На основе явления электромагнитной индукции основана работа многих видов электротехники, например, трансформаторов и генераторов. Данное физическое явление было открыто не так давно, но оно позволяет человечеству получать переменный электрический ток, не потребляя тонны угля и не требуя силу переменчивого ветра.
Принцип явления состоит в появлении тока в замкнутом проводящем контуре, который либо находится в состоянии покоя в изменяющемся во времени магнитном поле, либо при движении проводника в постоянном магнитном поле, пронизывающем его. В этом заключается определение явления в физике. Простыми словами, электромагнитная индукция позволяет создать электрический ток в замкнутом контуре с помощью изменяющихся во времени магнитных полей. Это очень важно, например, при изучении принципа работы генератора.
Электродвижущая сила индукции
Когда контур движется внутри не изменяющегося магнитного поля или когда неподвижный контур находится рядом с движущимся (обычно вращающимся) магнитом, возникает сила, которая называется электродвижущая сила (ЭДС) индукции. ЭДС, в свою очередь, определяется величиной магнитного потока, от него не зависящим: кратко говоря, чем больше силовых линий пронизывает контур, тем больше индукционная электродвижущая сила.
Но для возникновения данной силы необходим именно замкнутый контур, так как для возникновения электрического поля необходимо обеспечить замкнутое движение электрических зарядов.
Стандартные формулы про индукцию
Чтобы найти электромагнитную индукцию в замкнутом контуре, применяется простая формула: необходимо найти отношение изменения потока магнитного поля через контур к изменению времени:
В движущемся проводнике ЭДС находят по другой формуле, зная длину проводника l, скорость движения проводника v, с которой он движется в магнитном поле, модуль вектора магнитной индукции B и угол между данным вектором и направлением вектора скорости (угол альфа), найдя синус угла и перемножив их:
Данные формулы помогут определить электродвижущую силу индукции.
Принятая в науке физика величина, в которой измеряется ЭДС – вольт (В). Другие единицы измерения для ЭДС не используются.
Опыт первый для уяснения
Чтобы представить себе явление электромагнитной индукции, необходимо мысленно проследить ход опытов, которые способствовали открытию явления.
Для первого опыта используются две катушки: витки одной должны находиться внутри витков второй. Концы одной катушки соединяются с гальванометром, а через другую проводится ток. В момент, когда ток подаётся или отключается, стрелка гальванометра отклоняется от положения на нуле. Это значит, что в катушке возникал импульс электричества, несмотря на то, что она не была непосредственно подключена к источнику тока. Данный опыт доказывает возникновение индукционного тока.
Опыт второй
Для другого опыта понадобится одна катушка и магнит. Катушка подключается к гальванометру для регистрации индукционного тока, а магнит вносится внутрь катушки и вынимается из неё с разной скоростью. В результате опыта делается вывод: от скорости движения магнита зависит сила появляющегося в проводнике тока.
Опыт третий
Для опыта снова понадобятся две катушки, одна из которых подключена к гальванометру, а другая подвержена электрическому току. Если подносить первую катушку ко второй, а потом увеличивать расстояние между катушками, то в первой появится индукционный ток. При этом направление тока в контуре будет различным при приближении и отдалении катушки.
История открытия явления электромагнитной индукции
Открытие явления ЭДС относится к началу девятнадцатого века. Впервые в 1820 году датский исследователь и учёный-физик Ханс Кристиан Эрстед обратил внимание на отклонение магнитной стрелки при подключении проводника к источнику питания. Это наблюдение показало, что вокруг проводника с током возникает магнитное поле, но назвать причину явления Эрстед не смог. В том же году французский учёный Андре-Мари Ампер обнаружил связь, которая заключалась во взаимодействии между двумя цепями, проводящими электричество: два провода взаимодействовали между собой. Но развить идею физику не удалось.
Опыты Фарадея
Явление заинтересовало английского физика, экспериментатора и химика Майкла Фарадея: он загорелся идеей «превратить магнетизм в электричество». Не без помощи учёного сэра Г. Дэви, которого называют учителем юного гения, Фарадей ставит многочисленные опыты и поначалу терпит множество неудач, продолжая обучение в свободной форме. Только в 1831 ему удалось добиться успеха: он открыл электромагнитную индукцию в одном из проводов, находящемся рядом с другим, подключённым к соленоиду.
Опыт, позволивший учёному обнаружить явление, состоящее в возникновении ЭДС, был простым и схожим с вышеописанным опытом первым: физик намотал на железное кольцо два куска медной проволоки. Одна проволока была подключена к источнику тока, а к другой была прикреплена магнитная стрелка. При включении тока стрелка поворачивалась в одну сторону, а при выключении – в другую. Таким образом Фарадею стало понятно, что для создания электрического тока во второй цепи необходимо переменное магнитное поле.
Применение на производстве
Явление ЭДС индукции в замкнутом контуре широко применяется в таких сферах применения науки физика, как электротехнике и электроэнергетике. Так, принцип работы генератора электричества основывается на возникновении электрической энергии из механической. Катушка с проволокой (или токопроводящая рамка), находящаяся внутри магнитного поля, непрерывно вращается, и переменный электрический ток генерируется. Первая версия подобного электрогенератора была создана М. Фарадеем.
Помимо этого, данное физическое явление используется для работы индукционных печей, которые призваны создавать высокие температуры на крупных производства. Вся конструкция печи является проводником электричества, которое раскаляет её поверхность.
Применение в быту
На основе ЭДС функционируют даже электрические счётчики, внутри которых в качестве контура вращается алюминиевый диск. Более того, явление электромагнитной индукции используется не только для работы специализированной техники и производств, но и в обычных бытовых предметах, таких как пылесос, миксер, фен.
Любой электродвигатель тоже функционирует благодаря явлению электромагнитной индукции. Об этом подробнее я рассказывал тут.
Возникновение индуктивности применяется в микрофонах, которые преобразуют механические колебания в электрические. Благодаря этому закону физики функционирует электрическая цепь, являющаяся основой работы радиотехники. Так, электромагнитная индукция – это физическое явление, которое находит применение в бытовых электромашинах.
Не забывайте подписываться на телегу проекта и искать авторские статьи в моем ДЗЕН.
Поделиться: