Kako nastaje elektromotorna sila u vodiču koji se nalazi u izmjeničnom magnetskom polju? Što je vrtložno električno polje, njegova priroda i uzroci nastanka? Koja su glavna svojstva ovog polja? Današnja lekcija će odgovoriti na sva ova i mnoga druga pitanja.
Tema: Elektromagnetska indukcija
Lekcija:Vrtložno električno polje
Prisjetimo se da Lenzovo pravilo omogućuje određivanje smjera inducirane struje u krugu koji se nalazi u vanjskom magnetskom polju s izmjeničnim fluksom. Na temelju tog pravila bilo je moguće formulirati zakon elektromagnetske indukcije.
Zakon elektromagnetske indukcije
Kada se mijenja magnetski tok koji prodire u područje kruga, u ovom krugu se pojavljuje elektromotorna sila, numerički jednaka brzini promjene magnetskog toka, uzeta s predznakom minus.
Kako nastaje ta elektromotorna sila? Ispada da je EMF u vodiču koji je u izmjeničnom magnetskom polju povezan s pojavom novog objekta - vrtlog električno polje .
Razmotrimo iskustvo. Postoji zavojnica od bakrene žice u koju je umetnuta željezna jezgra kako bi se pojačalo magnetsko polje zavojnice. Zavojnica je preko vodiča spojena na izvor izmjenične struje. Tu je i kolut žice postavljen na drvenu podlogu. Na ovu zavojnicu spojena je električna žarulja. Materijal žice prekriven je izolacijom. Baza zavojnice je izrađena od drveta, tj. nevodljivog materijala struja. Okvir zavojnice također je izrađen od drva. Time je eliminirana svaka mogućnost kontakta žarulje sa strujnim krugom spojenim na izvor struje. Kada je izvor zatvoren, žarulja svijetli, dakle, u zavojnici teče električna struja, što znači da vanjske sile rade u ovoj zavojnici. Potrebno je otkriti odakle dolaze vanjske sile.
Magnetsko polje koje prodire kroz ravninu zavojnice ne može izazvati pojavu električnog polja, budući da magnetsko polje djeluje samo na pokretne naboje. Prema elektronskoj teoriji vodljivosti metala, unutar njih se nalaze elektroni koji se unutar njih mogu slobodno kretati kristalna rešetka. Međutim, to kretanje u odsutnosti vanjskog električnog polja je slučajno. Takav poremećaj dovodi do činjenice da je ukupni učinak magnetskog polja na vodič kroz koji teče struja jednak nuli. Ovo razlikuje elektromagnetsko polje od elektrostatičkog polja, koje također djeluje na stacionarne naboje. Dakle, električno polje djeluje na pokretne i stacionarne naboje. Međutim, tip električnog polja koji je ranije proučavan stvaraju samo električni naboji. Induciranu struju pak stvara izmjenično magnetsko polje.
Pretpostavimo da se elektroni u vodiču pokrenu u uređeno gibanje pod utjecajem neke nove vrste električnog polja. A to električno polje ne stvaraju električni naboji, već izmjenično magnetsko polje. Faraday i Maxwell došli su do slične ideje. Glavna stvar u ovoj ideji je da vremenski promjenjivo magnetsko polje stvara električno. Provodnik sa slobodnim elektronima u sebi omogućuje otkrivanje ovog polja. Ovo električno polje pokreće elektrone u vodiču. Fenomen elektromagnetske indukcije sastoji se ne toliko u pojavi indukcijske struje, koliko u pojavi nove vrste električnog polja koje pokreće električne naboje u vodiču (slika 1).
Vrtložno polje se razlikuje od statičkog. Ne stvaraju ga stacionarni naboji, stoga linije intenziteta ovog polja ne mogu započeti i završiti na naboju. Prema istraživanju, linije jakosti vrtložnog polja su zatvorene linije slične linijama indukcije magnetskog polja. Posljedično, ovo električno polje je vrtlog - isto kao i magnetsko polje.
Drugo svojstvo odnosi se na rad sila ovog novog polja. Proučavajući elektrostatičko polje saznali smo da rad sila elektrostatičko polje duž zatvorene petlje jednaka je nuli. Budući da se naboj kreće u jednom smjeru, kretanje i djelotvorna sila su suusmjereni i rad je pozitivan, onda kada se naboj useli obrnuti smjer pomak i djelujuća sila su suprotnih smjerova i rad je negativan, ukupni rad će biti nula. U slučaju vrtložnog polja, rad duž zatvorene petlje bit će različit od nule. Dakle, kada se naboj kreće duž zatvorene linije električnog polja koje ima vrtložni karakter, rad u različitim dijelovima će zadržati konstantan predznak, budući da će sila i pomak u različitim dijelovima putanje zadržati isti smjer u odnosu na svaki. drugo. Rad sila vrtložnog električnog polja za pomicanje naboja duž zatvorene petlje je različit od nule, stoga vrtložno električno polje može generirati električnu struju u zatvorenoj petlji, što se podudara s eksperimentalnim rezultatima. Tada možemo reći da je sila koja djeluje na naboje iz vrtložnog polja jednaka umnošku prenesenog naboja i jakosti tog polja.
