Hva er induksjons-emk til bevegelige ledere? Bevegelse av en leder i et magnetfelt

Eller omvendt, et bevegelig magnetfelt krysser en stasjonær leder; eller når en leder og et magnetfelt, som beveger seg i rommet, beveger seg i forhold til hverandre;

Når et vekslende magnetfelt til en leder, som virker på en annen leder, induserer en EMF i den (gjensidig induksjon);

Når et skiftende magnetfelt induserer en EMF (selv-induksjon) i seg selv.

Enhver endring i tid av verdien som trenger inn i en lukket krets (sving, ramme) er ledsaget av utseendet til en indusert emk i lederen.

EN = U × jeg × t = jeg² × r × t(J).

Strømforbruket vil være lik:

P el = U × jeg = jeg² × r(W)

fra hvor vi bestemmer strømmen i kretsen:

(1)

Imidlertid vet vi at en strømførende leder plassert i et magnetfelt vil oppleve en kraft fra feltet, som har en tendens til å bevege seg i retningen bestemt av venstrehåndsregelen. Under sin bevegelse vil lederen krysse de magnetiske feltlinjene, og i henhold til loven om elektromagnetisk induksjon vil en indusert emk oppstå i den. Retningen til denne EMF, bestemt av høyreregelen, vil være motsatt av strømmen jeg. La oss kalle det tilbake EMF E arr. Størrelse E arr i henhold til loven om elektromagnetisk induksjon vil være lik:

E arr = B × l × v(IN) .

For en lukket krets har vi:

U - E arr = jeg × r

U = E arr + jeg × r ,

(2)

hvor kommer strømmen i kretsen fra?

(3)

Ved å sammenligne uttrykk (1) og (3), ser vi at i en leder som beveger seg i et magnetfelt, med de samme verdiene U Og r strømmen vil være mindre enn med en stasjonær leder.

Multipliser det resulterende uttrykket (2) med jeg, vi får:

U × jeg = E arr × jeg + jeg² × r .

Fordi E arr = B × l × v, Det

U × jeg = B × l × v × jeg + jeg² × r .

Med tanke på det B × l × jeg = F Og F × v = P pels, vi har:

U × jeg = F × v + jeg² × r

P = P pels + P Em.

Det siste uttrykket viser at når en strømførende leder beveger seg i et magnetfelt, omdannes kraften til spenningskilden til termisk og mekanisk kraft.

En metallleder inneholder et stort antall frie elektroner som beveger seg tilfeldig. Hvis du beveger en leder i et magnetfelt vinkelrett på kraftlinjene, vil feltet avlede elektronene som beveger seg med lederen, og de vil begynne å bevege seg, det vil si en elektromotorisk kraft (EMF). Det heter elektromagnetisk induksjon(fremkalle - indusere).

Under påvirkning av EMF vil elektroner bevege seg og samle seg i den ene enden av lederen, og i den andre vil det være mangel på elektroner, det vil si at en positiv ladning vil oppstå potensiell forskjell, eller elektrisk spenning.

Hvis du kobler en slik leder til en ekstern krets (lukk banen), vil strømmen flyte under påvirkning av potensialforskjellen.

Hvis lederen beveges langs kraftlinjene, vil ikke feltet virke på ladningene, EMF, spenningen vil ikke oppstå, og strømmen vil ikke flyte.

Denne EMF kalles indusert emf. Det bestemmes av Faradays lov:

· indusert emf lik produktet av bevegelseshastigheten til lederen V, magnetisk induksjon I og aktiv lederlengde L

Dens retning bestemmes av høyrehåndsregel:

·
Hvis høyre hånd er plassert i et magnetfelt slik at kraftlinjene kommer inn i håndflaten, og den bøyde tommelen viser lederens bevegelsesretning, vil fire forlengede fingre vise retningen til EMF.

EMF vil bli indusert ved ethvert skjæringspunkt mellom lederen og magnetfeltet. Det vil si at du kan flytte lederen, du kan flytte feltet, eller du kan endre magnetfeltet.

Deretter bestemmes emk ifølge Maxwell:

EMF indusert i kretsen som et resultat av dens skjæring med en skiftende magnetisk fluks er lik endringshastigheten til denne fluksen.

e= - ΔФ/Δt

Hvor ΔФ=Ф 1 - Ф 2 endring i magnetisk fluks, Wb

Δt – tiden hvor den magnetiske fluksen endret seg, sek.

Lenz sin regel: Den induserte emk er i en slik retning at strømmen den skaper motsetter seg endringen i magnetisk fluks.

Selvindusert emf.

