые токи ослабляются и торможение почти отсутствует. Этот факт торможения используется для успокоения подвижных частей различных приборов.
Токи Фуко вызывают нагревание проводников (якоря генераторов и сердечников трансформаторов), выделяемая токами Фуко теплота используется в индукционных металлургических печах и в других случаях.
По закону Фарадея (1) определяется ЭДС индукции, возникающая и в движущемся проводнике, и в неподвижном (см. опыты, описанные в разделе Электромагнитная индукция). Но механизм происхождения ЭДС индукции в этих случаях различен.
Чем отличается ЭДС от напряжения
Интересно многие сразу поняли, в чем разница между ЭДС и напряжением? И никого не поправлял учитель (учительница) по физике, когда на практических занятиях говорил (-ла) о том, что мы подключаем именно источник ЭДС, а не напряжения? В большинстве случаев мы с вами путались, потому что и ЭДС, и напряжение измеряется в Вольтах. Так давайте все-таки разберемся, чем принципиально отличается ЭДС от напряжения.
Итак, для начала давайте разберемся, что такое ЭДС
. Электродвижущая сила (ЭДС) — это такая физическая величина, которая характеризует работу сторонних (не потенциальных) сил в источниках переменного либо же постоянного тока.
В замкнутой цепи ЭДС — это работа сил, совершаемая для перемещения единичного заряда вдоль всего контура.
Из выше представленного определения вытекает следующее: источниками ЭДС являются силы, которые не имеют прямое отношение к электростатике, но при этом они являются силами, которые создают движение заряда в замкнутой электрической цепочке.
Например, при механическом вращении обмотки ротора в электромагнитном поле, в ней будет формироваться индукционная ЭДС. При этом формирование ЭДС будет проходить в каждом витке отдельно, но при этом электродвижущая сила соседних витков будет складываться, и на выходе мы будем иметь сумму ЭДС всех витков.
Если посмотреть на аккумуляторные батареи, то в них источником ЭДС является химическая реакция.
Кроме этого источниками могут выступать так называемые элементы Пельтье, в которых ЭДС образуется при термическом нагреве.
Пьезоэффект (когда при механическом воздействии на материал на его концах образуется разность потенциалов) также относится к источникам ЭДС. Впрочем, как и фотоэффект.
Из выше представленных примеров видно, что, применяя различные материалы и способы их взаимодействия, можно получить ЭДС, способную организовать упорядоченное движение заряженных частиц в замкнутом контуре.
Условно принято считать, что ЭДС — это работа в 1 Джоуль, совершаемая при перемещении заряда в 1 Кулон и измеряется в Вольтах.
ЭДС = 1Джоуль/1Кулон= 1 Вольт
Ну а теперь давайте переключим свое внимание на напряжение
Закон Фарадея
Явление электромагнитной индукции определяется возникновением электрического тока в замкнутом электропроводящем контуре при изменении магнитного потока через площадь этого контура.
Основной закон Фарадея заключается в том, что электродвижущая сила (ЭДС) прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока.
Формула закона электромагнитной индукции Фарадея выглядит следующим образом:
Рис. 2. Формула закона электромагнитной индукции
И если сама формула, исходя из вышесказанных объяснений не порождает вопросов, то знак «-» может вызвать сомнения. Оказывается существует правило Ленца – русского ученого, который проводил свои исследования, основываясь на постулатах Фарадея. По Ленцу знак «-» указывает на направление возникающей ЭДС, т.е. индукционный ток направлен так, что магнитный поток, который он создает, через площадь, ограниченную контуром, стремится препятствовать тому изменению потока, которое вызывает данный ток.
