Электромагнитная индукция

Введение

Нам студентам предстоит решать проблемы ХХI века. Поэтому, если считать основной целью любого учебного
заведения — создание условий для реализации способностей жить в окружающем мире
и полноценно себя в нем реализовать, то необходимо задуматься над тем, какие
основные проблемы будут решаться людьми через 10-20 лет.

Использование новых информационных технологий в учебном
процессе стало не только возможным, но и необходимым условием для полноценного
получения знаний. Современные средства новых информационных технологий
позволяют провести исследования физических процессов в виртуальном режиме,
строить графики, проводить сравнение, анализировать полученные данные. Компьютер
со специальной программой помогает студенту провести опыты в виртуальном
режиме, обработать результаты, реально увидеть происходящие физические процессы
с их графическим отображением в тех опытах, когда невозможно увидеть при реальной
монтажной схеме во время проведения эксперимента.

Этот метод обладает следующими преимуществами перед обычными
измерительными методами:

Возможность мгновенной регистрации происходящих явлений;

Наличие компьютерной программы, обрабатывающей результаты
опыта, избавляет студентов от рутинных математических операций и представляет
результаты эксперимента в удобном виде;

Наблюдая, за экспериментами в виртуальном режиме студент
видит, как протекают физические явления в отдельных участках цепи;

Доступность многократного повторения эксперимента с
минимальными затратами времени на рутинные операции по его проведению.

Выполнение лабораторных работ, решение экспериментальных
задач, наблюдение за физическими явлениями вне лаборатории — все эти модели
исследовательской поисковой деятельности будут актуальными в дальнейшей жизни студента
вне зависимости от выбранной профессии.

Исследование опытов Фарадея в виртуальном режиме при
отсутствии соответствующего оборудования помогают студентам увидеть:

физические процессы, возникающие в катушке при движении
постоянного магнита;

определить зависимость ЭДС от параметров катушки, скорости
движения постоянного магнита;

причины возникновения ЭДС;

изменение направление ЭДС при движении постоянного магнита;

возникновение ЭДС при включении рубильника.

Все эти опыты помогают студенту понять физическую сущность
явления электромагнитной индукции и увидеть на производстве и в быту применение
этого явления.

3.2 Магнитотерапия

В спектре частот разные места занимают радиоволны, свет,
рентгеновское излучение и другие электромагнитные излучения. Их обычно
характеризуют непрерывно связанными между собой электрическими и магнитными
полями.

Однако при определенных условиях электрическая и магнитная
составляющие становятся практически независимыми, и их можно рассматривать
отдельно.

«Магнитотерапия» (лечение магнитным полем) и
«магнитобиология» (биологическое воздействие магнитным полем) — термины,
относящиеся к низкочастотному диапозону. Для лечения с помощью
электромедицинских аппаратов используют постоянное магнитное поле (франклинизация),
магнитное поле 10-40 мГц (индуктотерапия), электрическое поле 25-50 мГц (УВЧ — терапия).
Отмечено, что при воздействии магнитным полем происходит изменение
окислительно-восстановительных процессов и перекисного окисления липидов,
перестройка в звеньях эндокринной системы. Противовоспалительный эффект
действия магнитного поля связывают с изменением в свертывающей и
противосвертывающей системах крови, улучшением микроциркуляции, а также
выбросом гормонов. Магнитотерапия применяется в имплантологии и травматологии, т.к.
ускоряет процессы регенерации тканей.

1.2 Современная теория электромагнитной индукции

Взаимная связь электрических и магнитных полей была установлена английским физиком М. Фарадеем. Электрические токи создают вокруг себя магнитное поле. А не может ли магнитное поле вызвать появление

электрического поля? Фарадеем экспериментально было обнаружено, что при изменении магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, в нем возникает электрический ток. Это явление было названо электромагнитной индукцией. Ток возникающий при явлении электромагнитной индукции называют индукционным. Строго говоря, придвижении контура в магнитном поле генерируется не определенный ток, а определенная ЭДС. Более подробное изучение электромагнитной индукции показало, что ЭДС индукции, возникающая в каком-либо замкнутом контуре, равна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром, взятую с обратным знаком.