Hvis strømmen i en leder endres, endres også den magnetiske fluksen som skapes av den. Forplanter seg i rommet, krysser denne magnetiske fluksen ikke bare naboledere, men også sine egne, noe som betyr at en EMF induseres i sin egen leder. Det heter Selvindusert emf.

Selvindusert emf er emk som oppstår i en leder når dens egen strøm og magnetiske fluks endres.

Det skjer med enhver endring i strøm og er rettet for å forhindre at den endres. Når strømmen avtar, rettes den sammen med den og støtter strømmen når strømmen øker, rettes den mot den og svekker den.

Evnen til en leder (spole) til å skape en selvinduktiv emk kalles induktans L.

Det avhenger av:

Kvadrat på antall omdreininger av spolen w

magnetisk permeabilitet µ

· spoletverrsnitt S

· spolelengde l

L=(w 2 μS)/l, Gn(Henry)

Selvindusert emf:

e L = -Δi/Δt, V

Hvor Δi/Δt er endringshastigheten til strømmen.

Denne EMF, som forhindrer en endring i strøm, hindrer den i å flyte, og skaper derfor motstand mot vekselstrøm.

Kobling av overspenninger.

Dette er overspenninger i kretser med høy induktans under svitsjing. Som et resultat kan det oppstå en lysbue eller gnist og kontaktene vil smelte. Derfor brukes lysbuedempende tiltak.

Gjensidig induksjon.

EMF gjensidig induksjon- dette er emk som oppstår i en spole når den krysses av en skiftende magnetisk fluks fra en annen spole.

En transformator opererer på dette prinsippet.

Indusert spenning – Dette er spenningen som oppstår i metallkonstruksjoner som et resultat av deres skjæring med et vekselmagnetisk felt skapt av vekselstrøm.

På grunn av magnetfeltet oppstår således tre typer EMF:

1. indusert emf. Oppstår når en leder beveger seg i et konstant magnetfelt, eller når feltet beveger seg i forhold til lederen.

2. Selvindusert emf. Det oppstår på grunn av skjæringen av en leder med sitt eget skiftende magnetiske felt.

3. EMF gjensidig induksjon. Oppstår når en leder krysses av andres skiftende magnetfelt.

Virvelstrømmer.

Med andre ord: Foucault-strømmer, induksjonsstrømmer.

Dette er strømmer som oppstår i massive ståldeler av elektriske installasjoner (kjerner, hus) på grunn av deres skjæring med en skiftende magnetisk fluks og induksjon av EMF. Som et resultat av lav motstand varmer de resulterende kortslutte strømmene maskinene kraftig opp.

Virvelstrømstap er effekttap på grunn av oppvarming.

For å redusere tap, reduser virvelstrømmene som følger:

1. Kjernene til elektriske maskiner er laget laminert, det vil si at de er satt sammen av plater av elektrisk stål isolert med lakk. Dette reduserer tverrsnittet og øker derfor strømmotstanden.

2. Silisium, som har høy motstand, tilsettes stål.

Etter å ha klarlagt arten av den induserte emk som oppstår i en stasjonær leder plassert i et skiftende magnetfelt, lærte vi om egenskapene til det elektriske feltet, som skiller seg fra det som skapes av punktladninger. Vi lærte også at arbeid langs en lukket sløyfe i et felt skapt av punktladninger er null, men i et virvelfelt er det ikke null. Det er dette feltet som forårsaker EMF i lederen. Men hvis lederen beveger seg i et konstant magnetfelt, vil det oppstå en potensialforskjell i endene av lederen, og en EMF vil også oppstå der. Men naturen til denne kraften vil være annerledes. I denne leksjonen vil vi finne ut hva EMF har i en leder som beveger seg i et magnetfelt.

Tema:Elektromagnetisk induksjon

Lekse:Bevegelse av en leder i et magnetfelt

For å fastslå karakteren av kraften i en leder som beveger seg i et magnetfelt, skal vi gjennomføre et eksperiment. La oss anta at i et vertikalt ensartet magnetfelt med induksjon () er det en horisontal leder med lengde ( l), som beveger seg med konstant hastighet () vinkelrett på magnetfeltets magnetiske induksjonsvektor. Hvis vi kobler et følsomt voltmeter til endene av denne lederen, vil vi se at det vil vise tilstedeværelsen av en potensialforskjell i endene av denne lederen. La oss finne ut hvor denne spenningen kommer fra. I dette tilfellet er det ingen sløyfe og ikke noe skiftende magnetfelt, så vi kan ikke si at bevegelsen av elektroner i lederen oppsto som et resultat av utseendet til et elektrisk virvelfelt. Når lederen beveger seg som en helhet (fig. 1), har ladningene til lederen og de positive ionene som befinner seg i nodene til krystallgitteret, og de frie elektronene, en retningsbevegelseshastighet.