Основные понятия и законы электростатики
Закон Кулона:сила взаимодействия двух точечных неподвижных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:
Коэффициент пропорциональности в этом законе
В СИ коэффициент k записывается в виде
Потенциалом электрического поля называют отношение потенциальной энергии заряда в поле к этому заряду:
Проекция напряжённости электрического поля на какую-нибудь ось и потенциал связаны соотношением
Электроёмкостью тела называют величину отношения
Основные понятия и законы постоянного тока
Электрический ток — направленное движение электрических зарядов. В разных веществах носителями заряда выступают элементарные частицы разного знака. За положительное направление тока принято направление движения положительных зарядов. Количественно электрический ток характеризуют его силой. Это заряд, прошедший за единицу времени через поперечное сечение проводника:
Закон Ома для участка цепи имеет вид:
При параллельном соединении величина, обратная сопротивлению, равна сумме обратных сопротивлений:
где t — время, I — сила тока, U — разность потенциалов, q — прошедший заряд.Закон Джоуля-Ленца:
Основные понятия и законы магнитостатики
Характеристикой магнитного поля является магнитная индукция ➛B. Поскольку это вектор, то следует определить и направление этого вектора, и его модуль. Направление вектора магнитной индукции связано с ориентирующим действием магнитного поля на магнитную стрелку. За направление вектора магнитной индукции принимается направление от южного полюса S к северному N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле. Направление вектора магнитной индукции прямолинейного проводника с токам можно определить с помощью правила буравчика:если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения рукоятки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции. Модулем вектора магнитной индукции назовём отношение максимальной силы, действующей со стороны магнитного поля на участок проводника с током , к произведению силы тока на длину этого участка:
Основные понятия и законы электромагнитной индукции
Если замкнутый проводящий контур пронизывается меняющимся магнитным потоком, то в этом контуре возникает ЭДС и электрический ток. Эту ЭДС называют ЭДС электромагнитной индукции, а ток — индукционным. Явление их возникновения называют электромагнитной индукцией. ЭДС индукции можно подсчитать по основному закону электромагнитной индукции или по закону Фарадея:
Электромагнитные колебания и волны
Колебательным контуром называется электрическая цепь, состоящая из последовательно соединённых конденсатора с ёмкостью C и катушки с индуктивностью L (см. рис. 7).
Для свободных незатухающих колебаний в контуре циклическая частота определяется формулой
Период свободных колебаний в контуре определяется формулой Томсона:
Ток, текущий через катушку индуктивности, по фазе отстаёт от напряжения на π/2 или на четверть периода. Напряжение опережает ток на такой же фазовый угол.
Трансформатором называется устройство, предназначенное для преобразования переменных токов. Трансформатор состоит из замкнутого стального сердечника, на который надеты две катушки. Катушка, которая подключается к источнику переменного напряжения, называется первичной обмоткой, а катушка, которая подключается к потребителю, называется вторичной обмоткой. Отношение напряжения на первичной обмотке и вторичной обмотке трансформатора равно отношению числа витков в этих обмотках:
Сторонние электродвижущие силы
Поместим проводник в электростатическое поле. Рассмотрим процессы, которые будут там происходить:
- В начальный момент времени при воздействии электрического поля положительные заряды проводника станут двигаться из мест с большим потенциалом в места с меньшим потенциалом. Отрицательные заряды при этом двигаются в противоположном направлении.
- Противоположные концы проводника будут накапливать положительные и отрицательные заряды.
- В конце концов, поле индуцированных зарядов будет полностью компенсировать в объеме проводника внешнее поле, и ток остановится, система придет в электростатическое равновесие.
Выключим внешнее поле:
- Сохранится только поле индуцированных зарядов, появится ток, который связан с их нейтрализацией.
- По прошествии некоторого времени и данный ток прекратится.
Вывод: электростатическое поле не способно поддерживать в проводнике неизменный электрический ток. Для создания постоянного тока следует препятствовать установлению в проводнике электростатического равновесия. Что требует выполнения работы против сил электрического поля, которые стремятся уровнять все потенциалы поля всех точек в проводнике.
Готовые работы на аналогичную тему
- Курсовая работа Физический смысл электродвижущей силы 450 руб.
- Реферат Физический смысл электродвижущей силы 280 руб.
- Контрольная работа Физический смысл электродвижущей силы 230 руб.
Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту Узнать стоимость Данная работа может быть выполнена исключительно за счет сил, не относящихся к электростатическим. В этой связи, силы, поддерживающие электрический ток постоянным, называют сторонними электродвижущими силами (ЭДС).
Сторонние ЭДС могут обладать любой природой, например: механической; электромагнитной; * химической и т. д.
Определение 1
Приспособления для создания сторонних сил называют источниками ЭДС.
Мерой возможностей источников ЭДС порождать электрический ток является электродвижущая сила ($Ɛ$).
Определение 2
Электродвижущая сила соответствует работе, которую выполняют сторонние силы источника, двигая единичный положительный заряд внутри источника от полюса со знаком минус к положительному полюсу.
$Ɛ=\frac{A_{st}}{q}$.
Направлением ЭДС считают направление перемещения положительных зарядов внутри источника (от отрицательного полюса к положительному).
Лень читать?
Задай вопрос специалистам и получи ответ уже через 15 минут!
Задать вопрос
Если в исследуемом контуре источник ЭДС один, то направлением ЭДС можно считать направление течения тока в данном контуре.
Закон Ома для полной цепи
Любой источник тока обладает своим сопротивлением , которое называется внутренним сопротивлением
этого источника. Таким образом, источник тока имеет две важных характеристики: ЭДС и внутреннее сопротивление.
Пусть источник тока с ЭДС, равной , и внутренним сопротивлением подключён к резистору (который в данном случае называется внешним резистором
, иливнешней нагрузкой , илиполезной нагрузкой ). Всё это вместе называетсяполной цепью (рис. 2 ).
Рис. 2. Полная цепь
Наша задача — найти силу тока в цепи и напряжение на резисторе .
За время по цепи проходит заряд . Согласно формуле (1) источник тока совершает при этом работу:
Так как сила тока постоянна, работа источника целиком превращается в теплоту, которая выделяется на сопротивлениях и . Данное количество теплоты определяется законом Джоуля–Ленца:
Итак, , и мы приравниваем правые части формул (2) и (3) :
После сокращения на получаем:
Вот мы и нашли ток в цепи:
Формула (4) называется законом Ома для полной цепи
Если соединить клеммы источника проводом пренебрежимо малого сопротивления , то получится короткое замыкание
. Через источник при этом потечёт максимальный ток —ток короткого замыкания :
Из-за малости внутреннего сопротивления ток короткого замыкания может быть весьма большим. Например, пальчиковая батарейка разогревается при этом так, что обжигает руки.
Зная силу тока (формула (4) ), мы можем найти напряжение на резисторе с помощью закона Ома для участка цепи:
Это напряжение является разностью потенциалов между точками и (рис. 2 ). Потенциал точки равен потенциалу положительной клеммы источника; потенциал точки равен потенциалу отрицательной клеммы. Поэтому напряжение (5) называется также напряжением на клеммах источника
Мы видим из формулы (5) , что в реальной цепи будет — ведь умножается на дробь, меньшую единицы. Но есть два случая, когда .
1. Идеальный источник тока
. Так называется источник с нулевым внутренним сопротивлением. При формула (5) даёт .
2. Разомкнутая цепь
. Рассмотрим источник тока сам по себе, вне электрической цепи. В этом случае можно считать, что внешнее сопротивление бесконечно велико: . Тогда величина неотличима от , и формула (5) снова даёт нам .
Смысл этого результата прост: если источник не подключён к цепи, то вольтметр, подсоединённый к полюсам источника, покажет его ЭДС
Как определить направление магнитного потока в катушке с током
«Физика — 11 класс»
Направление индукционного тока
Направление индукционного тока, возникающего в катушке, зависит от того, приближается магнит к катушке или удаляется от нее.
Возникающий индукционный ток может притягивать или отталкивать магнит, т.к. катушка становится подобной магниту с двумя полюсами — северным и южным. На основе закона сохранения энергии можно предсказать, в каких случаях катушка будет притягивать магнит, а в каких отталкивать его.
Взаимодействие индукционного тока катушки с магнитом.
В чем состоит различие двух опытов: приближение магнита к катушке и его удаление?
Если магнит приближать к катушке
Число линий магнитной индукции, пронизывающих витки катушки, или, что то же самое, магнитный поток, увеличивается. Катушка становится подобной магниту, обращенному одноименным полюсом к приближающемуся к ней магниту. Линии индукции
‘ магнитного поля, созданного возникшим в катушке индукционным током, выходят из верхнего конца катушки. В катушке появляется индукционный ток такого направления, что магнит обязательно отталкивается. Для сближения магнита и катушки нужно совершить положительную работу.
Если магнит удалять от катушки
Число линий магнитной индукции, пронизывающих витки катушки, или, что то же самое, магнитный поток, уменьшается. Линии индукции
‘ магнитного поля, созданного возникшим в катушке индукционным током, входят в верхний конец катушки. Катушка с током становится аналогична магниту, северный полюс которого находится снизу. В катушке возникает ток такого направления, что проявляется притягивающая магнит сила.