Электродвижущая сила в цепи — это результат действия сторонних сил, т.е. сил неэлектрического происхождения. При движении проводника в магнитном поле роль сторонних сил выполняет сила Лоренца, под действием которой происходит разделение зарядов, в результате чего на концах проводника появляется разность потенциалов. ЭДС индукции в проводнике характеризует работу по перемещению единичного положительного заряда вдоль проводника.

Явление электромагнитной индукции лежит в основе действия электрических генераторов. Если равномерно вращать проволочную рамку в однородном магнитном поле, то возникает индуцированный ток, периодически изменяющий свое направление. Даже одиночная рамка, вращающаяся в однородном магнитном поле, представляет собой генератор переменного тока.

1.1 История открытия явления электромагнитной индукции

Высказывания синьоров Нобили и Антинори из журнала «Antologia».

Господин Фарадей недавно открыл новый класс
электродинамических явлений. Он представил об этом мемуар Лондонскому
королевскому Обществу, но этот мемуар до сих пор еще не опубликован. Мы знаем о
нем только заметку, сообщенную г. Гашеттом Академии наук в Париже 26 декабря, на
основании письма, которое он получил от самого г. Фарадея.

Это сообщение побудило кавалера Антинори и меня самого
тотчас же повторить основной опыт и изучить его с разнообразных точек зрения. Мы
льстим себя надеждой, что результаты, к которым мы пришли, имеют известное
значение, а потому мы спешим опубликовать их, не имея никаких предшествоваших материалов,
кроме той заметки, которая послужила исходной точкой в наших исследованиях.

«Мемуар г. Фарадея, — как говорит заметка, — делится на
четыре части.

В первой, озаглавленной «Возбуждение гальванического
электричества», мы находим следующий главный факт: гальванический ток,
проходящий через металлический провод, производит другой ток в приближаемом
проводе; второй ток по направлению противоположен первому и продолжается только
одно мгновение. Если возбуждающий ток удалить, в проводе, находящемся под его
влиянием, возникает ток, противоположный тому, который возникал в нем в первом
случае, т.е. в том же направлении, как возбуждающий ток.

Вторая часть мемуара повествует об электрических токах, вызываемых
магнитом. Приближая к магнитам катушки, г. Фарадей производил электрические
токи; при удалении катушек возникали токи противоположного направления. Эти
токи сильно действуют на гальванометр, проходят, хотя и слабо, через рассол и
другие растворы. Отсюда следует, что этот ученый, пользуясь магнитом, возбуждал
электрические токи, открытые г. Ампером.

Третья часть мемуара относится к основному электрическому
состоянию, которое г. Фарадей называет электромоническое состояние.

В четвертой части говорится о столь же любопытном, как и
необычном опыте, принадлежащим г. Араго; как известно, этот опыт состоит в том,
что магнитная стрелка вращается под влиянием вращающегося металлического диска.
Он установил, что при вращении металлического диска под влиянием магнита могут
появляться электрические токи в количестве, достаточном для того, чтобы сделать
из диска новую электрическую машину.

Нам не пришлось делать предварительных опытов, чтобы добиться
удачи с опытом г. Фарадея. Первые же катушки, которые мы приблизили к полюсу
магнита, сразу оказали свое влияние на гальванометр.

Произведя опыты с кольцеобразной катушкой между полюсами
подковообразного магнита, мы заметили, что действие было гораздо слабее, чем то,
которое производилось с той же катушкой, когда к магниту прикладывался его
якорь. Этот факт наводит на мысль о том, что можно,

Намотав на такой магнит медную проволоку, покрытую шелком,
иметь прибор, всегда готовый для таких опытов.

Исследования электоролиза

Опыты Фарадея не ограничивались изучением магнитных полей. Большая часть современных представлений об электролизе и ионах обязана своим появлением этому английскому ученому. Обширную серию опытов по изучению поведения химических растворов в электрическом поле Фарадей свел к двум простым законам, которыми мы пользуемся и в настоящее время:

• Масса вещества, образованная при электролизе на электродах, прямо пропорциональна произведению времени на ток (т. е. количеству электричества);
• при одном и том же количестве электричества масса вещества, образованного на электродах, пропорциональна химическому эквиваленту данного вещества.

В ходе опытов Фарадей доказал, что для получения 1,008 кг водорода необходимо затратить 96500000 кулон электричества. Столько же электричества нужно для получения 35,4 кг хлора, 63,6/2 кг меди, 16/2 кг кислорода. Таким образом, мера электричества, необходимая для получения одного химического эквивалента вещества, была названа числом Фарадея.

Огромный вклад, который внес этот необыкновенный и талантливый ученый в физику, ставит его на один уровень с Ньютоном, Джоулем, Эйнштейном и другими великими людьми.

«Электромагнитная индукция»

Электромагнитная индукция — это явление, которое заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводнике в результате изменения магнитного поля, в котором он находится. Это явление открыл английский физик М. Фарадей в 1831 г. Суть его можно пояснить несколькими простыми опытами.

Описанный в опытах Фарадея принцип получения переменного тока используется в индукционных генераторах, вырабатывающих электрическую энергию на тепловых или гидроэлектростанциях. Сопротивление вращению ротора генератора, возникающее при взаимодействии индукционного тока с магнитным полем, преодолевается за счет работы паровой или гидротурбины, вращающей ротор. Такие генераторы преобразуют механическую энергию в энергию электрического тока.

Вихревые токи, или токи Фуко

Если массивный проводник поместить в переменное магнитное поле, то в этом проводнике благодаря явлению электромагнитной индукции возникают вихревые индукционные токи, называемые токами Фуко.

Вихревые токи возникают также при движении массивного проводника в постоянном, но неоднородном в пространстве магнитном поле. Токи Фуко имеют такое направление, что действующая на них в магнитном поле сила тормозит движение проводника. Маятник в виде сплошной металлической пластинки из немагнитного материала, совершающий колебания между полюсами электромагнита, резко останавливается при включении магнитного поля.

Во многих случаях нагревание, вызываемое токами Фуко, оказывается вредным, и с ним приходится бороться. Сердечники трансформаторов, роторы электродвигателей набирают из отдельных железных пластин, разделенных слоями изолятора, препятствующего развитию больших индукционных токов, а сами пластины изготовляют из сплавов, имеющих высокое удельное сопротивление.

Электромагнитное поле

Электрическое поле, созданное неподвижными зарядами, является статическим и действует на заряды. Постоянный ток вызывает появление постоянного во времени магнитного поля, действующего на движущиеся заряды и токи. Электрическое и магнитное поля существуют в этом случае независимо друг от друга.

Явление электромагнитной индукции демонстрирует взаимодействие этих полей, наблюдаемое в веществах, в которых есть свободные заряды, т. е. в проводниках. Переменное магнитное поле создает переменное электрическое поле, которое, действуя на свободные заряды, создает электрический ток. Этот ток, будучи переменным, в свою очередь порождает переменное магнитное поле, создающее электрическое поле в том же проводнике, и т. д.

Совокупность переменного электрического и переменного магнитного полей, порождающих друг друга, называется электромагнитным полем. Оно может существовать и в среде, где нет свободных зарядов, и распространяется в пространстве в виде электромагнитной волны.

Классическая электродинамика — одно из высших достижений человеческого разума. Она оказала огромное влияние на последующее развитие человеческой цивилизации, предсказав существование электромагнитных волн. Это привело в дальнейшем к созданию радио, телевидения, телекоммуникационных систем, спутниковых средств навигации, а также компьютеров, промышленных и бытовых роботов и прочих атрибутов современной жизни.

Краеугольным камнем теории Максвелла явилось утверждение, что источником магнитного поля может служить одно только переменное электрическое поле, подобно тому, как источником электрического поля, создающим в проводнике индукционный ток, служит переменное магнитное поле. Наличие проводника при этом не обязательно — электрическое поле возникает и в пустом пространстве. Линии переменного электрического поля, аналогично линиям магнитного поля, замкнуты. Электрическое и магнитное поля электромагнитной волны равноправны.

Электромагнитная индукция в схемах и таблицах

(Явление электромагнитной индукции, опыты Фарадея, правило Ленца, закон электромагнитной индукции, вихревое электрическое поле, самоиндукция, индуктивность, энергия магнитного поля тока)

Дополнительные материалы по теме:

Конспект урока по физике в 11 классе «Электромагнитная индукция».

Следующая тема: «».

Майкл Фарадей – основоположник закона индукции

Майкл Фарадей

Ученый занимавшиеся изучением электричества – великий английский физик и химик Майкл Фарадей (1791-1867). Его заслуга в изучении взаимной магнитной индукции между двумя связанными контурами как основа при производстве электричества огромна.

Будучи сыном кузнеца, он был самоучкой, благодаря книгам по химии и электричеству, которые он читал во время своего ученичества в переплетной мастерской—работу, которую он начал в возрасте 14 лет. Когда он был еще подростком, у него была возможность посещать лекции великого химика Хамфри Дэви в Королевском институте. В возрасте 21 года Дэви нанял его помощником в Королевский институт, где Фарадей оставался в течение следующих 50 лет, будучи назначен заведующим его лабораторией в 1821 году. Хотя отсутствие формального образования оставляло ему математические пробелы, они были в значительной степени компенсированы поразительной экспериментальной интуицией, которая позволила ему стать одним из самых влиятельных экспериментальных исследователей всех времен.

В 1821 году Фарадей начал исследовать взаимодействие между магнитами и токами. Он разработал концепцию силовой линии (термин, который он ввел) для обоснования фигур, образованных железными опилками вблизи магнита. Используя эту концепцию, в августе 1831 года он открыл взаимную магнитную индукцию, отметив переходный ток, индуцируемый в катушке, когда ток включался и выключался во второй катушке. Обе катушки были намотаны на один и тот же тороидальный железный сердечник.

В октябре 1831 года Фарадей наблюдал самоиндукцию, возникающую в результате тока, индуцируемого в соленоидальной катушке движением магнита внутри ее отверстия.

Фарадей ввел термин электродвижущая сила для такого эффекта, и мы все еще видим это в использовании сегодня.

В 1831 году Фарадей также создал представление электромеханического генератора. Он ввел понятие диэлектрической проницаемости и построил первый переменный конденсатор в 1837 году. Он также изучал оптику и поляризацию света вместе со своим другом Чарльзом Уитстоуном, открыв в 1845 году эффект Фарадея (вращение поляризованного света при прохождении через намагниченную область).

Между 1846 и 1855 годами Фарадей признал магнитные свойства материи и ввел понятие диамагнетизма. Развивая идею силовых линий, он ввел понятия электрического и магнитного полей.

Не менее важными были открытия Фарадея в области химии, где он написал несколько прорывных работ. Он собрал свою колоссальную научную продукцию главным образом в экспериментальных исследованиях, опубликованных в нескольких номерах между 1839 и 1855 годами. Он выступал с памятными лекциями в Королевском институте, был назначен членом Королевского общества в 1824 году и дважды получил медаль Копли, в 1832 и 1838 годах, но отказался от дворянского титула и президентства Королевского института (1864) и не хотел регистрировать никаких патентов.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. На рисунке показано, как установилась магнитная стрелка между полюсами двух одинаковых магнитов. Укажите полюса магнитов, обращённые к стрелке.

1) 1 — S, 2 — N 2) 1 — А, 2 — N 3) 1 — S, 2 — S 4) 1 — N, 2 — S

2. Па рисунке представлена картина линий магнитного поля от двух полосовых магнитов, полученная с помощью магнитной стрелки и железных опилок. Каким полюсам полосовых магнитов соответствуют области 1 и 2?

1) 1 — северному полюсу; 2 — южному 2) 1 — южному; 2 — северному полюсу 3) и 1, и 2 — северному полюсу 4) и 1, и 2 — южному полюсу

3. При прохождении электрического тока по проводнику магнитная стрелка, находящаяся рядом, расположена перпендикулярно проводнику. При изменении направления тока на противоположное. Стрелка

1) повернётся на 90° 2) повернётся на 180° 3) повернётся на 90° или на 180° в зависимости от значения силы тока 4) не изменит свое положение

4. Проводник, по которому протекает электрический ток, расположен перпендикулярно плоскости чертежа (см. рисунок). Расположение какой из магнитных стрелок, взаимодействующих с магнитным полем проводника с током, показано правильно?

1) 1 2) 2 3) 3 4) 4

5. Из проводника сделали кольцо и по нему пустили электрический ток. Ток направлен против часовой стрелки (см. рисунок). Как направлен вектор магнитной индукции в центре кольца?

