Что является причиной возникновения индуцированного электрического поля

Инфофиз

Вихревое электрическое поле

Переменное магнитное поле порождает индуцированное электрическое поле. Если магнитное поле постоянно, то индуцированного электрического поля не возникнет. Следовательно, индуцированное электрическое поле не связано с зарядами, как это имеет место в случае электростатического поля; его силовые линии не начинаются и не заканчиваются на зарядах, а замкнуты сами на себя, подобно силовым линиям магнитного поля. Это означает, что индуцированное электрическое поле, подобно магнитному, является вихревым.

Если неподвижный проводник поместить в переменное магнитное поле, то в нем индуцируется э. д. с. Электроны приводятся в направленное движение электрическим полем, индуцированным переменным магнитном полем; возникает индуцированный электрический ток. В этом случае проводник является лишь индикатором индуцированного электрического поля. Поле приводит в движение свободные электроны в проводнике и тем самым обнаруживает себя. Теперь можно утверждать, что и без проводника это поле существует, обладая запасом энергии.

Сущность явления электромагнитной индукции заключается не столько в появлении индуцированного тока, сколько в возникновении вихревого электрического поля.

Это фундаментальное положение электродинамики установлено Максвеллом как обобщение закона электромагнитной индукции Фарадея.

В отличие от электростатического поля индуцированное электрическое поле является непотенциальным, так как работа, совершаемая в индуцированном электрическом поле, при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна э. д. с. индукции, а не нулю.

Направление вектора напряженности вихревого электрического поля устанавливается в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея и правилом Ленца. Направление силовых линий вихревого эл. поля совпадает с направлением индукционного тока.

Так как вихревое электрическое поле существует и в отсутствие проводника, то его можно применять для ускорения заряженных частиц до скоростей, соизмеримых со скоростью света. Именно на использовании этого принципа основано действие ускорителей электронов — бетатронов.

Индукционное электрическое поле имеет совершенно другие свойства в отличии от электростатического поля.

Отличие вихревого электрического поля от электростатического

1) Оно не связано с электрическими зарядами;
2) Силовые линии этого поля всегда замкнуты;
3) Работа сил вихревого поля по перемещению зарядов на замкнутой траектории не равна нулю.

электростатическое поле	индукционное электрическое поле ( вихревое электр. поле )
1. создается неподвижными электр. зарядами	1. вызывается изменениями магнитного поля
2. силовые линии поля разомкнуты — потенциальное поле	2. силовые линии замкнуты — вихревое поле
3. источниками поля являются электр. заряды	3. источники поля указать нельзя
4. работа сил поля по перемещению пробного заряда по замкнутому пути = 0.	4. работа сил поля по перемещению пробного заряда по замкнутому пути = ЭДС индукции

Тема 16. Явление электромагнитной индукции

Как отмечалось, вокруг любого проводника с электрическим током возникает магнитное поле. Английский физик М. Фарадей считал, что между электрическими и магнитными явлениями существует тесная взаимосвязь: раз вокруг проводника с током возникает магнитное поле, то должно иметь место и обратное явление – возникновение электрического тока в замкнутом проводнике под действием магнитного поля.

В 1831 г. М. Фарадей экспериментально обнаружил, что при изменении магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, в нем возникает электрический ток. Это явление было названо электромагнитной индукцией(«индукция» означает «наведение»).

В одном из первых опытов на немагнитном стержне помещались две изолированные друг от друга медные спирали (рис. 4.1). Концы одной из них (1) через ключ К присоединялись к гальванической батарее Б, концы другой (2) – к гальванометру Г, регистрирующему слабые токи. При неизменной силе тока I₁ в первой спирали гальванометр показывалI₂=0. Однако при замыкании и размыкании ключа К стрелка гальванометра слегка отклонялась, а затем быстро возвращалась в исходное положение. Значит, в спирали 2 возникал кратковременный электрический ток, который был названиндукционным. Причиной возникновения индукционного токаI₂ является изменение магнитного поля, пронизывающего спираль 2. Направления индукционного тока при замыкании и размыкании ключа были противоположными.

Явление электромагнитной индукции можно наблюдать и тогда, когда в магнитном поле, образовавшемся между полюсами постоянного магнита, перемещается замкнутый проводник. Если этот проводник находится в покое, то в нем никакого тока не будет. Но стоит только сдвинуть его с места и перемещать так, чтобы он пересекал силовые линии магнитного поля, как тотчас же в проводнике появится электродвижущая сила и как следствие – индукционный ток. В данном случае индукционный ток возникает в проводнике за счет той механической энергии, которая затрачивается при перемещении проводника в магнитном поле. При этом механическая энергия преобразуется в энергию электрическую.

