Mis on liikuvate juhtide induktsiooni emf? Juhi liikumine magnetväljas

Või vastupidi, liikuv magnetväli läbib statsionaarset juhti; või kui ruumis liikuv juht ja magnetväli liiguvad üksteise suhtes;

Kui ühe juhi vahelduv magnetväli, mis toimib teisele juhile, indutseerib selles EMF-i (vastastikune induktsioon);

Kui muutuv magnetväli kutsub endas esile EMF-i (eneseinduktsiooni).

Seega kaasneb suletud vooluringi (pööret, raami) läbiva väärtuse mis tahes aja muutumisega juhis indutseeritud emfi ilmumine.

A = U × I × t = I² × r × t(J) .

Tarbitav võimsus on võrdne:

P el = U × I = I² × r(W)

kust me määrame vooluahela voolu:

(1)

Kuid me teame, et magnetvälja asetatud voolu juhtiv juht kogeb väljast lähtuvat jõudu, mis kipub liikuma vasaku käe reegliga määratud suunas. Liikumise ajal ületab juht magnetvälja jooni ja vastavalt elektromagnetilise induktsiooni seadusele tekib selles indutseeritud emf. Selle EMF-i suund, mis on määratud parema käe reegliga, on vooluga vastupidine I. Nimetagem seda tagasi EMF-iks E arr. Suurusjärk E arr on elektromagnetilise induktsiooni seaduse kohaselt võrdne:

E arr = B × l × v(IN) .

Suletud ahela jaoks on meil:

U - E arr = I × r

U = E arr + I × r ,

(2)

kust tuleb vooluringi vool?

(3)

Võrreldes avaldisi (1) ja (3) näeme, et magnetväljas liikuvas juhis samade väärtuste juures U Ja r vool on väiksem kui statsionaarsel juhil.

Saadud avaldise (2) korrutamine I, saame:

U × I = E arr × I + I² × r .

Sest E arr = B × l × v, See

U × I = B × l × v × I + I² × r .

Arvestades seda B × l × I = F Ja F × v = P karusnahk, meil on:

U × I = F × v + I² × r

P = P karusnahk + P Em.

Viimane avaldis näitab, et kui voolu juhtiv juht liigub magnetväljas, muundatakse pingeallika võimsus soojus- ja mehaaniliseks võimsuseks.

Metalljuht sisaldab suurt hulka vabu elektrone, mis liiguvad juhuslikult. Kui liigutate juhti jõujoontega risti olevas magnetväljas, siis suunab väli koos juhiga liikuvad elektronid kõrvale ja need hakkavad liikuma, st elektromotoorjõud (EMF). Seda nimetatakse elektromagnetiline induktsioon(indutseerima - esile kutsuma).

EMF-i mõjul liiguvad ja akumuleeruvad elektronid juhi ühes otsas ning teises on elektronide puudus, see tähendab, et tekib positiivne laeng potentsiaalne erinevus, või elektriline pinge.

Kui ühendate sellise juhi välise vooluringiga (sulgege tee), siis voolab potentsiaali erinevuse mõjul vool.

Kui juhti liigutatakse mööda jõujooni, siis väli ei mõjuta laenguid, EMF-i, pinget ei teki ja vool ei voola.

Seda EMF-i nimetatakse indutseeritud emf. Selle määrab Faraday seadus:

· indutseeritud emf võrdne juhi liikumiskiiruse korrutisega V, magnetinduktsioon IN ja aktiivse juhi pikkus L

Selle suuna määrab parema käe reegel:

·
Kui parem käsi asetatakse magnetvälja nii, et jõujooned sisenevad peopesale ja painutatud pöial näitab juhi liikumissuunda, siis neli välja sirutatud sõrme näitavad EMF-i suunda.

Elektromagnetväljad indutseeritakse igas juhi ja magnetvälja ristumiskohas. See tähendab, et saate liigutada juhti, saate liigutada välja või muuta magnetvälja.

Seejärel määratakse emf Maxwelli järgi:

Selle muutuva magnetvooga ristumise tulemusena vooluringis indutseeritud EMF on võrdne selle voo muutumise kiirusega.

e= - ΔФ/Δt

Kus ΔФ=Ф 1 - Ф 2 magnetvoo muutus, Wb

Δt – aeg, mille jooksul magnetvoog muutus, sek.

Lenzi reegel: indutseeritud emf on sellises suunas, et selle tekitatav vool on vastu magnetvoo muutumisele.

Enese esilekutsutud emf.