1) вправо 2) влево 3) на нас из-за плоскости чертежа 4) от нас за плоскость чертежа

6. По катушке идёт электрический ток, направление которого показано на рисунке. При этом на концах железного сердечника катушки

1) образуются магнитные полюса — на конце 1 — северный полюс, на конце 2 — южный 2) образуются магнитные полюса — на конце 1 — южный полюс, на конце 2 — северный 3) скапливаются электрические заряды: на конце 1 — отрицательный заряд, на конце 2 — положительный 4) скапливаются электрические заряды: на конце 1 — положительный заряд, на конце 2 — отрицательный

7. Два параллельно расположенных проводника подключили параллельно к источнику тока.

Направление электрического тока и взаимодействие проводников верно изображены на рисунке

8. В однородном магнитном поле на проводник с током, расположенный перпендикулярно плоскости чертежа (см. рисунок), действует сила, направленная

9. Сила, действующая на проводник с током, который находится в магнитном поле между полюсами магнита направлена

10. На рисунке изображён проводник с током, помещённый в магнитное поле. Стрелка указывает направление тока в проводнике. Вектор магнитной индукции направлен перпендикулярно плоскости рисунка к нам. Как направлена сила, действующая на проводник с током?

11. Из приведённых ниже утверждений выберите два правильных и запишите их номера в таблицу.

1) Вокруг неподвижных зарядов существует магнитное поле. 2) Вокруг неподвижных зарядов существует электростатическое поле. 3) Если разрезать магнит на две части, то у одной части будет только северный полюс, а у другой — только южный. 4) Магнитное поле существует вокруг движущихся зарядов. 5) Магнитная стрелка, находящаяся около проводника с током, всегда поворачивается вокруг своей оси.

12. Электрическая схема содержит источник тока, проводник АВ, ключ и реостат. Проводник АВ помещён между полюсами постоянного магнита (см. рисунок).

Используя рисунок, выберите из предложенного перечня два верных утверждения. Укажите их номера.

1) При перемещении ползунка реостата влево сила Ампера, действующая на проводник АВ, увеличится. 2) При замкнутом ключе проводник будет выталкиваться из области магнита вправо. 3) При замкнутом ключе электрический ток в проводнике имеет направление от точки В к точке А. 4) Магнитные линии поля постоянного магнита в области расположения проводника АВ направлены вертикально вниз. 5) Электрический ток, протекающий в проводнике АВ, создаёт однородное магнитное поле.

Часть 2

13. Участок проводника длиной 0,1 м находится в магнитном поле индукцией 50 мТл. Сила тока, протекающего по проводнику, 10 А. Какую работу совершает сила ампера при перемещении проводника на 8 см в направлении своего действия? Проводник расположен перпендикулярно линиям магнитной индукции.

Примечания

1. Миллер М. А., Пермитин Г. В. // Физическая энциклопедия : / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая российская энциклопедия, 1999. — Т. 5: Стробоскопические приборы — Яркость. — С. 537—538. — 692 с. — 20 000 экз. — ISBN 5-85270-101-7.

2. Это уравнение Максвелла может быть переписано в эквивалентном виде

   ∮∂S⁡E→⋅dl→=−∫S∂B→∂t⋅ds→{\displaystyle \oint _{\partial S}{\vec {E}}\cdot {\vec {dl}}=-\int _{S}{\frac {\partial {\vec {B}}}{\partial t}}\cdot {\vec {ds}}}

   (здесь просто производная по t внесена под знак интеграла). В таком виде уравнение также может быть включено в систему уравнений Максвелла, причем оговорка о неподвижности контура интегрирования теряет актуальность, так как производная теперь не действует на границу области (на пределы интегрирования), а само интегрирование в любом случае полагается «мгновенным». В принципе, в таком виде это уравнение также могут называть законом Фарадея (чтобы отличить его от других уравнений Максвелла), пусть в таком виде оно и не совпадает прямо с его обычной формулировкой (но эквивалентно ей в своей области применимости).

3. Такой отказ объясняется тем, что, в отличие от закона для циркуляции электрического поля, выполняющегося всегда, «правило» корректно работает лишь для случаев, когда контур, в котором вычисляется ЭДС, совпадает физически с проводником (то есть совпадает их движение; в противном же случае правило может не работать (самый известный пример — униполярная машина Фарадея; контур, который в этом случае трудно определить, но кажется довольно очевидным, что он не меняется; во всяком случае, довольно затруднительно указать разумное определение для контура, который бы в этом случае менялся), то есть проявляется парадокс, что для «закона природы» недопустимо.