После многочисленных опытов Фарадей установил, что в замкнутом проводящем контуре индукционный ток возникает лишь в тех случаях, когда он находится в переменном магнитном поле, независимо от того, каким способом достигается изменение во времени потока индукции магнитного поля. Обобщая результаты экспериментов, Фарадей пришел к количественному описанию явления электромагнитной индукции. Он показал, что при изменении сцепленного с контуром потока магнитной индукции, в контуре возникает индукционный ток; возникновение тока указывает на наличие в цепи электродвижущей силы. Значение ЭДС электромагнитной индукции определяется скоростью изменения магнитного потока:

(4.1)

где k– коэффициент пропорциональности.

Рассмотрим, как возникает ЭДС индукции, а, следовательно, индукционный ток. Пусть проводник без тока длиной lдвижется в магнитном поле с индукциейсо скоростью(рис. 4.2). При движении проводника его свободные электроны также будут двигаться вправо, то есть возникает конвекционный ток. На каждый свободный электрон со стороны магнитного поля действует сила Лоренца. Под ее действием электроны накапливаются в нижней части проводника; соответственно положительные ионы будут накапливаться в верхней части и по концам проводника возникает разность потенциалов. Образуется электрическое поле напряженностью, препятствующее дальнейшему перемещению электронов. Это перемещение прекратится, когда, то есть, или. С другой стороны,, то есть.

Если проводник замкнуть, то в цепи потечет электрический ток. Таким образом, в проводнике индуцируется ЭДС

(4.2)

В рассматриваемом случае , поэтому.

Профессор Петербургского университета Э.Х. Ленц исследовал связь между направлением индукционного тока и характером вызвавшего его изменения магнитного потока. В 1833 г. он установил закон, известный, как правило Ленца: при всяком изменении магнитного потока сквозь замкнутый проводящий контур в последнем возникает индукционный ток такого направления, что его магнитное поле противодействует изменению внешнего магнитного потока.

Объединив закон Фарадея и правило Ленца, получим основной закон электротехники – закон электромагнитной индукции:

(4.3)

то есть ЭДС электромагнитной индукции в замкнутом проводящем контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока сквозь поверхность, ограниченную этим контуром.

Направление ЭДС индукции, а, следовательно, и индукционного тока в проводнике, который перемещается в магнитном поле, можно также определить, пользуясь правилом правой руки. Это правило можно сформулировать следующим образом:если ладонь правой руки расположить так, чтобы силовые линии магнитного поля были ей перпендикулярны и входили в нее, а отогнутый большой палец указывал направление перемещения проводника, то остальные вытянутые пальцы укажут направление индукционного тока в проводнике.

Как показано выше, возбуждение ЭДС индукции при движении контура в постоянном магнитном поле объясняется действием силы Лоренца, возникающей при перемещении проводника. Вместе с тем согласно закону Фарадея, возникновение индукционного тока возможно и в случае неподвижного контура, находящегося в переменноммагнитном поле. Однако сила Лоренца на неподвижные заряды не действует, поэтому в данном случае ею нельзя объяснить возникновение ЭДС электромагнитной индукции.

Для объяснения ЭДС индукции в неподвижных проводниках Максвелл предположил, что всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле, которое и является причиной возникновения индукционного тока в проводнике. В этом случае проводник является лишь индикатором индуцированного (вихревого) электрического поля: поле приводит в движение свободные электроны проводника и тем самым обнаруживает себя.

Таким образом, сущность явления электромагнитной индукции заключается не столько в появлении индукционного тока, сколько в возникновении вихревого электрического поля, являющегося носителем энергии. Это является одним из фундаментальных положений электродинамики.

В отличие от электростатического поля индуцированное электрическое поле является непотенциальным, так как работа, совершаемая в вихревом электрическом поле при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру L, равна не нулю, а ЭДС электромагнитной индукции

(4.4)

где – вектор напряженности индуцированного электрического поля.

Так как вихревое электрическое поле объективно существует и в отсутствие проводника, то его можно применять для ускорения заряженных частиц до скоростей, соизмеримых со скоростью света. На использовании этого принципа основано действие ускорителей электронов – бетатронов.

Явление самоиндукции. Индуктивность контура

Электрический ток, протекающий в замкнутом контуре, создает вокруг себя магнитное поле, индукция Bкоторого по закону Био-Савара-Лапласа пропорциональна силе тока (BI). Следовательно, сцепленный с контуром магнитный потокФ, также пропорционален силе тока ():(4.5)

где L– коэффициент пропорциональности, называемыйиндуктивностью контураиликоэффициентом самоиндукции.