Kui voolutugevus juhis muutub, muutub ka selle tekitatav magnetvoog. Kosmoses levides ei ületa see magnetvoog mitte ainult naaberjuhte, vaid ka enda juhte, mis tähendab, et EMF indutseeritakse oma juhis. Seda nimetatakse Enese esilekutsutud emf.

Enese esilekutsutud emf on emf, mis tekib juhis, kui tema enda vool ja magnetvoog muutuvad.

See ilmneb iga voolu muutuse korral ja on suunatud nii, et see ei muutuks. Kui vool väheneb, suunatakse see sellega kaasa ja toetab voolu suurenemisel selle vastu ja nõrgendab seda.

Juhi (mähise) võimet luua iseinduktiivne emf nimetatakse induktiivsus L.

See sõltub:

Pooli pöörete arvu ruut w

magnetiline läbilaskvus µ

pooli sektsioon S

· pooli pikkus l

L = (w 2 μS)/l, Gn (Henry)

Enese tekitatud emf:

e L =-Δi/Δt, V

Kus Δi/Δt on voolu muutumise kiirus.

See EMF, mis takistab voolu muutumist, takistab selle voolamist ja loob seetõttu takistuse vahelduvvoolule.

Lülitusliigpinged.

Need on liigpinged suure induktiivsusega ahelates lülitamise ajal. Selle tulemusena võib tekkida elektrikaar või säde ja kontaktid sulavad. Seetõttu rakendatakse kaare summutamise meetmeid.

Vastastikune induktsioon.

EMF vastastikune induktsioon- see on emf, mis tekib mähises, kui seda läbib teise mähise muutuv magnetvoog.

Sellel põhimõttel töötab trafo.

indutseeritud pinge - See on pinge, mis tekib metallkonstruktsioonides nende lõikumisel vahelduvvoolu tekitatud magnetväljaga.

Seega tekib magnetvälja tõttu kolme tüüpi EMF:

1. indutseeritud emf. Tekib siis, kui juht liigub pidevas magnetväljas või siis, kui väli liigub juhi suhtes.

2. Enese esilekutsutud emf. Tekib tänu juhi ristumiskohale oma muutuva magnetväljaga.

3. EMF vastastikune induktsioon. Tekib siis, kui juhti läbib kellegi teise muutuv magnetväli.

Pöörisvoolud.

Teisisõnu: Foucault voolud, induktsioonivoolud.

Need on voolud, mis tekivad elektripaigaldiste massiivsetes terasosades (südamikud, korpused) nende lõikumise tõttu muutuva magnetvooga ja elektromagnetväljade induktsiooniga. Madala takistuse tulemusena soojendavad tekkivad lühisvoolud masinaid tugevasti kuumaks.

Pöörisvoolukaod on kütmisest tingitud võimsuskaod.

Kadude vähendamiseks vähendage pöörisvoolu järgmiselt:

1. Elektrimasinate südamikud on lamineeritud, see tähendab, et need on kokku pandud elektrilise terase lehtedest, mis on isoleeritud lakiga. See vähendab ristlõiget ja suurendab seetõttu voolutakistust.

2. Terasele lisatakse räni, millel on kõrge vastupidavus.

Pärast muutuvas magnetväljas paiknevas statsionaarses juhis tekkiva indutseeritud emfi olemuse selgitamist saime teada elektrivälja omadustest, mis erinevad punktlaengute tekitatavast. Samuti saime teada, et punktlaengute tekitatud väljas töötamine mööda suletud ahelat on null, kuid keerisväljas ei ole see null. Just see väli põhjustab juhis EMF-i. Kui aga juht liigub konstantses magnetväljas, tekib juhtme otstesse potentsiaalide erinevus ja seal tekib ka EMF. Kuid selle jõu olemus on erinev. Selles tunnis selgitame välja EMF olemuse magnetväljas liikuvas juhis.

Teema:Elektromagnetiline induktsioon

Õppetund:Juhi liikumine magnetväljas

Selleks, et teha kindlaks magnetväljas liikuva juhi jõu olemus, viime läbi katse. Oletame, et vertikaalses ühtlases induktsiooniga () magnetväljas on horisontaalne juht pikkusega ( l), mis liigub konstantse kiirusega () risti magnetvälja magnetinduktsioonivektoriga. Kui ühendame selle juhi otstega tundliku voltmeetri, siis näeme, et see näitab potentsiaalivahe olemasolu selle juhi otstes. Uurime, kust see pinge tuleb. Sel juhul pole silmust ega muutuvat magnetvälja, seega ei saa öelda, et elektronide liikumine juhis tekkis keerise elektrivälja ilmnemise tagajärjel. Kui juht liigub ühtse tervikuna (joonis 1), on juhi laengutel ja kristallvõre sõlmedes paiknevatel positiivsetel ioonidel ning vabadel elektronidel suunatud liikumise kiirus.

