Элементы электромагнетизма
Магнитное поле
Магнитная индукция
Магнитный поток
Катушка
Проводник с током в магнитном поле
Рамка с током в магнитном поле
Электрон, влетающий в магнитное поле
Электромагнитная индукция
Направление ЭДС электромагнитной индукции
Величина ЭДС электромагнитной индукции
Правило Ленца
Индуктивность
Самоиндукция
Как направлена ЭДС самоиндукции?
В электротехнике магнетизм нас интересует по следующим причинам.
Во - первых, объясняется природа магнитных явлений.
Во - вторых, объясняется, что такое электромагниты, и как их делать.
В - третьих, объясняется, как получить механическую энергию из электрической
В - четвертых, объясняются электромагнитные явления.
К электромагнитным относятся те явления, которые происходят при изменении тока или магнитного поля.
Электрическое и магнитное поле две стороны одного физического явления - электромагнитного поля. Для удобства мы изучаем их отдельно, так проще.
Мы много раз обращались к понятию Электрическое поле.
Электрическое поле всегда существует вокруг неподвижного электрического заряда или системы неподвижных зарядов.
Через электрическое поле осуществляется взаимодействие между неподвижными электрическими зарядами.
Если заряд двигается, то вокруг него существует поле магнитное.
Магнитное поле всегда связано с электрическим током. Если есть ток, значит вокруг него обязательно существует магнитное поле.
Если есть магнитное поле, это значит, что оно создано каким - то током.
Магнитное поле не замечается неподвижным электрическим зарядом, но оно вызывает силовое воздействие на подвижные электрические заряды, потому, что они тоже создают магнитное поле.
Магнитное поле действует на железные (ферромагнитные) предметы, на магнитную стрелку и другие магниты.
Магнитное поле магнитов также создано токами, только внутренними, которые создаются движением электронов.
Ток создает магнитное поле, которое характеризуется напряженностью Н.
Напряженность - характеристика магнитного поля в определенной точке пространства, которая определяет намагничивающую силу.
Магнитное поле можно изобразить магнитными - силовыми линиями.
Например, вокруг линейного проводника с током магнитные - силовые линии представляют собой концентрические окружности.
Напряженность не является силовой характеристикой магнитного поля, она лишь показывает, какую намагничивающую силу создает ток в данной точке пространства, а вот насколько сильное магнитное поле получится от этой намагничивающей силы, зависит от свойств среды, вокруг этого тока.
Силовой характеристикой магнитного поля является величина, которая называется Магнитная индукция В. Магнитная индукция измеряется в Тесла
Магнитная индукция В показывает на сколько "сильное" магнитное поле создает напряженность магнитного поля в данной среде. Свойство среды поддерживать (проводить) магнитное поле называется магнитная проницаемость.
Магнитная проницаемость характеризует способность среды намагничиваться, то есть, создавать собственное магнитное поле под действием внешнего магнитного поля.
За исходное значение принимается Абсолютная магнитная проницаемость вакуума - она называется
µ0 "Магнитная постоянная"
µа Абсолютная магнитная проницаемость данного вещества
µ Относительная магнитная проницаемость данного вещества. Эта величина удобнее, чем µа , она показывает во сколько раз магнитная проницаемость данного вещества больше магнитной постоянной µ0
µа = µµ0 µ = µа/µ0
В= µµ0 Н
Краткое обобщение.
Ток создает определенную намагничивающую силу в данной точке поля, которая характеризуется напряженностью.
Реальная "сила" магнитного поля (магнитная индукция) будет определяться напряженностью поля в данной точке и магнитной проницаемостью среды, в которой находится данная точка.
Один и тот же ток может создать сильное магнитное поле и слабое. Если среда будет иметь хорошую магнитную проницаемость, то при данной напряженности, магнитное поле окажется сильным. Если среда будет иметь низкую магнитную проницаемость, то при данной напряженности, магнитное поле окажется слабым.
Силовая характеристика магнитного поля это магнитная индукция В
Интенсивность магнитного поля пересекающего площадку пространства, определяется как магнитный поток Ф = ВS cos f
Напряженность магнитного поля значительно усилится, если проводник свернуть в кольцо, то есть сделать виток провода.