Аналогично можно рассмотреть опыт, когда на концах стержня, который может свободно вращаться вокруг вертикальной оси, закреплены два проводящих алюминиевых кольца (одно из них с разрезом).
С разрезанным кольцом магнит не взаимодействует, так как разрез препятствует возникновению в кольце индукционного тока. Отталкивает или притягивает другое кольцо магнит, зависит от направления индукционного тока, возникающего в кольце. Поэтому закон сохранения энергии позволяет сформулировать правило, определяющее направление индукционного тока.
Правило Ленца
Существует правило, позволяющее определить направление индукционного тока, которое было установлено русским физиком Э. X. Ленцем:
Возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван.
или более кратко:
Индукционный ток направлен так, чтобы препятствовать причине, его вызывающей.
При увеличении магнитного потока через витки катушки индукционный ток имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует усилению магнитного потока через витки катушки. Ведь линии индукции
‘ этого поля направлены против линий индукции поля, изменение которого порождает электрический ток. Если же магнитный поток через катушку ослабевает, то индукционный ток создает магнитное поле с индукцией ‘ увеличивающее магнитный поток через витки катушки.
Применение правила Ленца:
1. Определить направление линий магнитной индукции
внешнего магнитного поля.
2. Выяснить, увеличивается ли поток вектора магнитной индукции этого поля через поверхность, ограниченную контуром (ΔФ > 0), или уменьшается (ΔФ 0 и иметь одинаковое с ними направление при ΔФ По следам «английских ученых»
Источник
Чему равно ЭДС индукции?
Для определения величины возникающей ЭДС рассмотрим контур помещенный в однородное магнитное поле с индукцией В, по данному контуру свободно может перемещаться проводник длиной l.
Под действием силы F проводник начинает двигаться со скоростью v. За некоторое время ∆t проводник пройдёт путь db. Таким образом, затрачиваемая работа на перемещение проводника составит
Так как проводник состоит из заряженных частиц – электронов и протонов, то они также движутся вместе с проводником. Как известно на движущуюся заряженную частицу действует сила Лоренца, которая перпендикулярна к направлению движения частицы и к вектору магнитной индукции В, то есть электроны начинают двигаться вдоль проводника приводя к возникновению электрического тока в нём.
Однако на проводник с током в магнитном поле действует некоторая сила Fт, которая в соответствии с правилом левой руки будет противоположна действию силы F, за счёт которой проводник движется. Так как проводник движется равномерно, то есть с постоянной скоростью, то силы Fт и F равны по абсолютному значению
где В – индукция магнитного поля,
I – сила тока в проводника, возникающая по действием ЭДС индукции,
l – длина проводника.
Так как путь db пройденный проводником зависит от скорости v и времени t, то работа, затрачиваемая на перемещения проводника, в магнитном поле составит
При перемещении проводника в магнитном поле практически вся затрачиваемая на эту работу механическая энергия переходит в электрическую энергию, то есть
Таким образом, преобразовав последнее выражение, получим значение ЭДС индукции при движении прямолинейного проводника в магнитном поле
где В – индукция магнитного поля,
l – длина проводника,
v – скорость перемещения проводника.
Данное выражение соответствует движению проводника перпендикулярно линиям магнитной индукции. Если происходит движение под некоторым углом к линиям магнитной индукции, то выражение приобретает вид
На практике достаточно трудно посчитать скорость перемещения проводника, поэтому преобразуем выражение к следующему виду
где dS – площадка, которую пересекает проводник при своём движении,
dΦ – магнитный поток пронизывающий площадку dS.
Таким образом, ЭДС индукции равна скорости изменения магнитного потока, который пронизывает контур.
Для обозначения направления движения тока в контуре вводят знак «–», который указывает, что ток в контуре направлен против положительного обхода контура. Таким образом
Зачастую в магнитном поле движется контур, состоящий из множества витков провода, поэтому ЭДС индукции будет иметь вид
где w – количество витков в контуре,
dΨ = wdΦ – элементарное потокосцепление.
Перефразируя предыдущее определение, ЭДС индукции в контуре равна скорости изменения потокосцепления этого контура.