Riis. 1

Nendele laengutele avaldab mõju magnetväljast tulenev Lorentzi jõud. “Vasaku käe” reegli kohaselt: neli liikumissuunas paiknevat sõrme, keerake peopesa nii, et magnetinduktsiooni vektor siseneks tagaküljele, siis näitab pöial Lorentzi jõu mõju positiivsetele laengutele.

Laengutele mõjuv Lorentzi jõud on võrdne tema ülekantava laengu mooduli korrutisega magnetinduktsiooni mooduliga, kiiruse ja magnetilise induktsiooni vektori ja kiirusvektori vahelise nurga siinusega.

See jõud töötab elektronide ülekandmiseks lühikeste vahemaade tagant piki juhti.

Seejärel määratakse Lorentzi jõu poolt läbi juhi kogu tehtud töö Lorentzi jõu korrutisega juhi pikkusega.

Välise jõu poolt laengu liigutamiseks tehtud töö suhe ülekantud laengu hulka, mille määrab EMF.

(4)

Niisiis, indutseeritud emf esinemise olemus on Lorentzi jõu töö. Valem 10.4. saab formaalselt saada elektromagnetilise induktsiooni EMF definitsiooni alusel, kui juht liigub magnetväljas, ületades magnetinduktsiooni jooni, kattes teatud ala, mida saab määratleda juhi pikkuse ja juhi pikkuse korrutisega. nihe, mida saab väljendada liikumiskiiruse ja -aja kaudu. Indutseeritud emf suurusjärgus on võrdne magnetvoo ja aja muutuse suhtega.

Magnetilise induktsiooni moodul on konstantne, kuid juhti kattev ala muutub.

Pärast asendamist avaldised valemis 10.5. ja lühendid, mille me saame:

Piki juhti mõjuv Lorentzi jõud, mille tõttu toimub laengute ümberjaotumine, on vaid üks jõudude komponent. On ka teine ​​komponent, mis tekib just laengute liikumise tulemusena. Kui elektronid hakkavad mööda juhti liikuma ja juht on magnetväljas, hakkab Lorentzi jõud toimima ja see on suunatud juhi kiiruse liikumisele. Seega on Lorentzi jõu summeerimine võrdne nulliga.

Saadud avaldise indutseeritud emf-ile, mis tekib siis, kui juht liigub magnetväljas, saab definitsioonist lähtuvalt saada ka formaalselt. Indutseeritud emf on võrdne magnetvoo muutumise kiirusega ajaühikus, võetuna miinusmärgiga.

Kui statsionaarne juht on muutuvas magnetväljas ja kui juht ise liigub pidevas magnetväljas, ilmneb nähtus elektromagnetilineinduktsioon. Mõlemal juhul tekib indutseeritud emf. Selle jõu olemus on aga erinev.

1. Kasjanov V.A., Füüsika 11. klass: Õpik. üldhariduse jaoks institutsioonid. - 4. väljaanne, stereotüüp. - M.: Bustard, 2004. - 416 lk.: ill., 8 l. värvi sisse
2. Tikhomirova S.A., Yarovsky B.M., Füüsika 11. - M.: Mnemosüün.
3. Gendenstein L.E., Dick Yu.I., Füüsika 11. - M.: Mnemosyne.

1. Fizportal.ru ().
2. Eduspb.com ().
3. Lahe füüsika ().

Kodutöö

1. Kasjanov V.A., Füüsika 11. klass: Õpik. üldhariduse jaoks institutsioonid. - 4. väljaanne, stereotüüp. - M.: Bustard, 2004. - 416 lk.: ill., 8 l. värvi edasi, st. 115, z. 1, 3, 4, art. 133, z. 4.
2. 50 cm pikkune vertikaalne metallvarras liigub horisontaalselt kiirusega 3 m/s ühtlases magnetväljas, mille induktsioon on 0,15 Teslat. Magnetvälja induktsioonijooned on suunatud horisontaalselt varda kiirusvektori suuna suhtes täisnurga all. Mis on varras indutseeritud emf?
3. Millise minimaalse kiirusega tuleb 50 mT magnetilise induktsiooniga ühtlases magnetväljas liigutada 2 m pikkust varda, et varras tekiks indutseeritud emf 0,6 V?
4. * 2 m pikkusest traadist valmistatud ruut liigub ühtlases magnetväljas, mille induktsioon on 0,3 Teslat (joonis 2). Kui suur on indutseeritud emf ruudu mõlemal küljel? Kogu indutseeritud emf vooluringis? υ = 5 m/s, α = 30°.