При изменении силы тока в контуре будет изменяться и сцепленный с ним магнитный поток; следовательно, в контуре будет индуцироваться ЭДС, обусловленная изменением его собственного магнитного поля. Такая ЭДС называется электродвижущей силой самоиндукции. Самоиндукция – это частный случай явления электромагнитной индукции.

Из выражения (4.5) определяется единица индуктивности – генри (Гн): 1 Гн – индуктивность такого контура, магнитный поток которого при силе тока 1 А равен 1 Вб:

Индуктивность контура зависит от его геометрической формы, размеров и от магнитных свойств среды, в которой он находится. Например, для катушки (соленоида) длиной lи площадью сечения виткаS, намотанной на сердечник с магнитной проницаемостью,

(4.6)

где N– общее число витков соленоида,– магнитная постоянная. Учитывая, что объем соленоида, а– число витков, приходящихся на единицу длины, формулу (4.6) можно переписать в виде

(4.7)

Из формул (4.6) и (4.7) следует, что индуктивность катушки, имеющей железный сердечник, больше, чем у катушки без сердечника. Катушка с железным сердечником, имеющая большой коэффициент самоиндукции, называется дросселем.

Применяя к явлению самоиндукции закон Фарадея, получим, что ЭДС самоиндукции равна

(4.8)

где знак «минус», обусловленный правилом Ленца, показывает, что наличие индуктивности в контуре приводит к замедлению изменения тока в нем. Если ток в контуре возрастает, тои, то есть ток самоиндукции направлен навстречу току внешнего источника и тормозит его возрастание. Если ток в контуре уменьшается, тои, то есть возникающий ток самоиндукции замедляет убывание тока внешнего источника. Таким образом, контур, обладая определенной индуктивностью, приобретаетэлектрическую инертность, заключающуюся в том, что любое изменение тока тормозится тем сильнее, чем больше индуктивность цепи.

Из выражения (4.8) следует еще одно определение единицы индуктивности: 1 Гн – это индуктивность такого контура, в котором при изменении тока на 1 ампер в секунду возникает ЭДС самоиндукции в 1 В, то есть 1 Гн = 1 (В·с)/А.

В случаях, когда по техническим условиям надо иметь катушку с весьма малой индуктивностью, применяют бифилярные обмотки. Чтобы получить бифилярную обмотку, проволоку складывают вдвое и в таком виде наматывают на каркас катушки (рис. 4.3). При такой намотке ток в каждых двух соседних витках имеет противоположные направления, и поэтому действие магнитного потока одного витка компенсируется действием другого, а суммарный магнитный поток для такой обмотки должен равняться нулю.

Взаимная индукция

Если два контура расположены один возле другого и в каждом из них изменяется сила тока, то они будут взаимно влиять друг на друга. Изменение в первом контуре вызовет появление индуцированной ЭДС во втором контуре и, наоборот, изменение токаи магнитного поля второго контура будет причиной появления индуцированной ЭДС в первом контуре. Это явление называетсявзаимоиндукцией, а ЭДС, возникающая вследствие влияния контуров друг на друга, называетсяЭДС взаимоиндукции.

Таким образом, явление взаимоиндукции – это тоже одна из разновидностей электромагнитной индукции. Явление взаимоиндукции характеризуется коэффициентом взаимоиндукцииили. Его называют также взаимной индуктивностью контуров. Коэффициент взаимоиндукции измеряют в тех же единицах, что и коэффициент самоиндукции, то есть в генри и миллигенри.

Рассмотрим два неподвижных контура, расположенных достаточно близко друг от друга (рис. 4.4). Если в контуре 1 течет ток силой , то магнитный поток, создаваемый этим током, пропорционален. Часть этого потока, пронизывающего контур 2, равна

где – взаимная индуктивность контуров.

Если ток изменяется, то в контуре 2 индуцируется ЭДС

(4.8)

Аналогично, при протекании тока силой в контуре 2 его магнитный поток пронизывает контур 1 и

(4.9)

Расчеты, подтверждаемые опытом, показывают, что . Эти коэффициенты зависят от геометрической формы, размеров, взаимного расположения контуров и магнитной проницаемости среды, окружающей контуры.

Из формул (4.8) и (4.9) следует, что взаимоиндукция в один генри будет между двумя контурами тогда, когда в одном из них возникает ЭДС взаимоиндукции, равная одному вольту при изменении силы тока в другом контуре на один ампер в секунду.

