Явище електромагнітної індукції.

Досліди М. Фарадея. Закон електромагнітної індукції

Досі ми розглядали електричні та магнітні поля, які не змінюються в часі, так звані статичні поля. Ви вже знаєте, що електричне поле виникає навколо заряджених частинок, а магнітне – навколо постійних магнітів та постійних електричних струмів у нерухомих провідниках. А чи можуть взаємодіяти ці два види полів?Що ж станеться, якщо бодай одне з них стане змінним в часі?Який вид енергії є найбільш затребуваний в суспільстві? Як ви вважаєте, чому? Ми живемо у вік техніки і електрики. Я думаю ніхто із нас не уявляє  своє життя без оточуючої нас техніки: телевізорів, холодильників, комп’ютерів, мобільного зв’язку. Ні один із цих електронних приладів не може працювати без електричної енергії. А скажіть, будь ласка, чи можливе існування струму в провіднику без джерела електричного струму?

А давайте проведемо такий дослід. Візьмемо котушку, під’єднаємо її до гальванометра та почнемо рухати магніти вздовж цієї котушки. Що ми спостерігаємо? Про що це свідчить? То виходить, що струм може існувати в колі і без джерела струму? Чому так відбувається?Відповіді на всі ці запитання ми зможемо отримати на сьогоднішньому уроці. Я хочу вам зачитати слова Гельмгольца «Поки люди будуть користуватися благами електрики, вони будуть пам’ятати ім’я Фарадея».

Історія. З моменту відкриття Ерстедом впливу електричного струму на магнітну стрілку дослідників заполонила думка: а чи не можна розв’язати і обернену задачу: перетворити магнетизм в електрику? У Франції над цією задачею ламали собі голову Ампер і Араго. В Швейцарії - професор механіки Женевської академії Жан Даніель Колладон. В Америці - молодий фізик Джозеф Генрі, відомий як людина, що створила один із найпотужніших електромагнітів у світі. В Англії над цією ж проблемою бився Фарадей. З’ясувати сьогодні, хто першим побачив ефект створення струму в провіднику магнітним полем, досить важко. Розповідають, що швейцарський професор Колладон, намотавши дві обмотки на один каркас і ввімкнувши у другу у другу гальванометр, помітив, що стрілка приладу здригається при замиканні первинної котушки на електричну батарею. «Можливо, щось трусить прилад?» - подумав Колладон і... відніс гальванометр в іншу кімнату. Тепер, замкнувши рубильник, він вимушений був ходити із однієї кімнати в іншу. І коли приходив до приладу, то стрілка приладу мертво стояла на нулю. Деякі історики науки стверджують, що Джозеф Генрі першим побачив, що при русі магніту біля провідника в ньому з’являється електричний струм. Він навіть збирався написати статтю про це. Але втратив час. В Америку прийшов журнал зі статтею Фарадея. Майкл Фарадей був дуже акуратним. Всі свої досліди він детально записував в щоденник, малював схему і робив висновки, які вдавалося зробити. Записавши ще в 1822 році: «Перетворити магнетизм в електрику», Майкл не один раз повертався до цієї думки, придумуючи то один дослід, то інший. Знаючи, що цією проблемою цікавляться і інші експериментатори, він в 1831 році взявся за неї безпосередньо і працював як одержимий. Ранком 29 серпня 1831 року він, як і раніше, включивши батарею в одну котушку, зафіксував поштовх, якого зазнавала стрілка гальванометра, що був включений у іншу котушку. Поштовх - і стрілка на нулю. При вимкненні теж саме, лише стрілка відхиляється в іншу сторону. В чому ж тут справа? Тоді він вирішив змінити умови досліду. При наявності залізного стержня поштовхи стрілки стали набагато сильнішими. Фарадей знову і знову змінює умови експериментів і робить висновок: «Електрична хвиля виникає лише при русі магніту, а не через його властивості, які він має в спокої» . Це був розв’язок! Розв’язок задачі, яку сформулював майже десять років тому. 

