Закон Фарадея: основы электромагнитной индукции кратко и доступно

Содержание

1. Сущность электромагнитной индукции: основные тезисы
2. Первый закон Фарадея
3. Второй закон Фарадея
4. Применение законов Фарадея на практике
5. Эксперименты Фарадея
   1. Первый эксперимент
   2. Второй эксперимент
   3. Третий эксперимент
   4. Вывод из экспериментов

Майкл Фарадей сделал несколько открытий, экспериментируя с проводниками и магнитами в 1830 году. Впоследствии он предложил законы электромагнитной индукции, которые объяснили явление того, как изменение магнитного потока индуцирует ток в проводнике. Физика предлагает для изучения два закона Фарадея. Первый объясняет, как в проводнике возникает электродвижущая сила (ЭДС), а второй закон дает количественную оценку ЭДС.

Сущность электромагнитной индукции: основные тезисы

• Электромагнитная индукция — это процесс создания электродвижущей силы за счет перемещения проводника, несущего заряд, в магнитном поле.
• Майкл Фарадей открыл закон электромагнитной индукции. Этот закон гласит, что изменение магнитного потока в замкнутой цепи индуцирует электродвижущую силу или напряжение в цепи.
• Закон Максвелла-Фарадея гласит, что изменяющееся во времени магнитное поле создает электрическое поле, изменяющееся в пространстве, и наоборот.
• Магнитное потокосцепление представляет собой произведение магнитного потока и числа витков в катушке.
• Электромагнитная индукция очень важна, так как это способ генерировать электричество в замкнутой цепи.
• Электромагнитная индукция — это процесс индуцирования электродвижущей силы путем перемещения проводника с зарядом (например, металлической проволоки) в магнитном поле. Когда электрический проводник движется через магнитное поле, он пересекает силовые линии магнитного поля, вызывая изменение магнитного поля.
• Когда происходят изменения магнитного потока (обозначаемого ?), работа совершается в виде электрической энергии, создавая напряжение или электродвижущую силу через проводник. Электромагнитная индукция - это когда электродвижущая сила создается в замкнутой цепи из-за переменного магнитного потока. Магнитный поток — это измерение общего магнитного поля в данной области. Его можно описать как общее количество линий магнитного поля, пересекающих определенную область.

Первый закон Фарадея

Согласно первому закону Фарадея, в проводнике, помещенном в переменное магнитное поле, индуцируется ЭДС. Это явление называется электромагнитной индукцией. Важно помнить, что электромагнитная индукция возникает только тогда, когда магнитное поле движется или изменяется в силе. В замкнутой цепи ЭДС действует как батарея и создает ток, который может совершать работу.

Каждый раз, когда магнит входит в катушку и выходит из нее, гальванометр показывает ЭДС. Тот же принцип применим к электрическим генераторам, которые используют вращающиеся магнитные поля для производства энергии.

Второй закон Фарадея

Согласно второму закону электромагнитной индукции Фарадея, величина ЭДС индукции в проводнике прямо пропорциональна скорости изменения магнитного поля. Учитывая приведенный выше пример, чем быстрее движется магнит, тем больше ЭДС он генерирует.

Формула выглядит так:

ЭДС имеет отрицательный знак, потому что индуцированный ток течет в направлении, противодействующем изменяющемуся магнитному полю, как объясняется законом Ленца.

Применение законов Фарадея на практике

Рассмотрим пример индукционной кухонной плиты - устройство вырабатывает тепло, индуцируя ток в емкости для приготовления пищи. Он использует быстропеременный магнитный поток для создания вихревых токов, которые нагревают сосуд из-за электрического сопротивления. Теперь перейдем к электрическому трансформатору. Электрический трансформатор переменного тока в первичной обмотке создает изменяющееся магнитное поле во вторичной обмотке. Это индуцирует электрический ток во вторичной катушке; однако целью трансформатора является повышение или понижение напряжения.

Эксперименты Фарадея

Фарадей и Генри провели ряд экспериментов для лучшего понимания электромагнитной индукции.

Первый эксперимент

В эксперименте используются стержневой магнит, катушка, присоединенная к цепи, содержащей провод, соединенный с гальванометром, и гальванометр. Когда магнит приближают к катушке северным полюсом, направленным к ней, гальванометр показывает отклонение. Отклонение катушки означает, что через нее протекает ток. Отклонение гальванометра сохраняется, пока движется магнит, и исчезает, как только магнит перестает двигаться. Когда магнит оттягивается от гальванометра, регистрируется отклонение, но в другом направлении, что свидетельствует об изменении направления тока.

Когда стержневой магнит оттягивали от катушки так, чтобы его южный полюс был обращен к катушке, эффекты были полярно противоположными.

Отклонение, возникающее в гальванометре, когда магнит быстро перемещается от катушки или к ней, велико, что обеспечивает большой объем протекающего тока. Аналогичные результаты достигаются, когда магнит удерживается неподвижно, а цепь перемещается ближе или дальше от него. В результате катушка генерирует электрический ток благодаря относительному движению катушки и магнита.

Второй эксперимент

Во втором эксперименте Фарадей и Генри заменили стержневой магнит другой электрической катушкой, подключенной к батарее, как показано на диаграмме ниже. Известно, что магнитное поле связано с движущимися электрическими зарядами. В результате непрерывного протекания тока через вторую катушку вокруг нее будет формироваться однородное магнитное поле. В гальванометре создается отклонение, когда вторая катушка перемещается к первой катушке, показывая протекание электрического тока через первую катушку. Отклонение прекращается, когда вторая катушка приходит в состояние покоя, а когда вторая катушка удаляется от первой катушки, направление отклонения восстанавливается. Аналогичные результаты были получены, когда вторую катушку оставили в покое, а первую катушку притянули к ней. Ток индуцируется в результате относительного движения между катушками.

Третий эксперимент

Как показано в первых двух тестах, электрический ток индуцируется всякий раз, когда происходит относительное движение между магнитом и катушкой или между двумя катушками. Фарадей, с другой стороны, в своем третьем эксперименте установил, что для протекания тока по катушке не требуется относительного движения. Для своего третьего эксперимента он использовал две катушки, одна из которых была подключена к гальванометру, а другая — к батарее и постукивающему ключу.

Цепь замыкается, ток течет через катушку, и замечается кратковременное отклонение гальванометра на первой катушке, когда две катушки сближаются и нажимается ключ постукивания на второй катушке. При отпускании ключа происходит временное отклонение в противоположную сторону. Прогиб в гальванометре увеличивается, если вдоль оси катушек расположить железный стержень. Использование железного стержня увеличивает силу электромагнита. В результате величина тока, протекающего через катушку, увеличивается, что видно по увеличенному отклонению гальванометра.

Вывод из экспериментов

Три испытания привели Фарадея к выводу, что полный магнитный поток, связанный с катушкой, меняется всякий раз, когда катушка и магнитное поле перемещаются друг относительно друга. Осциллирующее магнитное поле будет генерировать напряжение на катушке. Электродвижущая сила генерируется на катушке за счет колебаний магнитного потока во времени.

Компания «РосДиплом» на протяжении 20 лет занимается студенческими работами и предлагает помощь студентам во всех областях и темах. Наши преимущества: огромный опыт работы, лучшие авторы, собранные со всех уголков России, гарантии успешной сдачи и оптимальной цены, а также индивидуальный подход к каждому клиенту.