Явление взаимоиндукции используется в электротехнических устройствах, которые применяются для повышения и понижения напряжения переменного тока. Такие устройства называют трансформаторами.

Индукционные явления служат причиной возникновения внутри металлов паразитных токов. Эти токи называют вихревыми токамиилитоками Фуко.

Природа вихревых токов индуктивная, и возникают они в соответствии с правилом Ленца. Вихревые токи появляются в массивных проводниках, находящихся в переменном магнитном поле. Каждый такой ток образует как бы свой небольшой электромагнит. Магнитные поля, обусловленные вихревыми токами, взаимодействуют с основным полем.

Следствием появления вихревых токов является нагревание металла, то есть потери энергии на выделение джоулевой теплоты. Для уменьшения таких потерь часто железные сердечники электротехнических устройств изготавливают из отдельных пластин, изолированных друг от друга.

В металлургии вихревые токи используются для плавки металлов в индукционных печах. Торможение, которое появляется вследствие взаимодействия магнитного поля вихревых токов с основным магнитным полем, используется в некоторых измерительных устройствах.

Энергия магнитного поля

Магнитное поле, подобно электрическому полю, является носителем энергии. Естественно предположить, что энергия магнитного поля равна той работе, которая затрачивается электрическим током на создание этого поля.

Рассмотрим контур индуктивностью L, по которому течет ток силойI. С данным контуром сцеплен магнитный потокФ=LI, причем при изменении тока на величинуdIмагнитный поток изменяется наdФ=LdI. Однако для изменения магнитного потока на величинуdФток должен совершить работу

Тогда работа по созданию магнитного потока Ф,численно равная энергии магнитного поля, связанного с контуром, равна

(4.10)

Формулу (4.10) можно получить также, воспользовавшись законом Ома. При изменении тока Iв замкнутом контуре возникает ЭДС самоиндукции, противодействующая этому изменению. По закону Ома сила тока в контуре с сопротивлениемRи индуктивностьюLравна

где – ЭДС источника электроэнергии;– ЭДС самоиндукции, которая по закону Фарадея равна

Работа, совершаемая источником электроэнергии за время dt, равна

Первое слагаемое в правой части выражения представляет собой джоулеву работу, расходуемую на нагревание проводника, второе – дополнительную работу, обусловленную индукционными явлениями. Следовательно, работа, затрачиваемая на увеличение силы тока в контуре от нуля до I, равна

Таким образом, увеличение силы тока в проводнике вызывает соответствующее усиление его магнитного поля и увеличение энергии магнитного поля этого контура с током.

Формула (4.10) позволяет также дать следующее энергетическое определение индуктивности: индуктивность контура численно равна удвоенной энергии магнитного поля, создаваемого проходящим по контуру током единичной силы.

Практическое применение электромагнитной индукции

Явление электромагнитной индукции используется, прежде всего, для преобразования механической энергии в энергию электрического тока. Для этой цели применяются генераторы переменного тока(индукционные генераторы). Простейшим генератором переменного тока является проволочная рамка, вращающаяся равномерно с угловой скоростью=const в однородном магнитном поле с индукциейВ(рис. 4.5). Поток магнитной индукции, пронизывающий рамку площадьюS, равен

При равномерном вращении рамки угол поворота , где– частота вращения. Тогда

По закону электромагнитной индукции ЭДС, наводимая в рамке при ее вращении,

Если к зажимам рамки с помощью щеточно-контактного аппарата подключить нагрузку (потребителя электроэнергии), то через нее потечет переменный ток.

Для промышленного производства электроэнергии на электрических станциях используются синхронные генераторы(турбогенераторы, если станция тепловая или атомная, и гидрогенераторы, если станция гидравлическая). Неподвижная часть синхронного генератора называетсястатором, а вращающаяся –ротором (рис. 4.6). Ротор генератора имеет обмотку постоянного тока (обмотку возбуждения) и является мощным электромагнитом. Постоянный ток, подаваемый на обмотку возбуждения через щеточно-контактный аппарат, намагничивает ротор, и при этом образуется электромагнит с северным и южным полюсами.

На статоре генератора расположены три обмотки переменного тока, которые смещены одна относительно другой на 120 0 и соединены между собой по определенной схеме включения.

При вращении возбужденного ротора с помощью паровой или гидравлической турбины его полюсы проходят под обмотками статора, и в них индуцируется изменяющаяся по гармоническому закону электродвижущая сила. Далее генератор по определенной схеме электрической сети соединяется с узлами потребления электроэнергии.