В центре витка сложатся значения от каждого элементарного кусочка проводника с током. Один и тот же ток, как бы, многократно создаст магнитное поле.
И еще более напряженность усилится, если смотать проводник в несколько витков, то есть сделать катушку. Поле в ней сконцентрируется во внутреннем пространстве, вдоль оси.
В практике, такая катушка называется Соленоид.
Ф = BS Магнитный поток внутри соленоида
Можно значительно усилить магнитное поле катушки, при том же токе, если увеличить магнитную проницаемость внутреннего пространства катушки, для этого в нее вставляют ферромагнитный (стальной) сердечник.
Ферромагнетик создает собственное магнитное поле и значительно усиливает поле создаваемое током катушки.
Поэтому, электромагнитные устройства снабжаются сердечниками из стали.
На практике катушки с сердечниками применяются как электромагниты.
Электромагниты важная часть многих электроаппаратов и реле.
Как ведет себя проводник с током в магнитном поле?
Проводник с током помещенный в магнитное поле начнет двигаться.
Это происходит потому, что взаимодействуют два магнитных поля: внешнее и поле самого проводника.
Движение будет происходить в сторону ослабления магнитно - силовых линий.
Направление силы действующей на проводник с током в магнитном поле определяется правилом левой руки. Магнитные силовые линии входят в ладонь, четыре пальца по направлению тока, отогнутый большой палец покажет направление силы, которая заставляет двигаться проводник.
F = BIL sin a
Сила, выталкивающая проводник с током из магнитного поля равна произведению магнитной индукции В, на силу тока в проводнике I, на длину проводника L и на sin угла между направлением тока и вектором магнитной индукции. Ток должен протекать поперек вектора магнитной индукции, если он будет протекать вдоль вектора магнитной индукции, сила будет равна нулю.
На картинке показано, что если проводник расположен поперек магнитно - силовых линий поля, он показан крестиком уходящего тока, то на него действует сила, которая хочет вытолкнуть его из магнитного поля. Если проводник расположен вдоль магнитно - силовых линий, то на него сила не действует. Любое положение от поперечного до совпадающего, учитывает sin a в формуле силы.
Как ведет себя контур с током в магнитном поле?
Контур с током - это рамка, в которой протекает ток.
Все стороны рамки - это проводники в магнитном поле, но ведут они себя по-разному, потому, что токи в них направлены в разные стороны.
Каждая сторона рамки подчиняется правилу левой руки.
На рамке возникает крутящий момент, и он выставит рамку в такое положение, когда она будет расположена всей площадью поперек поля. В этой позиции силы встанут по одной линии, момент исчезнет и рамка остановится.
Для того, чтобы рамка не останавливалась, можно воспользоваться ее инерцией, она проскочит вертикальное положение, и если в этот момент поменять направление тока в рамке, то снова появится момент, который продолжит ее вращение. Концы подсоединяют к специальному устройству, которое называется коллектор. Коллектор позволяет все время менять направление тока в рамке, и она вращается без остановки, при этом с рамки можно снять полезный крутящий момент.
На основе этого явления создан электрический двигатель постоянного тока.
Рамка повернулась на 180 градусов
Как ведет себя электрон, влетающий в магнитное поле?
Вспомним, что летящий электрон - это движущийся заряд, и следовательно, вокруг него существует собственное магнитное поле.
На электрон, влетающий в магнитное поле начинает действовать сила, эта сила называется силой Лоренца.
F = qVB sin
Направление силы определяется правилом левой руки
Магнитные силовые линии в ладонь,
отогнутый большой палец показывает направление действия силы.
Электрон, влетая в магнитное поле, под действием силы Лоренца, начинает двигаться по кривой.
По важности явление Электромагнитной индукции можно сравнить разве, что с самим фактом взаимодействия электрических зарядов.
Явление электромагнитной индукции объясняет процессы в цепях переменного тока, лежит в основе всех электрических машин, объясняет теорию электромагнитного поля и т. д.
Вот его смысл.
Если вокруг проводника изменяется магнитное поле, то в проводнике возникает ЭДС.
Например, проводник двигается и пересекает магнитное поле, или магнит движется возле проводника и его магнитно - силове линии пересекают проводник (как в генератора переменного тока)
Изменяющееся магнитное поле разделяет заряды внутри проводника, то есть становится сторонней силой способной разделять заряды.