Досліди Фарадея. На підставі проведених дослідів, можна зробити висновок, що електричний струм у замкненій котушці виникає тільки тоді, коли магнітне поле, що пронизує її, змінюється.

То за яких умов виникає електричний струм? Що ж є дійсною причиною виникнення електричного струму в провіднику, який ми будемо називати індукційним? (Індукційний струм виникає в котушці (в замкнутому провідному контурі) при зміні магнітного потоку, що пронизує контур)Індукційний струм – це струм, отриманий у замкненому провіднику внаслідок зміни зовнішнього магнітного поля. Струм виникає лише під час відносного руху магніту і провідника!

Що є причиною виникнення індукційного струму?  1. Провідний контур рухається в магнітному полі. Якщо провідний контур перетинає силові лінії магнітного поля, то в контурі виникає індукційний струм. При цьому вільні заряди в контурі рухаються під дією сили з боку магнітного поля. 2. Нерухомий провідний контур розташований у змінному магнітному полі. Виникнення індукційного струму в нерухомому провіднику не можна пояснити дією магнітного поля на вільні заряди, адже на нерухомі частки магнітне поле не діє. Значить, виникнення індукційного струму в нерухомому провіднику можна пояснити тільки тим, що на вільні заряди діє сила з боку електричного поля. Отже, змінне магнітне поле породжує електричне поле. Саме електричне, а не магнітне поле діє на вільні заряджені частки в провіднику і створює, таким чином, індукційний струм.

Напрямок індукційного струму  Якщо змінювати магнітне поле, що пронизує котушку, то в котушці виникає індукційний струм. Унаслідок цього котушка сама стає магнітом.  Досліди свідчать: 1) якщо магніт наближати до котушки, то котушка буде відштовхуватися від магніту; 2) якщо магніт віддаляти від котушки, то котушка притягуватиметься до магніту. Це означає: 1) якщо кількість ліній магнітної індукції, що пронизують котушку, збільшується, то в ній виникає індукційний струм такого напрямку, що котушка буде обернена до магніту однойменним полюсом. 2) якщо кількість ліній магнітної індукції, що пронизують котушку, зменшується, то в котушці виникає індукційний струм такого напрямку, що котушка буде обернена до магніту різнойменним полюсом. Знаючи полюси котушки та скориставшись правою рукою, можна визначити напрямок індукційного струму.

Явище електромагнітної індукції. Явище електромагнітної індукції – це виникнення електричного струму в провідному контурі, який або розміщено нерухомо в змінному магнітному полі, або переміщається в постійному полі так, що кількість ліній магнітної індукції, які перетинають контур, змінюється. Напрям індукційного струму визначають за правилом правої руки: якщо праву руку розмістити в полі так, щоб лінії магнітної індукції входили в долоню, відставлений великий палець відповідав би напряму руху провідника, то витягнуті пальці руки вказуватимуть напрям індукційного струму в провіднику. 

Розрахунок електрорушійної сили.

Потік магнітної індукції Індукційний струм у замкненому провідному контурі виникає тоді, коли змінюється кількість ліній магнітної індукції, що пронизують поверхню, обмежену контуром. Кількість ліній магнітної індукції, що пронизують певну поверхню, характеризує фізична величина, яку називають потік магнітної індукції або магнітний потік.

Потік магнітної індукції (магнітний потік) 𝛷 – це фізична величина, яка характеризує розподіл магнітного поля по поверхні, обмеженій замкненим контуром, і чисельно дорівнює добуткові магнітної індукції 𝐵 на площу 𝑆 поверхні та на косинус кута α між вектором магнітної індукції і нормаллю до поверхні. де Ф - магнітний потік; В - модуль магнітної індукції поля; α - кут між нормаллю до площини контуру і індукцією магнітного поля. Одиниця магнітного потоку в СІ – вебер (названа на честь німецького фізика Вільгельма Едуарда Вебера (1804-1891)):𝜱=𝟏 Вб1 вебер – це максимальний магнітний потік, який створюється магнітним полем індукцією 1 тесла через поверхню площею 1 метр квадратний.𝟏 Вб=𝟏 Тл∙м𝟐 

Зверніть увагу!• Магнітний потік буде максимальним, якщо поверхня перпендикулярна до ліній магнітної індукції, і дорівнюватиме нулю, якщо поверхня паралельна цим лініям. Якщо магнітне поле неоднорідне і (або) поверхня не є плоскою, можна знайти магнітні потоки через невеликі ділянки ∆𝑺 поверхні та їх алгебраїчним додаванням визначити загальний магнітний потік. 

Правило Ленца. Дослідження відомого російського фізика Е. X. Ленца дали змогу встановити універсальне правило для визначення напряму індукційного електричного струму на основі зовнішніх проявів цього явища. З цією метою Е. X. Ленц дослідив взаємодію замкнутого провідника і змінного магнітного поля, яке викликало струм у провіднику. Напрям індукційного струму визначають за правилом Ленца:Індукційний струм в замкнутому провіднику має такий напрям, що його магнітне поле компенсує зміну магнітного потоку, яка викликала цей струм. Демонстрування взаємодії постійного магніту і струмопровідного кільця суцільного і розрізаного.

Закон електромагнітної індукції (закон Фарадея): ЕРС індукції дорівнює за модулем швидкості зміни магнітного потоку через площу контуру замкнутого провідника: Закон електромагнітної індукціїОтже, під час зміни магнітного потоку через поверхню, обмежену контуром, у ньому на вільні заряди починають діяти сторонні сили, дія яких характеризується ЕРС індукції (енергетична характеристика індукційного електричного поля). Якщо ж магнітний потік змінюється в часі, то в контурі виникають сторонні сили, дія котрих характеризує ЕРС індукції:

Відповідно до закону Ома для замкнутого кола: Цей закон формулюється саме для ЕРС, а не для індукційного струму і виражає суть явища, що не залежить від властивостей провідників. Для виникнення струму провідник має бути замкнутим, і сила струму залежить не тільки від швидкості зміни магнітного потоку, а й від опору провідника/Індукції буде в N разів більша:

Промислові джерела електричної енергії Явище електромагнітної індукції використовують в електромеханічних генераторах, без яких неможливо уявити сучасну електроенергетику. Електромеханічний генератор — пристрій, в якому механічна енергія перетворюється на електричну. Пристрій генератора майже не відрізняється від пристрою електродвигуна. У генераторі теж є статор, що представляє собою постійний магніт (чи електромагніт), а також ротор, на який намотана котушка. Виникнення струму в рамці обумовлено явищем електромагнітної індукції: при обертанні рамки між полюсами магніту періодично змінюється кількість силових ліній магнітного поля, що пронизують рамку, унаслідок чого в рамці й виникає індукційний струм. Якщо в генераторі одна рамка й одна пара полюсів магніту, то частота змінного струму дорівнює частоті обертання рамки. Струм у рамці виникає внаслідок того, що рамка й магніт обертаються одне відносно одного. У двигуні та генераторі ротор і статор ніби міняються місцями.

Явище електромагнітної індукції використовується у: Трансформаторах – пристроях для перетворення параметрів напруги і сили струму. Лічильниках електричної енергії – електричних вимірювальних приладах, що застосовують для обліку спожитої електричної енергії. Мікрофонах – приладах, що перетворюють звукові коливання на коливання сили електричного струму. Перетворює механічну енергію коливань повітря наелектричну енергію. Засобах зв’язку: раддіолокація – визначення положення об’єкта за допомогою відбитих від нього радіохвиль. Телефонах – пристроях для передачі звуку на великі відстані за допомогою електричних сигналів. Спідометрах – приладах для вимірювання швидкості руху транспортоного засобу.

Ми перетворили магнетизм в електрику!!!