Если передавать электроэнергию от генераторов станций к потребителям по линиям электропередачи непосредственно (на генераторном напряжении, которое относительно невелико), то в сети будут происходить большие потери энергии и напряжения (обратите внимание на соотношения ,). Следовательно, для экономичной транспортировки электроэнергии необходимо уменьшить силу тока. Однако, так как передаваемая мощность при этом остается неизменной, напряжение должно увеличиться во столько же раз, во сколько раз уменьшается сила тока.

У потребителя электроэнергии, в свою очередь, напряжение необходимо понизить до требуемого уровня. Электрические аппараты, в которых напряжение увеличивается или уменьшается в заданное количество раз, называются трансформаторами. Работа трансформатора также основана на законе электромагнитной индукции.

Рассмотрим принцип работы двухобмоточного трансформатора (рис. 4.7). При прохождении переменного тока по первичной обмотке вокруг нее возникает переменное магнитное поле с индукцией В, поток которого также переменный

Сердечник трансформатора служит для направления магнитного потока (магнитное сопротивление воздуха велико). Переменный магнитный поток, замыкающийся по сердечнику, индуцирует в каждой из обмоток переменную ЭДС:

Тогда

У мощных трансформаторов сопротивления катушек очень малы, поэтому напряжения на зажимах первичной и вторичной обмоток приблизительно равны ЭДС:

где k – коэффициент трансформации. Приk) трансформатор являетсяповышающим, приk>1 () трансформатор являетсяпонижающим.

При подключении к вторичной обмотке трансформатора нагрузки, в ней потечет ток . При увеличении потребления электроэнергии по закону сохранения энергии должна увеличиться энергия, отдаваемая генераторами станции, то есть

Это означает, что, повышая с помощью трансформатора напряжение в kраз, удается во столько же раз уменьшить силу тока в цепи (при этом джоулевы потери уменьшаются вk 2 раз).

Вихревое электрическое поле. ЭДС-индукции в движущихся проводниках.Конспект урока

Переменное магнитное поле порождает индуцированное электрическое поле . Если магнитное поле постоянно, то индуцированного электрического поля не возникнет. Следовательно, индуцированное электрическое поле не связано с зарядами , как это имеет место в случае электростатического поля; его силовые линии не начинаются и не заканчиваются на зарядах, а замкнуты сами на себя , подобно силовым линиям магнитного поля. Это означает, что индуцированное электрическое поле , подобно магнитному, является вихревым.

Индукционное электрическое поле имеет совершенно другие свойства в отличии от электростатического поля.

Отличие вихревого электрического поля от электростатического

электростатическое поле

индукционное электрическое поле
(вихревое электр. поле)

Проверка домашнего задания

Сообщение о Э.Х. Ленце (подготовленное учеником)

Физический диктант:

1. В чем заключается явление электромагнитной индукции? 2. При каком условии возникает ток в замкнутом проводящем контуре? 3.-4 Продолжите фразы: 3. Магнитным потоком через поверхность площадью S называют величину… 4. Согласно правилу Ленца возникающий в замкнутом контуре индукционный ток…

5. Сформулируйте Закон электромагнитной индукции. 6. 7. 8. S N V Проводник движется поперек линий магнитного поля справа налево. Определите направление индукционного тока. V Определите направление вектора магнитной индукции и полярность постоянного магнита. S Определите полярность напряжения индукции.

Вихревое электрическое поле.

Когда возникает ЭДС индукции? ЭДС индукции возникает либо в неподвижном проводнике, помещенном в изменяющееся со временем поле, либо в проводнике, движущемся в магнитном поле, которое может и не меняться со временем.

МАКСВЕЛЛ (Maxwell) Джеймс Клерк (Clerk) (1831-79), английский физик, создатель классической электродинамики, один из основоположников статистической физики, организатор и первый директор (с 1871) Кавендишской лаборатории. Развивая идеи М. Фарадея, создал теорию электромагнитного поля (уравнения Максвелла); ввел понятие о токе смещения, предсказал существование электромагнитных волн, выдвинул идею электромагнитной природы света. Установил статистическое распределение, названное его именем. Исследовал вязкость, диффузию и теплопроводность газов. Показал, что кольца Сатурна состоят из отдельных тел. Труды по цветному зрению и колориметрии (диск Максвелла), оптике (эффект Максвелла), теории упругости (теорема Максвелла, диаграмма Максвелла — Кремоны), термодинамике, истории физики и др.