Ova sila je vanjska sila koja obavlja rad. Rad koji izvrši ova sila, povezan s količinom prenesenog naboja, je inducirana emf. Smjer vektora intenziteta vrtložnog električnog polja u svakoj točki linija intenziteta određen je Lenzovim pravilom i podudara se sa smjerom indukcijske struje.
U stacionarnom krugu koji se nalazi u izmjeničnom magnetskom polju nastaje inducirana električna struja. Samo magnetsko polje ne može biti izvor vanjskih sila, jer može djelovati samo na pravilno gibajuće električne naboje. Ne može postojati elektrostatičko polje, budući da ga stvaraju stacionarni naboji. Nakon pretpostavke da vremenski promjenjivo magnetsko polje stvara električno polje, saznali smo da je to izmjenično polje vrtložne prirode, odnosno da su mu linije zatvorene. Rad vrtložnog električnog polja duž zatvorene petlje različit je od nule. Sila koja djeluje na preneseni naboj iz vrtložnog električnog polja jednaka je vrijednosti tog prenesenog naboja pomnoženoj s intenzitetom vrtložnog električnog polja. Ova sila je vanjska sila koja dovodi do pojave EMF u krugu. Elektromotorna sila indukcija, tj. omjer rada vanjskih sila i količine prenesenog naboja, jednaka je brzini promjene magnetskog toka uzetoj s predznakom minus. Smjer vektora intenziteta vrtložnog električnog polja u svakoj točki linija intenziteta određen je Lenzovim pravilom.
- Kasyanov V.A., Fizika 11. razred: Udžbenik. za opće obrazovanje institucija. - 4. izd., stereotip. - M.: Bustard, 2004. - 416 str.: ilustr., 8 l. boja na
- Gendenstein L.E., Dick Yu.I., Fizika 11. - M.: Mnemosyne.
- Tikhomirova S.A., Yarovsky B.M., Fizika 11. - M.: Mnemosyne.
- Elektronički udžbenik fizike ().
- Cool fizika ().
- Xvatit.com ().
- Kako objasniti činjenicu da udar groma može otopiti osigurače i oštetiti osjetljive električne uređaje i poluvodičke uređaje?
- * Kada se prsten otvori, u zavojnici se javila EMF samoindukcije od 300 V Koliki je intenzitet vrtložnog električnog polja u zavojima zavojnice, ako je njihov broj 800, a polumjer zavoja 4 cm?
Magnetski tok F= BS cos. Do promjene magnetskog toka kroz strujni krug može doći: 1) kod stacionarnog provodnog kruga postavljenog u vremenski promjenljivo polje; 2) u slučaju da se vodič kreće u magnetskom polju, koje se ne mora mijenjati tijekom vremena. Vrijednost inducirane emf u oba slučaja određena je zakonom elektromagnetske indukcije, ali je podrijetlo te emf različito.
Razmotrimo najprije prvi slučaj pojave indukcijske struje. Postavimo kružnu žičanu zavojnicu polumjera r u vremenski promjenjivo jednoliko magnetsko polje (slika 2.8).
Neka se indukcija magnetskog polja povećava, tada će se magnetski tok kroz površinu ograničenu zavojnicom povećavati s vremenom. Prema zakonu elektromagnetske indukcije, u zavojnici će se pojaviti inducirana struja. Kada se indukcija magnetskog polja mijenja prema linearnom zakonu, indukcijska struja bit će konstantna.
Koje sile tjeraju naboje u zavojnici? Samo magnetsko polje, koje prodire kroz zavojnicu, to ne može učiniti, jer magnetsko polje djeluje isključivo na pokretne naboje (po tome se razlikuje od električnog), a vodič s elektronima u njemu je nepomičan.
Osim magnetskog polja, na naboje, pokretne i nepokretne, također utječe električno polje. Ali ona polja o kojima je dosad bilo riječi (elektrostatska ili stacionarna) stvaraju električni naboji, a inducirana struja nastaje kao posljedica djelovanja promjenjivog magnetskog polja. Stoga možemo pretpostaviti da elektrone u stacionarnom vodiču pokreće električno polje, a to polje izravno stvara promjenjivo magnetsko polje. Ovo uspostavlja novo temeljno svojstvo polja: mijenjajući se tijekom vremena, magnetsko polje stvara električno polje. Do ovog je zaključka prvi došao J. Maxwell.