При разделении зарядов возникает разность потенциалов – ЭДС
Если около магнита лежит кусок проволоки, то ничего не происходит, стоит двинуть магнит или проволоку, в ней появится ЭДС
Дело не в самом движении, а в том, что при перемещении наверняка изменится характер магнитного поля, в том месте, где лежал проводник.
Проводник пересекает магнитные силовые линии.
Важнейший аспект этого явления состоит в том, что при образовании ЭДС электромагнитной индукции происходит преобразование энергии. Перемещение проводника - это расходование механической энергии, Возникающая ЭДС электромагнитной индукции - это получение электрической энергии. Преобразование энергии соответствует закону сохранения энергии.
Почему это происходит подробно описано в учебниках физики.
Явление электромагнитной индукции открыл Майкл Фарадей.
А самая подробная теория этого вопроса заложена в уравнениях Максвелла.
Если взять проводящий контур и пропустить через него магнитный поток, то при любом изменении магнитного потока через контур в контуре появится электрический ток. Так звучит формулировка Фарадея. Электрический ток в контуре появится потому, что в контуре появилась ЭДС электромагнитной индукции.
Если важно в чем причина появления ЭДС электромагнитной индукции, то более или менее достаточно знать, что электрон, влетающий в магнитное поле, испытывает на себе действие магнитного поля. На электрон начинает действовать сила Лоренца, которая поворачивает его в сторону, и он летит в направлении определяемом правилом левой руки, при этом на одном конце проводника появляется избыток электронов, а на другом их недостаток, это и создает разность потенциалов на концах проводника. Фактически сила Лоренца - сила взаимодействия магнитных полей, отбрасывает электроны из одного конца проводника в другой.
Когда мы вращаем в магнитном поле рамку с током, то все свободные электроны внутри проводника рамки и есть электроны, влетающие в магнитное поле, их отбрасывает в сторону сила Лоренца, там и образуется отрицательный заряд, на другой стороне проводника, соответственно образуется положительный заряд.
Это и есть разделение зарядов сторонней силой, а мы знаем, что разделение зарядов сторонней силой и есть создание Электродвижущей силы.
Эта ЭДС называется ЭДС электромагнитной индукции.
Для случая перемещения проводника перпендикулярно магнитным силовым линиям направление индуктированной ЭДС определяется правилом правой руки.
Магнитные силовые линии входят в ладонь.
Отогнутый большой палец по направлению движения проводника.
Четыре пальца от - к + и соответственно направление ЭДС в проводнике.
Правили левой руки используется для определения силы , действующей на проводник с током,
Правило правой руки используется для определения ЭДС, возникающей в проводнике при перемещении в магнитном поле.
От чего же зависит величина ЭДС электромагнитной индукции?
Во - первых, при движении проводника разделение зарядов не происходит все время, так как при этом ЭДС должна была бы повышаться. На самом деле, процесс начинается и тут же останавливается, так как разделенные заряды тут же создают силу электрического взаимодействия, которая стремится вернуть назад разделенные заряды.
E = BVl
e = BVl sin
В общем случае ЭДС, возникающая в проводнике, прямо пропорциональна магнитной индукции, активной длине проводника, скорости его перемещения поперек магнитных силовых линий.
ЭДС Электромагнитной индукции равна скорости пересечения проводником магнитного потока.
Правило Ленца
Правило Ленца позволяет определить направление ЭДС электромагнитной индукции для любого случая.
Есть множество случаев, когда правило правой руки не применимо.
ЭДС электромагнитной индукции всегда имеет такое направление, при котором созданный ею ток противодействует причине, вызвавшей ЭДС
Например, ЭДС создана перемещением проводника перпендикулярно магнитным силовым линиям, при возникновении тока в этом проводнике его направление будет таким, что магнитное поле этого тока будет препятствовать движению проводника.
Другой пример, ЭДС создается приближением магнита к проводнику. Если в проводнике потечет ток от этой ЭДС, то он будет иметь такое направление, что его магнитное поле будет повернуто одноименным полюсом к магниту, что вызовет противодействие перемещению магнита.
Правило Ленца - оформляет закон сохранения энергии для явления электромагнитной индукции.