Ris. 1

Disse ladningene vil bli påvirket av Lorentz-kraften fra magnetfeltet. I henhold til regelen "venstre hånd": fire fingre plassert i bevegelsesretningen, vri håndflaten slik at den magnetiske induksjonsvektoren kommer inn på baksiden, så vil tommelen indikere virkningen av Lorentz-kraften på positive ladninger.

Lorentz-kraften som virker på ladninger er lik produktet av modulen til ladningen som den overfører, multiplisert med modulen for magnetisk induksjon, med hastigheten og sinusen til vinkelen mellom den magnetiske induksjonsvektoren og hastighetsvektoren.

Denne kraften vil gjøre arbeid for å overføre elektroner over korte avstander langs lederen.

Da vil det totale arbeidet utført av Lorentz-kraften langs lederen bli bestemt av Lorentz-kraften multiplisert med lengden på lederen.

Forholdet mellom arbeidet utført av en ekstern kraft for å flytte en ladning til mengden ladning som overføres, som bestemt av EMF.

(4)

Så, naturen til forekomsten av indusert emk er Lorentz-styrkens arbeid. Imidlertid, formel 10.4. kan oppnås formelt, basert på definisjonen av EMF av elektromagnetisk induksjon, når en leder beveger seg i et magnetisk felt, krysser linjer med magnetisk induksjon, dekker et visst område, som kan defineres som produktet av lengden på lederen og forskyvningen, som kan uttrykkes i form av hastighet og bevegelsestid. Den induserte emk i størrelse er lik forholdet mellom endringen i magnetisk fluks og tid.

Den magnetiske induksjonsmodulen er konstant, men området som dekker lederen endres.

Etter substitusjon, uttrykkene i formel 10.5. og forkortelsene vi får:

Lorentz-kraften som virker langs lederen, på grunn av hvilken omfordeling av ladninger skjer, er bare en komponent av kreftene. Det er også en andre komponent, som oppstår nettopp som et resultat av bevegelse av ladninger. Hvis elektroner begynner å bevege seg langs en leder, og lederen er i et magnetfelt, begynner Lorentz-kraften å virke, og den vil bli rettet mot bevegelsen av lederens hastighet. Dermed vil den summerende Lorentz-kraften være lik null.

Det resulterende uttrykket for den induserte emk som oppstår når en leder beveger seg i et magnetfelt kan også oppnås formelt, basert på definisjonen. Den induserte emk er lik endringshastigheten for magnetisk fluks per tidsenhet, tatt med et minustegn.

Når en stasjonær leder er i et skiftende magnetfelt og når lederen selv beveger seg i et konstant magnetfelt, oppstår fenomenet elektromagnetiskinduksjon. I begge tilfeller oppstår en indusert emk. Naturen til denne kraften er imidlertid annerledes.

1. Kasyanov V.A., Fysikk 11. klasse: Lærebok. for allmennutdanning institusjoner. - 4. utgave, stereotypi. - M.: Bustard, 2004. - 416 s.: ill., 8 l. farge på
2. Tikhomirova S.A., Yarovsky B.M., Fysikk 11. - M.: Mnemosyne.
3. Gendenstein L.E., Dick Yu.I., Fysikk 11. - M.: Mnemosyne.

1. Fizportal.ru ().
2. Eduspb.com ().
3. Kul fysikk ().

Lekser

1. Kasyanov V.A., Fysikk 11. klasse: Lærebok. for allmennutdanning institusjoner. - 4. utgave, stereotypi. - M.: Bustard, 2004. - 416 s.: ill., 8 l. farge på, st. 115, z. 1, 3, 4, art. 133, z. 4.
2. En vertikal metallstang 50 cm lang beveger seg horisontalt med en hastighet på 3 m/s i et jevnt magnetfelt med en induksjon på 0,15 Tesla. Magnetfeltinduksjonslinjene er rettet horisontalt i rette vinkler på retningen til stavens hastighetsvektor. Hva er den induserte emk i stangen?
3. Ved hvilken minimumshastighet må en 2 m lang stang beveges i et jevnt magnetfelt med en magnetisk induksjon på 50 mT for at det skal oppstå en indusert emk på 0,6 V i staven?
4. * En firkant laget av en 2 m lang ledning beveger seg i et jevnt magnetfelt med en induksjon på 0,3 Tesla (fig. 2). Hva er den induserte emk på hver side av kvadratet? Total indusert emk i kretsen? υ = 5 m/s, α = 30°.