Sada se fenomen elektromagnetske indukcije pojavljuje pred nama u novom svjetlu. Glavna stvar u njemu je proces generiranja električnog polja magnetskim poljem. U ovom slučaju, prisutnost vodljivog kruga, na primjer zavojnice, ne mijenja bit procesa. Vodič s opskrbom slobodnih elektrona (ili drugih čestica) igra ulogu uređaja: omogućuje samo otkrivanje električnog polja u nastajanju.
Polje pokreće elektrone u vodiču i time se otkriva. Bit fenomena elektromagnetske indukcije u nepomičnom vodiču nije toliko pojava indukcijske struje, koliko pojava električnog polja koje pokreće električne naboje.
Električno polje koje nastaje promjenom magnetskog polja ima potpuno drugačiju prirodu od elektrostatičke.
Nije izravno povezan s električnim nabojima, te njegove linije napetosti ne mogu započeti i završiti na njima. One uopće nigdje ne počinju niti završavaju, već su zatvorene linije, slične linijama indukcije magnetskog polja. Ovo je tzv vrtložno električno polje(Slika 2.9).
Što se brže mijenja magnetska indukcija, veća je jakost električnog polja. Prema Lenzovom pravilu, s porastom magnetske indukcije, smjer vektora jakosti električnog polja tvori lijevi vijak sa smjerom vektora. To znači da kada se vijak s lijevim navojem okreće u smjeru linija jakosti električnog polja, translatorno kretanje vijka podudara se sa smjerom vektora magnetske indukcije. Naprotiv, kada se magnetska indukcija smanjuje, smjer vektora intenziteta tvori desni vijak sa smjerom vektora.
Smjer linija napetosti podudara se sa smjerom indukcijske struje. Sila koja djeluje iz vrtložnog električnog polja na naboj q (vanjska sila) i dalje je jednaka = q. Ali za razliku od slučaja stacionarnog električnog polja, rad vrtložnog polja pri pomicanju naboja q duž zatvorene putanje nije jednak nuli. Doista, kada se naboj kreće duž zatvorene linije jakosti električnog polja, rad na svim dionicama puta ima isti predznak, budući da se sila i gibanje podudaraju u smjeru. Rad vrtložnog električnog polja pri pomicanju jednog pozitivnog naboja duž zatvorenog nepomičnog vodiča brojčano je jednak induciranoj emf u ovom vodiču.
Indukcijske struje u masivnim vodičima. Indukcijske struje postižu posebno veliku brojčanu vrijednost u masivnim vodičima, zbog činjenice da je njihov otpor mali.
Takve struje, nazvane Foucaultove struje po francuskom fizičaru koji ih je proučavao, mogu se koristiti za zagrijavanje vodiča. Dizajn indukcijskih peći, poput mikrovalnih pećnica koje se koriste u svakodnevnom životu, temelji se na ovom principu. Ovaj princip se također koristi za taljenje metala. Osim toga, fenomen elektromagnetske indukcije koristi se u detektorima metala postavljenim na ulazima u zgrade terminala zračnih luka, kazališta itd.
Međutim, u mnogim uređajima pojava Foucaultovih struja dovodi do beskorisnih, pa čak i neželjenih gubitaka energije zbog stvaranja topline. Stoga željezne jezgre transformatora, elektromotora, generatora itd. nisu čvrste, već se sastoje od zasebnih ploča međusobno izoliranih. Površine ploča moraju biti okomite na smjer vektora jakosti vrtložnog električnog polja. Otpor ploča na električnu struju bit će maksimalan, a stvaranje topline minimalno.
Primjena ferita. Elektronička oprema radi u području vrlo visokih frekvencija (milijuni vibracija u sekundi). Ovdje upotreba jezgri zavojnice iz zasebnih ploča više ne daje željeni učinak, budući da se u svakoj ploči pojavljuju velike Foucaultove struje.
Tijekom preokreta magnetizacije u feritima ne nastaju vrtložne struje. Kao rezultat toga, gubici energije zbog stvaranja topline u njima su minimizirani. Stoga se jezgre visokofrekventnih transformatora, magnetske antene tranzistora i dr. izrađuju od feritnih jezgri izrađenih od mješavine praha početni materijali. Smjesa se preša i podvrgava značajnoj toplinskoj obradi.
S brzom promjenom magnetskog polja u običnom feromagnetu nastaju indukcijske struje, čije magnetsko polje, u skladu s Lenzovim pravilom, sprječava promjenu magnetskog toka u jezgri zavojnice. Zbog toga se tok magnetske indukcije praktički ne mijenja i jezgra se ne magnetizira. Kod ferita su vrtložne struje vrlo male, pa se mogu brzo remagnetizirati.