Kui sirge juht liigub magnetväljas, tekib juhi otstes e.m. d.s. induktsioon. Seda saab arvutada mitte ainult valemiga, vaid ka valemiga e. d.s.

induktsioon sirges juhis. See tuleb välja nii. Võrdlustame § 97 valemid (1) ja (2):

BIls = EIΔt, siit

Kus s/Δt=v on juhi liikumiskiirus. Seetõttu e. d.s. induktsioon, kui juht liigub magnetvälja joontega risti

E = Blv.

Kui juht liigub kiirusega v (joonis 148, a), mis on suunatud induktsioonijoonte suhtes nurga α all, siis kiirus v laguneb komponentideks v 1 ja v 2. Komponent on suunatud piki induktsioonijooni ja ei tekita selles emissiooni, kui juht liigub. d.s. induktsioon. Dirigendis e. d.s. indutseeritakse ainult komponendi tõttu v 2 = v sin α, mis on suunatud induktsioonijoontega risti. Sel juhul e. d.s. induktsioon saab olema

E = Blv sin α.

See on valem e. d.s. induktsioon sirges juhis.

Niisiis, Kui sirge juht liigub magnetväljas, indutseeritakse selles e. d.s., mille väärtus on otseselt võrdeline juhi aktiivse pikkusega ja selle liikumiskiiruse normaalkomponendiga.

Kui ühe sirge juhi asemel võtame raami, siis selle ühtlases magnetväljas pöörlemisel tekib e. d.s. selle kahel küljel (vt joonis 138). Sel juhul e. d.s. induktsioon saab olema E = 2 Blv sin α. Siin on l raami ühe aktiivse külje pikkus. Kui viimane koosneb n pöördest, siis selles esineb e. d.s. induktsioon

E = 2nBlv sin α.

Mida uh. d.s. induktsioon sõltub kaadri pöörlemiskiirusest v ja magnetvälja induktsioonist B, mida on näha antud katses (joon. 148, b). Kui voolugeneraatori armatuur pöörleb aeglaselt, süttib lambipirn nõrgalt: tekkis madal emissioon. d.s. induktsioon. Armatuuri pöörlemiskiiruse kasvades põleb pirn heledamalt: tekib suurem e. d.s. induktsioon. Armatuuri samal pöörlemiskiirusel eemaldame ühe magnetitest, vähendades sellega magnetvälja induktsiooni. Valgus on nõrgalt valgustatud: eh. d.s. induktsioon vähenes.

Ülesanne 35. Sirge juhi pikkus 0,6 mühendatud vooluallikaga painduvate juhtmetega, nt. d.s. keda 24 V ja sisemine takistus 0,5 oomi. Juht on ühtlases induktsiooniga magnetväljas 0,8 tl, mille induktsiooniliinid on suunatud lugeja poole (joon. 149). Kogu välise vooluringi takistus 2,5 oomi. Määrake voolu tugevus juhis, kui see liigub kiirusel induktsiooniliinidega risti 10 m/sek. Kui suur on voolutugevus statsionaarses juhis?

Elektriliste ja magnetiliste nähtuste seos on füüsikuid alati huvitanud. Inglise füüsik Michael Faraday oli täiesti kindel elektriliste ja magnetiliste nähtuste ühtsuses. Ta arutles, et elektrivool võib rauatükki magnetiseerida. Kas magnet ei võiks omakorda tekitada elektrivoolu? See probleem on lahendatud.

Kui juht liigub pidevas magnetväljas, siis liiguvad ka selle sees olevad vabad elektrilaengud (neile mõjub Lorentzi jõud). Positiivsed laengud on koondunud juhi (juhtme) ühte otsa, negatiivsed laengud teise. Tekib potentsiaalne erinevus - EMF elektromagnetiline induktsioon. Indutseeritud emf-i nähtust konstantses magnetväljas liikuvas juhis nimetatakse elektromagnetilise induktsiooni nähtus.

Induktsioonivoolu suuna määramise reegel (parema käe reegel):

Magnetväljas liikuvas juhis tekib indutseeritud emf sel juhul määratakse vooluenergia Joule-Lenzi seaduse järgi:

Töö, mida teostab välisjõud voolu juhtiva juhtme liigutamiseks magnetväljas

Induktsioon-EMF vooluringis

Vaatleme magnetvoo muutumist läbi juhtiva ahela (pooli). Elektromagnetilise induktsiooni nähtus avastati eksperimentaalselt:

Elektromagnetilise induktsiooni seadus (Faraday seadus): Ahelas tekkiv elektromagnetilise induktsiooni emf on otseselt võrdeline seda läbiva magnetvoo muutumise kiirusega.