Når en rett leder beveger seg i et magnetfelt, oppstår e.m. d.s. induksjon. Det kan beregnes ikke bare med formelen, men også med formelen e. d.s.

induksjon i en rett leder. Det kommer ut slik. La oss sette likhetstegn mellom formlene (1) og (2) § 97:

BIls = EIΔt, herfra

Hvor s/At=v er bevegelseshastigheten til lederen. Derfor e. d.s. induksjon når lederen beveger seg vinkelrett på magnetfeltlinjene

E = Blv.

Hvis lederen beveger seg med en hastighet v (fig. 148, a), rettet i en vinkel α til induksjonslinjene, så dekomponeres hastigheten v i komponentene v 1 og v 2. Komponenten er rettet langs induksjonslinjene og forårsaker ikke emisjon i den når lederen beveger seg. d.s. induksjon. I dirigenten e. d.s. induseres kun på grunn av komponenten v 2 = v sin α, rettet vinkelrett på induksjonslinjene. I dette tilfellet e. d.s. induksjon vil være

E = Blv sin α.

Dette er formelen e. d.s. induksjon i en rett leder.

Så, Når en rett leder beveger seg i et magnetfelt, induseres en e i den. d.s., hvis verdi er direkte proporsjonal med den aktive lengden til lederen og den normale komponenten av hastigheten på dens bevegelse.

Hvis vi i stedet for en rett leder tar en ramme, vil en e vises når den roterer i et jevnt magnetfelt. d.s. på sine to sider (se fig. 138). I dette tilfellet e. d.s. induksjon vil være E = 2 Blv sin α. Her er l lengden på en aktiv side av rammen. Hvis sistnevnte består av n svinger, så forekommer e i den. d.s. induksjon

E = 2nBlv sin α.

Hva eh. d.s. induksjon avhenger av rotasjonshastigheten v til rammen og av induksjonen B av magnetfeltet, som kan sees i dette eksperimentet (fig. 148, b). Når ankeret til strømgeneratoren roterer sakte, lyser lyspæren svakt: et lavt utslipp har skjedd. d.s. induksjon. Når rotasjonshastigheten til ankeret øker, brenner lyspæren sterkere: en større e oppstår. d.s. induksjon. Med samme hastighet på ankerrotasjonen fjerner vi en av magnetene, og reduserer dermed magnetfeltinduksjonen. Lyset lyser svakt: eh. d.s. induksjon redusert.

Oppgave 35. Rett lederlengde 0,6 m koblet til en strømkilde med fleksible ledere, f.eks. d.s. hvem 24 V og indre motstand 0,5 ohm. Lederen er i et jevnt magnetfelt med induksjon 0,8 tl, hvis induksjonslinjer er rettet mot leseren (fig. 149). Motstand til hele den eksterne kretsen 2,5 ohm. Bestem strømstyrken i lederen hvis den beveger seg vinkelrett på induksjonslinjene med hastighet 10 m/sek. Hva er strømstyrken i en stasjonær leder?

Forholdet mellom elektriske og magnetiske fenomener har alltid interessert fysikere. engelsk fysiker Michael Faraday var helt trygg på enheten mellom elektriske og magnetiske fenomener. Han mente at en elektrisk strøm kunne magnetisere et jernstykke. Kan ikke en magnet i sin tur forårsake en elektrisk strøm? Dette problemet er løst.

Hvis en leder beveger seg i et konstant magnetfelt, beveger de frie elektriske ladningene seg også i den (de blir påvirket av Lorentz-kraften). Positive ladninger er konsentrert i den ene enden av lederen (tråden), negative ladninger i den andre. En potensiell forskjell oppstår - EMF elektromagnetisk induksjon. Fenomenet indusert emk i en leder som beveger seg i et konstant magnetfelt kalles fenomenet elektromagnetisk induksjon.

Regel for å bestemme retningen på induksjonsstrømmen (høyrehåndsregel):

I en leder som beveger seg i et magnetisk felt, oppstår en indusert emk i dette tilfellet bestemt i henhold til Joule-Lenz-loven:

Arbeid utført av en ekstern kraft for å bevege en strømførende leder i et magnetfelt

Induksjon EMF i kretsen

La oss vurdere endringen i magnetisk fluks gjennom en ledende krets (spole). Fenomenet elektromagnetisk induksjon ble oppdaget eksperimentelt:

Lov om elektromagnetisk induksjon (Faradays lov): Den elektromagnetiske induksjons-emf som oppstår i kretsen er direkte proporsjonal med endringshastigheten til den magnetiske fluksen gjennom den.