Uz potencijalno Coulombovo električno polje postoji i vrtložno električno polje. Linije intenziteta ovog polja su zatvorene. Vrtložno polje nastaje promjenjivim magnetskim poljem.
Električno polje koje nastaje promjenom magnetskog polja ima potpuno drugačiju strukturu od elektrostatskog. Nije izravno povezan s električnim nabojima, te njegove linije napetosti ne mogu započeti i završiti na njima. One uopće nigdje ne počinju niti završavaju, već su zatvorene linije, slične linijama indukcije magnetskog polja. To je takozvano vrtložno električno polje. Može se postaviti pitanje: zašto se, zapravo, ovo polje naziva električnim? Uostalom, ono ima drugačije podrijetlo i drugačiju konfiguraciju od statičkog električnog polja. Odgovor je jednostavan: vrtložno polje djeluje na naboj q baš kao i elektrostatičko, a to smo smatrali i još uvijek smatramo glavnim svojstvom polja. Sila koja djeluje na naboj i dalje je jednaka F= qE, Gdje E- intenzitet vrtložnog polja.
Ako je magnetski tok stvoren jednolikim magnetskim poljem koncentriranim u dugoj uskoj cilindričnoj cijevi polumjera r 0 (slika 5.8), tada je iz razmatranja simetrije očito da linije jakosti električnog polja leže u ravninama okomitima na linije B i da su krugovi. U skladu s Lenzovim pravilom, kako se magnetsko polje povećava
Indukcijske linije napetosti E tvore lijevi vijak sa smjerom magnetske indukcije B.
Za razliku od statičkog ili stacionarnog električnog polja, rad vrtložnog polja na zatvorenom putu nije jednak nuli. Doista, kada se naboj giba duž zatvorene linije jakosti električnog polja, rad na svim dionicama puta ima isti predznak, budući da se sila i gibanje podudaraju u smjeru. Vrtložno električno polje, kao i magnetsko polje, nije potencijalno.
Rad vrtložnog električnog polja za pomicanje jednog pozitivnog naboja duž zatvorenog nepomičnog vodiča brojčano je jednak induciranoj EMF u tom vodiču.
Ako kroz zavojnicu teče izmjenična struja, tada se mijenja magnetski tok koji prolazi kroz zavojnicu. Stoga se u istom vodiču kroz koji teče izmjenična struja javlja inducirana emf. Taj se fenomen naziva samoindukcija.
Uz samoindukciju, vodljivi krug ima dvostruku ulogu: kroz njega teče struja, uzrokujući indukciju, au njemu se pojavljuje inducirana emf. Promjenjivo magnetsko polje inducira emf u samom vodiču kroz koji teče struja, stvarajući to polje.
U trenutku porasta struje, intenzitet vrtložnog električnog polja, u skladu s Lenzovim pravilom, usmjeren je protiv struje. Posljedično, u ovom trenutku vrtložno polje sprječava povećanje struje. Naprotiv, u trenutku kada struja opada, vrtložno polje je podržava.
To dovodi do činjenice da kada se zatvori krug koji sadrži izvor konstantnog EMF-a, određena vrijednost struje se ne uspostavlja odmah, već postupno tijekom vremena (slika 5.13). S druge strane, kada je izvor isključen, struja u zatvorenim krugovima ne prestaje trenutno. Samoinduktivni emf koji nastaje u ovom slučaju može premašiti izvorni emf, budući da se promjena struje i njegovog magnetskog polja događa vrlo brzo kada je izvor isključen.
Fenomen samoindukcije može se promatrati u jednostavnim pokusima. Slika 5.14 prikazuje strujni krug za paralelno spajanje dviju jednakih žarulja. Jedan od njih je spojen na izvor preko otpornika R, a drugi - u seriji s zavojnicom L sa željeznom jezgrom. Kada je ključ zatvoren, prva lampica treperi gotovo odmah, a druga s primjetnim kašnjenjem. Samoinduktivni emf u krugu ove svjetiljke je velik, a trenutna snaga ne doseže odmah maksimalnu vrijednost. Pojava samoinduktivne emf nakon otvaranja može se promatrati eksperimentalno pomoću kruga koji je shematski prikazan na slici 5.15. Kad se otvori ključ u zavojnici L Javlja se samoinducirana emf, održavajući početnu struju. Kao rezultat toga, u trenutku otvaranja, struja teče kroz galvanometar (isprekidana strelica), usmjerena suprotno od početne struje prije otvaranja (puna strelica). Štoviše, jakost struje kada je krug otvoren premašuje jakost struje koja prolazi kroz galvanometar kada je sklopka zatvorena. To znači da samoinducirana emf ξ.
više emf ξ je elementi baterije.