Изменяясь во времени, магнитное поле порождает электрическое поле

Работа вихревого электрического поля при перемещении единичного положительного заряда вдоль замкнутого неподвижного проводника численно равна ЭДС индукции в этом проводнике.

В чем отличие вихревого электрического поля от потенциального?

Жан Берна́р Лео́н Фуко́18 сентября1819, Париж — 11 февраля1868, — французский физик и астроном, член Парижской АН Токи Фуко Применение индукционные печи Во многих случаях токи Фуко бывают нежелательными, поэтому приходится принимать специальные меры для их уменьшения. В частности, эти токи вызывают нагревание ферромагнитных сердечников трансформаторов и металлических частей электрических машин. Для снижения потерь электрической энергии из-за возникновения вихревых токов сердечники трансформаторов изготавливают не из сплошного куска ферромагнетика, а из отдельных металлических пластин, изолированных друг от друга диэлектрической прослойкой.

Тема. Закон электромагнитной индукции

Цель урока: ознакомить учащихся с законом электромагнитной индукции.

Тип урока: урок изучения нового материала.

1. Поток магнитной индукции.

2. Явление электромагнитной индукции.

3. Правило Ленца.

1. Зависимость ЭДС индукции от скорости изменения магнитного потока.

2. Фрагменты видеофильма «Явление электромагнитной индукции».

Изучение нового материала

1. Закон электромагнитной индукции.

2. Вихревое электрическое поле.

3. ЭДС индукции в движущихся проводниках.

Закрепление изученного материала

1. Качественные вопросы.

2. Учимся решать задачи.

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Откуда же берутся посторонние силы, которые действуют на заряды в контуре? В случае неподвижного относительно наблюдателя проводника причина появления посторонних сил — переменное магнитное поле. Дело в том, что переменное магнитное поле порождает в окружающем пространстве электрическое поле — именно оно действует на свободные заряженные частицы в проводнике. Но порождение электрического поля магнитным полем происходит даже там, где нет ведущего контура и не возникает электрический ток. Как видим, магнитное поле может не только передавать магнитные взаимодействия, но и быть причиной появления другой формы материи — электрического поля.

Однако электрическое поле, порождаемое переменным магнитным полем, имеет существенное отличие от поля, созданного заряженными частицами.

Электрическое поле, создаваемое переменным магнитным полем, является вихревым, то есть его силовые линии являются замкнутыми.

Вихревое электрическое поле имеет некоторые особенности:

1) поле проявляет себя через силовое воздействие на заряженные частицы, поэтому основной характеристикой вихревого электрического поля является напряженность ;

2) в отличие от электростатического поля, линии напряженности вихревого электрического поля являются замкнутыми. Направление этих линий можно определить с помощью, например, левой руки, как показано на рисунке:

3) в отличие от электростатического поля, работа вихревого электрического поля по замкнутой траектории не равна нулю (вихревое электрическое поле является непотенціальним).

Рассмотрим проводник длиной l , движущегося поступательно в однородном магнитном поле с индукцией со скоростью , напрямленою под углом к линиям магнитной индукции поля.

На электроны, движущиеся вместе с проводником в магнитном поле, действует сила Лоренца, направленная вдоль проводника. Ее модуль

где q 0 — заряд свободной заряженной частицы. Под действием этой силы происходит разделение зарядов — свободные заряженные частицы сместятся к одному концу проводника, а на другом конце возникнет их нехватка, то есть будет превышать заряд противоположного знака. Следовательно, в этом случае сторонняя сила — это сила Лоренца. Разделение зарядов приведет к появлению электрического поля, что будет препятствовать дальнейшему разделению зарядов. Этот процесс прекратится, когда сила Лоренца и сила = q 0 уравновесят друг друга. Следовательно, внутри проводника напряженность электрического поля E = B sin , а разность потенциалов на концах проводника U = El = B lsin . Поскольку мы рассматриваем разомкнутое круг, разность потенциалов на концах проводника равна ЭДС индукции в этом проводнике. Таким образом,

Если такой проводник замкнуть, то по кругу пройдет электрический ток. Таким образом, движущийся в магнитном поле проводник можно рассматривать как своеобразный источник тока характеризуется ЭДС индукции.

ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Почему в неподвижных проводниках, находящихся в переменном магнитном поле, возникает индукционный ток?

2. Какова причина возникновения индукционного тока при движении проводника в постоянном магнитном поле?

3. Какие особенности вихревого электрического поля?

1. Какова природа сторонних сил, которые обусловливают появление индукционного тока в неподвижном проводнике?

2. Почему закон электромагнитной индукции формулируют для ЭДС, а не для силы тока?

3. Какова природа ЭДС индукции в проводнике, движущемся в магнитном поле?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1. Почему от удара молнии иногда перегорают предохранители даже выключенного из розетки прибора?

2. Почему для обнаружения индукционного тока замкнутый проводник лучше брать в виде катушки, а не в виде прямолинейного провода?

) . Учимся решать задачи

1. С помощью гибких проводов прямолинейный проводник длиной 60 см присоединен к источнику постоянного тока с ЭДС 12 В и внутренним сопротивлением 0,5 Ом. Проводник движется в однородном магнитном поле индукцией 1,6 Тл со скоростью 12,5 м/с перпендикулярно к линиям магнитной индукции. Определите силу тока в проводнике, если сопротивление внешней цепи равно 2,5 Ом.

Урок 15. Вихревое электрическое поле. ЭДС-индукции в движущихся проводниках

Цель: выяснить условия возникновения ЭДВ в движущихся проводниках.

В чем заключается явление электромагнитной индукции?

Какие условия необходимы для существования явления электромагнитной индукции?

Как устанавливается направление индукционного тока правилом Ленца?

По какой формуле определяется ЭДС индукции и какой физический смысл имеет знак «минус» в этой формуле?

III. Изучение нового материала

Возьмем трансформатор. Включив одну из обмоток в сеть переменного тока, получим ток в другой катушке. На свободные заряды действует электрическое поле.

Электроны в неподвижном проводнике приводятся в движение электрическим полем, и электрическое поле непосредственно порождается переменным магнитным полем. Изменяясь во времени, магнитное поле порождает электрическое поле. Поле приводит в движение электроны в проводнике и тем самым обнаруживает себя. Электрическое поле, возникающее при изменении магнитного поля, имеет другую структуру, чем электростатическое. Оно не связано с зарядами, оно нигде не начинается и нигде не заканчивается. Представляет собой замкнутые линии. Его называют вихревым электрическим полем. Но в отличие от стационарного электрического поля, работа вихревого поля по замкнутому пути не равна нулю.

Индукционный ток в массивных проводниках называют токами Фуко.

Применение: плавка металлов в вакууме.

Вредное действие: бесполезная потеря энергии в сердечниках трансформаторов и в генераторах.

ЭДС при движении проводника в магнитном поле

При движении перемычки U на электроны действует сила Лоренца, совершающая работу. Электроны перемещаются от С к Л. Перемычка-источник ЭДС, следовательно,

Формула используется в любом проводнике, движущемся в магнитном поле, если Если между векторами есть угол α, то используется формула:

Так как то

Причина возникновения ЭД C — сила Лоренца. Знак е можно определить по правилу правой руки.

IV. Закрепление изученного материала

Какое поле называется индукционными или вихревым электрическим полем?

Что является источником индукционного электрического поля?

Что такое токи Фуко? Приведите примеры их использования. В каких случаях с ними приходится бороться?

Какими отличительными свойствами обладает индукционное электрическое поле по сравнению с магнитным полем? Стационарным или электростатическим полем?

V. Подведение итогов урока

Вихревое электрическое поле

Электрическое поле, образовавшееся при трансформации магнитного поля, значительно отличается от структуры электростатического. Оно характеризуется отсутствием связи с электрическими зарядами и спецификой силовых линий (которые обозначаются замкнутыми линиями, не имеющими начала и конца) и носит название вихревого электрического поля. Его источник – переменное магнитное поле.

Вихревые токи были обнаружены в XIX веке ученым Араго, но подробнее их исследовал спустя несколько лет физик Фуко, благодаря которому они и получили свое название. Вихревые токи образуются под воздействием переменного магнитного поля. Отмечено, что по физической сущности они не имеют отличий в сравнении с индукционными токами, которые образуются в обмотках трансформаторов (преимущественно, вторичных). С учетом того, что сопротивление крупного проводника мало, сила индукционного тока способна достигать особо больших значений. Зачастую хорошие проводники подвергаются торможению, которое связно с взаимодействием токов Фуко с внешним полем. Такой эффект применяют для амортизации подвижных составляющих гальванометров и аналогичных приборов.

Токи Фуко

Закон электромагнитной индукции

Электромагнитная индукция представляет собой явление зарождения тока внутри замкнутого проводника, когда через него проходит магнитный поток. С помощью этого явления предоставляется возможность трансформировать механическую энергию в кинетическую энергию. До открытия электромагнитной индукции человечество не знало о способах получения тока (за исключением гальваники). Внутри проводника всегда образуется электродвижущая сила, когда он находится под воздействием электромагнитного. Выразить ЭДС количественно можно через закон электромагнитной индукции.

Явление электромагнитной индукции стало известно еще в начале XIX века благодаря английскому физику-экспериментатору Майклу Фарадею. С помощью экспериментов он доказал, что в период трансформации магнитного поля и внутри замкнутого проводящего контура зарождается ток, который носит название индукционного.

Закон Фарадея – основной закон электродинамики, напрямую связанный с принципами работы генераторов, трансформаторов и другого оборудования. Майкл Фарадей определил, что электродвижущая сила индукции внутри замкнутого контура равна по модулю скорости трансформации магнитного потока, который проходит через контур.

Физик Ленц установил тесную связь направленности индукционного тока и характера трансформации магнитного поля. Он должен быть направлен так, чтобы поле могло компенсировать видоизменение внешнего потока через контур. Это означает, что закон Фарадея должен преобразоваться, быть со знаком «минус»:

Закон Фарадея

Важные характеристики и свойства

Рассмотрим специфику вихревого поля на примере простого опыта. Берется катушка, обмотанная медной проволокой. Внутрь нее воткнут сердечник на основе распыленного железа, с помощью которого значительно усиливается магнитное поле. Через специальные проводники катушка подсоединена к источнику тока. При этом есть еще проволочный виток, который окутывает основу из дерева. К нему подсоединена лампа накаливания. На сырье, из которого изготовлена проволока, предварительно был нанесен слой изоляционного покрытия. Каркас для намотки провода – деревянный. Дерево это тот материал, который не способен проводить ток. На основании этого любая вероятность контакта лампочки с цепью, которая подсоединена к источнику тока, исключается. В момент замыкания источника, происходит загорание лампочки, что означает наличие электрического тока в витке. Остается вопрос: откуда возникают силы, совершающие внутри витка работу?

Магнитное поле имеет воздействие исключительно на движущиеся заряды, поэтому не в состоянии повлиять на возникновение электрического. Внутри металлов есть электроны, способные передвигаться внутри кристаллической решетки (на основании электронной теории). Но при отсутствии внешнего поля они начинают перемещаться в хаотичном порядке. Исходя из этого действие поля на проводник с током суммарно равно 0. Электрическое поле имеет одинаковое влияние, как на движущиеся, так и на статичные заряды.

Представим, что электроны, расположенные в проводнике, начинают двигаться хаотично под влиянием особой разновидности поля. При этом такое поле образуется не от электрических зарядов, а под влиянием магнитного переменного. Основная мысль этой концепции заключается в том, что электромагнитное поле является причиной возникновения электрического. Оно обнаруживается благодаря проводнику, который имеет электроны. Электроны при этом начинают двигаться в результате воздействия электрического поля. Явление электромагнитной индукции заключается в происхождении нового вида поля, способного вызывать движение электрических импульсов.

Закон электромагнитной индукции

Разница между вихревым и электростатическим полем

Переменное магнитное электрическое поле порождает индуцированное электрическое. Оно может локализироваться в любом месте, где имеется переменное магнитное поле (даже при отсутствии проводящего контура). Этим обусловлен физический смысл явления индукции. Индуцированное поле имеет отличительные особенности по сравнению с электростатическим:

его формирует переменное магнитное поле (распределение статичных зарядов не играет никакой роли);
линии напряженности (силовые линии) вихревого электрического поля – исключительно замкнутые, исходя из чего, его считают вихревым. Наряду с этим силовые линии электростатического поля берут свое начало с положительных зарядов, а заканчиваются на отрицательных;
вихревое поле не является потенциальным. Действие сил по передвижению зарядов по замкнутой траектории в электростатическом поле равно 0, а в вихревом – не равно 0. Электродвижущая сила индукции – энергетический параметр индуцированного поля.

Больше о явлении вихревого электрического поля: видео

Читайте также:

Какое естественное и искусственное освещение отвечает гигиеническим требованиям
Что такое фаза и ноль в электричестве
Откуда берется электричество: как появилось

Что является причиной возникновения индуцированного электрического поля

Инфофиз

Тема 16. Явление электромагнитной индукции

Вихревое электрическое поле. ЭДС-индукции в движущихся проводниках.Конспект урока

Проверка домашнего задания

Физический диктант:

Вихревое электрическое поле.

Вихревое электрическое поле

Закон электромагнитной индукции

Важные характеристики и свойства

Разница между вихревым и электростатическим полем

Добавить комментарий Отменить ответ