Оно доказывает, что для создания ЭДС электромагнитной индукции надо преодолеть противодействие со стороны проводника или контура, то есть, совершить определенную работу, которая и становится электрической энергией в проводнике или контуре.
Для контура, пресекающего магнитный поток, величину ЭДС можно определить по формуле
e = - dФ\dt
Для одиночного контура величина индуктированной ЭДС равна скорости изменения магнитного потока, пересекающего контур.
Направление ЭДС в контуре такое, при котором созданный ею ток, противодействует изменению магнитного потока., охватываемого этим контуром.
Для катушки
Сумма магнитных потоков, охватываемых витками, называется
потокосцеплением
Индуктивность показывает, какой магнитный поток может создать данный проводник (катушка), если через него протекает данный ток. Если индуктивность большая, то катушка создаст сильный магнитный поток (потокосцепление), если индуктивность маленькая, то катушка создаст слабый магнитный поток.
Свойство проводника (катушки) создавать магнитный поток, называется индуктивностью.
Индуктивность – коэффициент пропорциональности между магнитным потоком и током
Ф = LI (данный ток создаст тем больший магнитный поток, чем больше индуктивность)
Lпров.= Ф\I = Вб\А= [Гн] Ф=LI Ф= [Вб] = м2*Тл
Lкат.= ωФ\I
Индуктивность – неотъемлемое свойство данного проводника или катушки. и один из трех главных параметров любой электрической цепи :R, L, C
Индуктивность определяется физическими параметрами катушки, она прямо пропорциональна магнитной проницаемости и квадрату числа витков, площади сечения и обратно пропорциональна длине катушки.
Если нужно увеличить индуктивность, то нужно
- увеличить число витков
- вставить в нее сердечник
- увеличить диаметр катушки
- уменьшить длину катушки
Явление самоиндукции имеет очень большое значение. Именно самоиндукция объясняет процессы, происходящие в цепях переменного тока и в переходных процессах, когда происходит включение и выключение цепей.
Если по проводнику протекает ток, то вокруг него существует магнитное поле. Если ток изменяется в проводнике, то, значит, изменяется и магнитный поток проводника. А всякое изменение магнитного потока, пересекающего проводник, приводит к появлению ЭДС в этом проводнике (явление электромагнитной индукции).
Вывод: Таким образом, изменение тока в проводнике рождает в нем ЭДС, которая называется ЭДС самоиндукции.
ЭДС самоиндукции определяется скоростью изменения электрического тока, а индуктивность является коэффициентом пропорциональности. Поэтому индуктивность часто называют коэффициентом самоиндукции.
Направление самоиндукции определяется по закону Ленца. Если ток в проводнике или в катушке увеличивается, то Э.Д.С. самоиндукции мешает увеличению тока и значит, направлена навстречу току. Если ток уменьшается, то Э.Д.С. самоиндукции мешает уменьшению тока и значит направлена, в том же направлении, что и ток.
Самоиндукция - следствие электромагнитной индукции.
Если в проводнике течет ток, то вокруг проводника есть магнитное поле.
Если ток изменяется по какой - то причине, то изменяется и магнитное поле.
Теперь рассматриваем тот - же проводник, вокруг него изменяется магнитное поле, потому, что в нем изменяется ток. Проводник, вокруг которого изменяется магнитное поле, рождает ЭДС Получается, что ЭДС, в данном случае рождается изменением собственного тока в проводнике.
Эта ЭДС и называется ЭДС самоиндукции.
ЭДС самоиндукции рождается в проводнике изменением тока в данном проводнике.
Правило Ленца: ЭДС самоиндукции всегда направлена против изменения тока в проводнике.
Если ток возрастает, ЭДС самоиндукции мешает возрастанию и поэтому направлена против тока.
Если ток убывает, ЭДС самоиндукции стремится его поддержать, и направлена в том же направлении, что и ток.
В этом есть важная мудрость, которую полезно понимать.
Проявление самоиндукции абсолютно аналогично инерции в механике.
Если тело разгоняется, ему мешает сила инерции, если тело тормозится, то сила инерции стремится продолжить его движение.
Ток в проводнике испытывает инерционное влияние благодаря ЭДС самоиндукции. Кроме этого масса частиц испытывает и чисто механическую инерцию, но это сложный вопрос физики, и в электротехнике без него можно обойтись.
| 