Fenomen samoindukcije sličan je fenomenu tromosti u mehanici. Dakle, inercija dovodi do činjenice da pod utjecajem sile tijelo ne dobiva trenutačno određenu brzinu, već postupno. Tijelo se ne može trenutno usporiti, ma koliko velika bila sila kočenja. Na isti način, zbog samoindukcije, kada je strujni krug zatvoren, jakost struje ne dobiva odmah određenu vrijednost, već se postupno povećava. Isključivanjem izvora ne zaustavljamo struju odmah. Samoindukcija ga održava neko vrijeme, unatoč prisutnosti otpora kruga.
Zatim, da bi se povećala brzina tijela, prema zakonima mehanike, mora se izvršiti rad. Pri kočenju samo tijelo vrši pozitivan rad. Na isti način, da bi se stvorila struja, mora se izvršiti rad protiv vrtložnog električnog polja, a kada struja nestane, samo ovo polje vrši pozitivan rad.
Ovo nije samo površna analogija. Ima duboko unutarnje značenje. Uostalom, struja je skup pokretnih nabijenih čestica. Kako se brzina elektrona povećava, magnetsko polje koje stvaraju se mijenja i stvara vrtložno električno polje koje djeluje na same elektrone, sprječavajući trenutno povećanje njihove brzine pod utjecajem vanjske sile. Za vrijeme kočenja, naprotiv, vrtložno polje nastoji održati konstantnu brzinu elektrona (Lenzovo pravilo). Dakle, tromost elektrona, a time i njihova masa, barem je djelomično elektromagnetskog podrijetla. Masa ne može biti potpuno elektromagnetska, jer postoje električki neutralne čestice s masom (neutroni, itd.)
Induktivitet.
Modul B magnetske indukcije koju stvara struja u bilo kojem zatvorenom krugu proporcionalan je jakosti struje. Kako je magnetski tok F proporcionalan B, onda je F ~ V ~ I.
Stoga se može tvrditi da
Gdje L- koeficijent proporcionalnosti između struje u vodljivom krugu i magnetskog toka koji stvara, prodirući u ovaj krug. Veličina L naziva se induktivitet kruga ili njegov koeficijent samoinduktiviteta.
Koristeći zakon elektromagnetske indukcije i izraz (5.7.1), dobivamo jednakost:
| (5.7.2) |
Iz formule (5.7.2) slijedi da induktivnost- Ovaj fizička količina, brojčano jednaka samoinduktivnoj emf koja se javlja u krugu kada se struja promijeni za 1 A po 1 str.
Induktivitet, kao i električni kapacitet, ovisi o geometrijskim čimbenicima: veličini vodiča i njegovom obliku, ali ne ovisi izravno o jakosti struje u vodiču. Osim
geometrija vodiča, induktivitet ovisi o magnetskim svojstvima okoline u kojoj se vodič nalazi.
SI jedinica induktiviteta naziva se henry (H). Induktivitet vodiča jednak je 1 Gn, ako se u njemu pri promjeni jakosti struje po 1 A iza 1s javlja se samoinducirana emf 1 V:
Drugi poseban slučaj elektromagnetske indukcije je međusobna indukcija. Međusobna indukcija je pojava inducirane struje u zatvorenom krugu(kolut) pri promjeni jakosti struje u susjednom krugu(kolut). U ovom slučaju, konture su nepomične jedna u odnosu na drugu, kao što su, na primjer, zavojnice transformatora.
Kvantitativno, međusobnu indukciju karakterizira koeficijent međusobne indukcije, odnosno međusobni induktivitet.
Slika 5.16 prikazuje dva strujna kruga. Pri promjeni struje I 1 u krugu 1 u krugu 2 nastaje indukcijska struja I 2.
Tok magnetske indukcije F 1.2, koji stvara struja u prvom krugu i prodire kroz površinu ograničenu drugim krugom, proporcionalan je jakosti struje I 1:
Koeficijent proporcionalnosti L 1, 2 naziva se međusobni induktivitet. Sličan je induktivitetu L.
Inducirana emf u drugom krugu, prema zakonu elektromagnetske indukcije, jednaka je:
Koeficijent L 1.2 određen je geometrijom obiju kontura, udaljenosti između njih, njihovim relativnim položajem i magnetska svojstva okoliš. Izražena je međusobna induktivnost L 1.2, poput induktiviteta L, u henryju.
Ako se struja promijeni u drugom krugu, tada se u prvom krugu javlja inducirana emf
Kada se jakost struje mijenja u vodiču, u njemu se pojavljuje vrtložno električno polje. Ovo polje usporava elektrone kada struja raste i ubrzava kada se smanjuje.
