Електромагнітна індукція - малюнок

Електромагнітна індукція — опис, значення, застосування



При зміні струму в електричному ланцюзі виникає магнітне поле. Причиною цього є електромагнітна індукція. Це явище широко застосовується на практиці.

У статті розповідається про те, що таке електромагнітна індукція та які її основні закономірності.

Явище електромагнітної індукції

При зміні струму відбувається утворення магнітного поля. Це явище, своєю чергою, впливає на рух електронів.

Якщо розглядати одиничний провід, розташований прямо, то він буде створювати поле, напрямок силових ліній якого йде по колу в перпендикулярній йому площині.

Якщо в магнітному полі відбуваються зміни, то це збільшує або послаблює силу струму, який проходить по провіднику. Напрямок зміни залежить від того, як змінюється поле. Це явище дозволяє перетворювати електричну енергію в механічну або навпаки.

Майкл Фарадей
Майкл Фарадей

Вчений, якому належить заслуга відкриття взаємодії електричного і магнітного полів — Майкл Фарадей.

Були проведені досліди, які показали, що зміна магнітного поля здатна породжувати рух електронів. Це явище згодом назвали індукційним струмом.

Досліди, виконані цим вченим, виглядають наступним чином:

  • Фарадей зробив котушку з порожнистою серединою. Далі він її кінці з’єднав з гальванометром. Потім взяв в руки магніт і помістив його всередину котушки. Якщо його всувати або висувати, то на гальванометрі відхиляється стрілка, доводячи наявність струму. Чим швидше виконуваний рух, тим вище його сила. Аналогічний ефект буде досягнутий, якщо магніт буде нерухомий, але буде переміщатися соленоїд.
  • У наступному досліді були використані дві котушки. Велика підключена до гальванометра, а друга – до джерела. Одна з котушок була настільки вузькою, щоб могла проходити всередину іншої. Якщо її помістити туди і кілька разів включити і вимкнути струм, то на гальванометрі стрілка відхилиться, показуючи наявність струму.
  • Якщо взяти два соленоїди під струмом і один з них посувати поруч з іншим, то в них також виникне рух електронів.

При проведенні таких дослідів швидший рух створює сильніший рух електронів.

Одночасно з Фарадеєм аналогічні дослідження здійснив Джозеф Генрі, проте він опублікував свої результати пізніше.

Фарадей

Пояснення явища

Рух носіїв заряду – електронів – відбувається в тому випадку, коли на них діє електрорушійна сила, створювана різницею потенціалів.

Виникнення струму під дією зміни магнітного поля відбувається через те, що воно створює таку силу, яка має назву ЕРС індукції. Хоча явище індуктивності було виявлено Фарадеєм, він не дав йому теоретичного пояснення.

Теорія електромагнітного поля у фізиці була створена Максвеллом в 1861 році.

Цьому явищу притаманні наступні риси:

  • джерелом руху електронів є змінне магнітне поле;
  • його наявність можна виявити по виробленому впливу на електричні заряди;
  • це поле не є потенційним;
  • силові лінії поля являють собою замкнуті криві.

Робота магнітного поля виражається в створенні електрорушійної сили для електронів.

Виникнення струму в котушці

Закон електромагнітної індукції Фарадея

Основною характеристикою магнітного поля є магнітний потік. Візуально його можна уявити, як силові лінії, що пронизують перпендикулярну плоску фігуру, обмежену замкнутою лінією. Ці лінії виражають вектор магнітної індукції.

Добуток модуля цієї величини на площу для рівномірного і однорідного магнітного поля дорівнює потоку поля через розглянутий контур.

При розгляді складного поля, фігуру розбивають на невеликі ділянки, в яких поле рівномірне і підсумовують значення для кожного з них. Для обчислення, в таких випадках, використовуються методи диференціального та інтегрального обчислення.

Електромагнітна індукція вимірюється в Тесла (Тл). Ця одиниця отримала свою назву на честь великого вченого-фізика.

Закон Фарадея кількісно описує вплив магнітного поля на рух електронів. Він стверджує наступне:

  • швидкість зміни потоку електромагнітного поля дорівнює породжуваній ним електрорушійній силі, що впливає на електрони і створює струм.

Потрібно зауважити, що коли магнітне поле породжується зміною сили струму, то електрорушійна сила, що виникає, впливає на нього протилежним чином. Це можна прояснити на такому прикладі.

Якщо розглядається провід, і в ньому збільшується сила струму, то це створює магнітне поле. Воно, своєю чергою, створює ЕРС, яка перешкоджає збільшенню.

Електромагнітна індукція - визначення

Правило Ленца

Це правило дає можливість правильно визначити напрямок індукційного струму в різних ситуаціях. Воно формулюється наступним чином: напрямок струму, що породжений індукцією, створює таку зміну магнітного потоку, що перешкоджає зміні зовнішнього поля, завдяки якому воно виникло.