Trenutna energija magnetskog polja.
Kada se zatvori krug koji sadrži izvor konstantnog EMF-a, energija izvora struje se u početku troši na stvaranje struje, tj. na pokretanje elektrona vodiča i stvaranje magnetskog polja povezanog sa strujom, a također dijelom na povećanje unutarnje energije vodiča, tj. njegovo zagrijavanje. Nakon što se uspostavi stalna strujna vrijednost, energija izvora troši se isključivo na oslobađanje topline. U tom se slučaju trenutna energija ne mijenja.
Za stvaranje struje potrebno je utrošiti energiju, tj. mora se izvršiti rad. To se objašnjava činjenicom da kada je strujni krug zatvoren, kada struja počne rasti, u vodiču se pojavljuje vrtložno električno polje koje djeluje protiv električnog polja koje se stvara u vodiču zbog izvora struje. Da bi jakost struje postala jednaka I, izvor struje mora izvršiti rad protiv sila vrtložnog polja. Ovaj rad ide na povećanje trenutne energije. Vrtložno polje vrši negativan rad.
Kada se krug otvori, struja nestaje i vrtložno polje vrši pozitivan rad. Oslobađa se energija pohranjena u struji. To se detektira snažnom iskrom koja se javlja kada se otvori krug s visokim induktivitetom.
Izraz za energiju struje I koja teče kroz krug s induktivitetom L može se napisati na temelju analogije između inercije i samoindukcije.
Ako je samoindukcija slična tromosti, onda bi induktivitet u procesu stvaranja struje trebao igrati istu ulogu kao i masa pri povećanju brzine tijela u mehanici. Ulogu brzine tijela u elektrodinamici igra jakost struje I kao veličina koja karakterizira kretanje električnih naboja. Ako je to tako, tada se trenutna energija W m može smatrati veličinom sličnom kinetička energija tijelo - u mehanici, i upiši ga u obrazac.
Stvara se izmjenično magnetsko polje induciranog električnog polja. Ako je magnetsko polje konstantno, tada neće biti induciranog električnog polja. Stoga, inducirano električno polje nije povezano s nabojima, kao što je slučaj u slučaju elektrostatičkog polja; njegove linije sile ne počinju niti završavaju na nabojima, već su zatvorene same po sebi, slično linijama magnetskog polja. To znači da induciranog električnog polja, poput magnetskog, je vrtlog.
Ako se nepomični vodič stavi u izmjenično magnetsko polje, tada se u njemu inducira e. d.s. Elektroni se usmjeravaju pomoću električnog polja induciranog izmjeničnim magnetsko polje; javlja se inducirana električna struja. Vodič je u ovom slučaju samo indikator induciranog električnog polja. Polje pokreće slobodne elektrone u vodiču i time se otkriva. Sada možemo reći da čak i bez vodiča ovo polje postoji, posjeduje rezervu energije.
Bit fenomena elektromagnetske indukcije ne leži toliko u pojavi inducirane struje, koliko u pojavi vrtložnog električnog polja.
Ovo temeljno stajalište elektrodinamike utvrdio je Maxwell kao generalizaciju Faradayeva zakona elektromagnetske indukcije.
Za razliku od elektrostatskog polja, inducirano električno polje je nepotencijalno, budući da je rad u induciranom električnom polju pri pomicanju jediničnog pozitivnog naboja po zatvorenom krugu jednak e. d.s. indukcija, a ne nula.
Smjer vektora intenziteta vrtložnog električnog polja utvrđuje se u skladu s Faradayevim zakonom elektromagnetske indukcije i Lenzovim pravilom. Smjer linija sile vrtložnog elektrika. polje poklapa se sa smjerom indukcijske struje.
Budući da vrtložno električno polje postoji u odsutnosti vodiča, može se koristiti za ubrzavanje nabijenih čestica do brzina usporedivih s brzinom svjetlosti. Upravo na korištenju ovog principa temelji se rad akceleratora elektrona - betatrona.
Induktivno električno polje ima potpuno drugačija svojstva u odnosu na elektrostatičko polje.
Razlika između vrtložnog električnog polja i elektrostatskog
1) Nije povezan s električnim nabojem;
2) Linije sile ovog polja uvijek su zatvorene;
3) Rad sila vrtložnog polja za pomicanje naboja duž zatvorene putanje nije jednak nuli.
|
elektrostatičko polje |
indukcijsko električno polje |
| 1. stvoren stacionarnim električnim. naknade | 1. uzrokovana promjenama magnetskog polja |
| 2. linije polja su otvorene – potencijalno polje | 2. linije sile su zatvorene – vrtložno polje |
| 3. Izvori polja su električni. naknade | 3. Izvori polja ne mogu se specificirati |
| 4. rad sila polja za pomicanje ispitnog naboja duž zatvorene putanje = 0. | 4. rad sila polja za pomicanje ispitnog naboja po zatvorenom putu = inducirana emf |
Fenomen elektromagnetske indukcije otkrio je M. Faraday 1831. Fenomen se može promatrati u sljedećim pokusima. Uzmimo zavojnicu sa veliki broj zavoje (solenoid), zatvorit ćemo ga galvanometrom, a s jednog njegovog kraja uzduž osi pomaknut ćemo permanentni magnet. U tom će slučaju u solenoidu nastati električna struja, što će se detektirati otklonom igle galvanometra. Ova struja će prestati kada se magnet prestane kretati. Ako uklonite magnet iz solenoida, struja će se ponovno pojaviti u solenoidu, ali u suprotnom smjeru. Isti fenomen će se dogoditi ako magnet ostane nepomičan, a solenoid se pomakne. Umjesto magneta, možete uzeti drugi solenoid (Sl. 51), kroz koji teče istosmjerna struja: formula" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook785/files/I2.gif " border="0" align ="absmiddle" alt=".
Fenomen elektromagnetske indukcije je sljedeći: u svakom zatvorenom vodljivom krugu, kada se tok magnetske indukcije mijenja kroz područje ograničeno ovim krugom, nastaje električna struja. Ova struja se naziva indukcijska struja.
Pojava inducirane struje u zatvorenom krugu je posljedica pojave u ovom krugu pod utjecajem vremenski promjenjivog protoka specifične elektromotorne sile, veličina ove EMF je prvo povezana sa brzinom promjene toka magnetske indukcije po Faradayu
definicija">Faradayev zakon
Znak minus u zakonu znači da inducirana emf uvijek ima takav smjer da interferira s uzrokom koji je uzrokuje. Ovo je pravilo ustanovio peterburški profesor E.Kh. Lenz.
Ako uzmemo u obzir formulu magnetskog toka" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook785/files/108-2.gif" border="0" align="absmiddle" alt="(! JEZIK:(Sl. 52, b), ili usmjeren suprotno od njega, ako povećava oznaku "> B. Tok magnetske indukcije kroz područje S, ograničeno okvirom, jednak je
formula" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook785/files/109-1.gif" border="0" align="absmiddle" alt="mijenja se kut između normale na okvir i vektora B
formula" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook785/files/109-3.gif" border="0" align="absmiddle" alt="Prema Faradayevom zakonu (12.1), promjenjivim protokom kroz okvir, u njemu se pojavljuje inducirana struja koja će se tijekom vremena mijenjati frekvencijom jednakom brzini rotacije okvira formula" src="http://hi -edu.ru/e-books/xbook785 /files/109-4.gif" border="0" align="absmiddle" alt="
Kao što vidite, inducirana emf mijenja se prema harmonijskom zakonu s formulom frekvencije" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook785/files/109-5.gif" border="0" align="absmiddle" alt="Dobivanje EMF-a kada se zavojnica okreće u magnetskom polju osnova je za rad generatora izmjenične struje.
Mehanizam nastanka inducirana struja u vodiču koji se kreće može se objasniti pomoću Lorentzove sile F = qvB.
Pod utjecajem Lorentzove sile dolazi do razdvajanja naboja: pozitivni se nakupljaju na jednom kraju vodiča, negativni na drugom (slika 53). Ovi naboji stvaraju elektrostatičko Coulombovo polje unutar vodiča. Ako je vodič otvoren, tada će se kretanje naboja pod utjecajem Lorentzove sile događati sve dok električna sila ne uravnoteži Lorentzovu silu. Djelovanje Lorentzove sile je slično djelovanju nekog električnog polja; polje treće strane.
Pojava inducirane emf također je moguća u stacionarnom krugu koji se nalazi u izmjeničnom magnetskom polju. Kakva je priroda vanjskih sila (neelektrostatskog podrijetla) u ovom slučaju?
Maxwell je pretpostavio da svako izmjenično magnetsko polje pobuđuje električno polje u okolnom prostoru, što je uzrok pojave inducirane struje u krugu. Ovo polje karakterizira intenzitet (indeks označava razlog nastanka ovog polja - magnetsko polje).
Kruženje ovog električnog polja označenog s ">L nije jednako nuli:
formula" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook785/files/111-1.gif" border="0" align="absmiddle" alt="
formula" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook785/files/111-2.gif" border="0" align="absmiddle" alt="
formula" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook785/files/111-5.gif" border="0" align="absmiddle" alt="- parcijalni izvod indukcije B po vremenu.
Za elektrostatičko polje mark">Q) cirkulacija duž bilo koje zatvorene konture je nula:
definiraj-e">potencijal.
Električno polje je definirano kao vrtlog, za koji cirkulacija duž zatvorene petlje L nije jednaka nuli:
mark">I(t), tada stvara magnetsko polje s indukcijom B(t), a time i formulu toka" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook785/files/112. gif" border="0" align="absmiddle" alt="
Pojava elektromagnetske indukcije uzrokovana promjenom struje u samom krugu naziva se samoindukcija. Njegov glavni uzrok je promjena struje u krugu, koju je lakše izmjeriti nego promjenu magnetskog toka.
U bilo kojoj točki na površini koja se proteže preko kruga, indukcija dB proporcionalna je struji u krugu. Ako je integriran po cijeloj površini, tada je ukupni magnetski tok označen ">I
oznaka ">L - induktivitet kruga, koeficijent proporcionalnosti, ovisno o konfiguraciji kruga.
Induktivitet pokazuje koliki magnetski tok prodire kroz površinu pokrivenu strujnim krugom kada je struja u njemu 1 A. Njegova jedinica je Wb/A, što se naziva henry (H).
Ako sklop ima složenog oblika, na primjer, sadrži nekoliko zavoja, a zatim umjesto definiranja "formule povezivanja toka" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook785/files/112-4.gif" border="0" align="absmiddle" alt="
izraz vrijedi za L = const.
Ovo implicira drugu definiciju L (važniju u praksi): induktivitet pokazuje kolika se samoinduktivna emf javlja u krugu ako je brzina promjene struje u njemu 1 A/s.
Za solenoid, magnetski tok kroz jedan zavoj označen je s ">N zavoja solenoida (fluksna veza),
oznaka">V =Sl - volumen solenoida.
Uspoređujući ovaj izraz s (12.4), dobivamo
formula" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook785/files/mu.gif" border="0" align="absmiddle" alt=".
Magnetski tok kroz površinu koju pokriva krug 2 može se stvoriti trenutnom ilustracijom" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook785/files/ris54.gif" border="0">
Označimo formulu" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook785/files/113.gif" border="0" align="absmiddle" alt="
formula" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook785/files/I1.gif" border="0" align="absmiddle" alt="mijenja, tada se u krugu 2 inducira međusobna indukcija emf
formula" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook785/files/I2.gif" border="0" align="absmiddle" alt="Javlja se EMF međusobne indukcije
formula" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook785/files/113-3.gif" border="0" align="absmiddle" alt=" - međusobne induktivnosti strujnih krugova, ovise o geometrijski oblik, veličine, relativni položaj konture i magnetsku propusnost okoline.
Izračunajmo međusobni induktivitet dvaju svitaka namotanih na zajednički toroidalna jezgra(Slika 55). Foucaultove struje, odn vrtložne struje.
Teška metalna ploča koja oscilira između polova elektromagneta prestaje ako se uključi istosmjerna struja koja napaja elektromagnet. Sva njegova energija pretvara se u toplinu koju stvaraju Foucaultove struje. U nepokretnoj ploči nema struja.
Vrtložna strujanja mogu se znatno oslabiti ako se u ploči naprave rezovi kako bi se povećala njezina otpornost. U čvrstim jezgrama transformatora i elektromotora koji rade na izmjeničnu struju, Foucaultove struje stvarale bi značajnu količinu topline. Stoga su jezgre izrađene kao kompoziti, koji se sastoje od tankih ploča odvojenih dielektričnim slojem.
Fenomen pojave Foucaultovih indukcijskih struja temelji se na radu indukcijskih peći, koje omogućuju zagrijavanje metala do tališta.
Foucaultove struje pokoravaju se Lenzovom pravilu: njihovo je magnetsko polje usmjereno tako da se suprotstavlja promjeni magnetskog toka koja inducira vrtložne struje. Ova činjenica se koristi za smirivanje pokretnih dijelova raznih uređaja (prigušenje).
Vrtložne struje se javljaju i u žicama kroz koje teče izmjenična električna struja. Smjer vrtložnih struja je takav da se suprotstavljaju promjeni primarne struje u vodiču. Dakle, ispada da je izmjenična struja neravnomjerno raspoređena po presjeku žice; ona je, takoreći, istisnuta na površinu vodiča. Na površini žice gustoća struje je najveća, a duboko u vodiču opada i doseže najniža vrijednost na svojoj osi. Ova pojava se naziva skin efekt (skin). Struja je koncentrirana u "koži" vodiča. Stoga na visokim frekvencijama nema potrebe za vodičima velikog poprečnog presjeka: ionako će struja teći samo u površinskom sloju.