Це можна пояснити на наступному прикладі. Буде розглянута ситуація, коли зовнішнє магнітне поле з часом буде зростати, а його силові лінії спрямовані вгору.

Це відбудеться, наприклад, в тій ситуації, коли знизу до контуру, розташованого горизонтально, буде наближатися магніт так, щоб його Північний полюс був звернений вгору. В цьому випадку магнітний потік буде збільшуватися, створюючи електрорушійну силу.

У контурі буде створений індукційний струм. Він буде таким, щоб магнітні силові лінії були протилежними стосовно тих, які характеризують початкове. Тепер можна визначити напрямок індукційного струму в контурі.

Як відомо, якщо дивитися з боку створюваного поля, то він буде спрямований за годинниковою стрілкою. Тобто, якщо дивитися зверху, напрямок буде проти нього.

На цьому прикладі можна побачити, як за допомогою правила Ленца можна визначити напрямок магнітного поля і індукційного струму.

Суть явища електромагнітної індукції

Самоіндукція

У цьому випадку розглядається ситуація, коли зміна руху електронів породжує ЕРС, що викликає індукційний струм в цьому ж провіднику.

Взявши за основу правило Ленца, можна стверджувати, що він має напрямок, протилежний первісній зміні.

Самоіндукція схожа на явище інерції. Важке тіло неможливо зупинити миттєво. Також не можна змінити силу струму за одну мить до потрібної величини через наявність явища самоіндукції.

Цю властивість можна продемонструвати наступним дослідом. Потрібно зробити два електричні ланцюги. В одному з них є джерело і лампочка. Інший зроблений аналогічним чином, але відмінність полягає в тому, що в ланцюг додана котушка.

У першому ланцюзі після включення лампочка загоряється відразу. У другому, враховуючи наявність індуктивного елемента, це відбувається з помітним запізненням.

Після розмикання світло в першій лампочці відключається практично миттєво, а в другій це відбувається уповільнено. Важливо відзначити, що в процесі виключення індукційний струм може перевищити початковий. Оскільки в цій ситуації він спрямований також, як і робочий, то сила струму може зрости. У деяких ланцюгах це може викликати перегорання лампочки.

Напрямок індукційного струму

Індуктивність

Провідник, через який проходить змінний струм, здатний накопичувати енергію шляхом використання магнітного поля. У прямолінійного відрізка дроту ця здатність має незначну величину.

Однак, якщо мова йде про котушку, то її величина набагато сильніше. Ця характеристика називається індуктивністю. Вона позначається як “L” і грає важливу роль при визначенні різних характеристик електромагнітного поля.

Магнітний потік в певному контурі можна виразити за допомогою формули

Ф = L* I

а електрорушійну силу у вигляді

E = L* (dI/dt)

Струм, що проходить через контур, здатний створити електромагнітне поле, причому воно буде тим сильніше, чим швидше будуть відбуватися його зміни.

На практиці для збільшення індуктивності котушки використовують вставлені всередину стрижні з феромагнетика.

Електромеханічний генератор

Енергія магнітного поля

Електричний струм створює магнітне поле. При цьому він витрачає певну енергію. Її величина дорівнює тій роботі, яка була витрачена на створення поля. Вона обчислюється за такою формулою:

Енергія магнітного поля - формула

Тут використовувалися такі позначення:

  • W – енергія магнітного поля;
  • L – індуктивність;
  • I – сила струму.

Якщо магнітне поле з якоїсь причини пропаде, то його енергія виділиться в тій чи іншій формі.

Застосування електромагнітної індукції

Це явище активно застосовується в різних сферах життя людського суспільства.

Далі буде наведено кілька найбільш відомих прикладів:

  • радіомовлення неможливе без використання явища електромагнітної індукції;
  • у медицині магнітотерапія є одним з ефективних методів лікування;
  • при фундаментальних дослідженнях для розгону елементарних частинок застосовуються синхрофазотрони, робота яких заснована на явищі індуктивності;
  • лічильники електрики, що застосовуються в побуті для її обліку, використовують розглянуте явище;
  • для того, щоб передавати вироблену електростанціями електричну енергію на великі відстані, застосовуються трансформатори, робота яких побудована на використанні електромагнітної індукції;
  • у металургії для плавки металу застосовуються індукційні печі.

Використання цього явища дуже широко поширене. Наведені приклади є лише частиною різних варіантів використання.

Відкриття законів, які описують поведінку електромагнітного поля, є одним з найважливіших досягнень науки за всю історію.

У сучасному житті використання цього явища відбувається практично у всіх сферах життя суспільства.

Leave a Reply

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *