Buderus-trade.ru

Теплотехника Будерус
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

5. 4. Вихревое электрическое поле

§ 5.4. Вихревое электрическое поле

Пусть перед нами стоит трансформатор — две катушки, надетые на сердечник. Включив первичную обмотку в сеть, мы получим ток во вторичной обмотке, если она замкнута (рис. 5.7). Электроны в проводах вторичной обмотки придут в движение. Но какие силы заставляют их двигаться? Само магнитное поле, пронизывающее катушку, этого сделать не может, так как магнитное поле действует исключительно на движущиеся заряды (этим-то оно и отличается от электрического), а проводник с находящимися в нем электронами неподвижен*.

Что же тогда действует?

Кроме магнитного поля, на заряды, причем как на движущиеся, так и на неподвижные, действует еще поле электрическое. Но ведь те поля, о которых пока шла речь (электростатическое и стационарное), создаются электрическими зарядами, а индукционный ток появляется под действием переменного магнитного поля.

Уж не замешаны ли здесь какие-то новые физические поля, коль скоро идея близкодействия считается незыблемой?

Но не нужно спешить с выводами и при первом же затруднении искать спасения в придумывании новых полей. Ведь у нас нет никаких оснований считать, что все свойства электрического и магнитного полей изучены. В законах Кулона, Био—Савара—Лапласа и Ампера, заключающих в себе основную информацию о свойствах поля, фигурируют постоянные во времени поля.

А что, если у переменных полей появляются новые свойства? Надо надеяться, что идея единства электрических и магнитных явлений, плодотворная до сих пор, не откажет и в дальнейшем.

Тогда останется единственная возможность: нужно предположить, что электроны в неподвижном проводнике приводятся в движение электрическим полем и это поле непосредственно порождается переменным магнитным полем. Тем самым утверждается новое фундаментальное свойство электромагнитного поля: изменяясь во времени, магнитное поле порождает электрическое поле. К этому выводу впервые пришел Дж. Максвелл.

Теперь явление электромагнитной индукции предстает перед нами в новом свете. Главное в нем — это процесс порождения магнитным полем поля электрического. При этом наличие проводящего контура, например катушки, не меняет существа дела. Проводник с запасом свободных электронов (или других частиц) лишь помогает обнаружить возникающее электрическое поле. Поле приводит в движение электроны в проводнике и тем самым обнаруживает себя. Сущность явления электромагнитной индукции в неподвижном проводнике состоит не столько в появлении индукционного тока, сколько в возникновении электрического поля, которое приводит в движение электрические заряды.

Вихревое поле

Электрическое поле, возникающее при изменении магнитного поля, имеет совсем другую структуру, чем электростатическое. Оно не связано непосредственно с электрическими зарядами, и его линии напряженности не могут на них начинаться и кончаться. Они вообще нигде не начинаются и не кончаются, а представляют собой замкнутые линии, подобные линиям индукции магнитного поля. Это так называемое вихревое электрическое поле. Может возникнуть вопрос: а почему, собственно, это поле называется электрическим? Ведь оно имеет другое происхождение и другую конфигурацию, чем статическое электрическое поле. Ответ прост: вихревое поле действует на заряд q точно так же, как и электростатическое, а это мы считали и считаем главным свойством поля. Сила, действующая на заряд, по-прежнему равна = q, где — напряженность вихревого поля.

Если магнитный поток создается однородным магнитным полем, сконцентрированным в длинной узкой цилиндрической трубке радиусом r (рис. 5.8), то из соображений симметрии очевидно, что линии напряженности электрического поля лежат в плоскостях, перпендикулярных линиям , и представляют собой окружности. В соответствии с правилом Ленца при возрастании магнитной индукции линии напряженности образуют левый винт с направлением магнитной индукции .

В отличие от статического или стационарного электрического поля работа вихревого поля на замкнутом пути не равна нулю. Ведь при перемещении заряда вдоль замкнутой линии напряженности электрического поля работа на всех участках пути имеет один и тот же знак, так как сила и перемещение совпадают по направлению. Вихревое электрическое поле, так же как и магнитное поле, не потенциальное.

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

Для конфигурации магнитного потока, изображенного на рисунке 5.8, эта удельная работа равна 2πrЕ, где r — расстояние от оси магнитного потока до определенной силовой линии Е. Согласно закону электромагнитной индукции для данного случая имеем:

Читайте так же:
Схема автоматического выключателя с тепловым расцепителем

Отсюда следует, что напряженность электрического поля убывает при увеличении r как :

Бетатрон

При быстром изменении магнитного поля сильного электромагнита появляются мощные вихревые электрические поля, которые можно использовать для ускорения электронов до скоростей, близких к скорости света. На этом принципе основано устройство ускорителя электронов — бетатрона. Электроны в бетатроне ускоряются вихревым электрическим полем внутри кольцевой вакуумной камеры К, помещенной в зазоре электромагнита М (рис. 5.9).

Не все вопросы имеют смысл

Итак, переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле. Но не кажется ли вам, что одного утверждения здесь недостаточно? Хочется знать, каков же механизм данного процесса. Нельзя ли разъяснить, как эта связь полей осуществляется в природе? И вот тут-то ваша естественная любознательность не может быть удовлетворена. Никакого механизма здесь просто нет. Закон электромагнитной индукции — это фундаментальный закон природы, значит, основной, первичный. Действием его можно объяснить многие явления, но сам он остается необъяснимым просто по той причине, что нет более глубоких законов, из которых бы он вытекал в виде следствия. Во всяком случае сейчас такие законы неизвестны. Таковыми являются все основные законы: закон тяготения, закон Кулона и т. д.

Мы, конечно, вольны ставить перед природой любые вопросы, но не все они имеют смысл. Так, например, можно и нужно исследовать причины различных явлений, но пытаться выяснить, почему вообще существует причинность, — бесполезно. Такова природа вещей, таков мир, в котором мы живем.

* В действительности дело обстоит не так просто. И в неподвижном проводнике электроны совершают беспорядочное тепловое движение. Но средняя скорость такого движения равна нулю. Соответственно и сила тока, вызванного непосредственно магнитным полем, также должна быть равной нулю.

Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея

Известно, что электрический ток создает вокруг себя магнитное поле. Этот экспериментальный факт привел к многочисленным попыткам получить электрический ток с помощью магнитного поля. Эта фундаментальная задача была решена в 1831 г. английским ученым М. Фарадеем, открывшим явление электромагнитной индукции.Это явление заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, охватываемого этим контуром.

Потоком магнитной индукции называется скалярная величина, определяемая соотношением:

В случае однородного магнитного поля формула (2.6.11) имеет вид

Ф = BScosα. (2.6.12)

Поток магнитной индукции численно равен числу силовых линий магнитного поля, пронизывающего поверхность S. В опытах Фарадея поток магнитной индукции менялся либо путем изменения величины магнитного поля B, либо вращением рамки в магнитном поле (изменением угла α между направлением вектора магнитной индукции и нормалью к поверхности).

Опытным путем было установлено, что величина индукционного тока (и, следовательно, электродвижущая сила индукции) определяется скоростью изменения магнитного потока и не зависит от способа этого изменения. Согласно закону Фарадея электродвижущая сила индукции ε связана со скоростью изменения магнитного потока соотношением

Знак ”минус” является математическим выражением правила Ленца: индукционный ток в контуре всегда имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот ток. Правило Ленца связано с законом сохранения энергии.

Явление электромагнитной индукции и его частные случаи (самоиндукция и взаимная индукция) широко применяются в технике. На этом явлении основан принцип превращения механической энергии в электрическую. Более подробно этот вопрос может быть рассмотрен на семинаре.

Открытие явления электромагнитной индукции доказало возможность получения электрического тока с помощью магнитного поля. Была установлена связь между электрическими и магнитными явлениями, что в дальнейшем послужило толчком для разработки теории электромагнитного поля.

Основные положения электромагнитной теории Максвелла

Какова природа электродвижущей силы индукции? При движении проводящего контура в магнитном поле ее появление может быть связано с силой Лоренца. Однако в случае неподвижного проводника появление ЭДС этой силой объяснить нельзя, т.к. магнитное поле на неподвижные заряды не действует. Максвелл (1865) предположил, что всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле, которое и является причиной возникновения индукционного тока в проводнике. Это электрическое поле не связано с электрическими зарядами, его силовые линии замкнуты, т.е. поле является вихревым. Контур, в котором возникает вихревое электрическое поле, играет второстепенную роль, являясь лишь “прибором”, с помощью которого это поле можно обнаружить.

Читайте так же:
Реле тока электротепловое ртт 311 160 а

Далее Максвеллом было показано, что источником магнитного поля могут быть не только движущиеся электрические заряды (электрический ток), но и переменное электрическое поле. Таким образом, электрическое и магнитное поля неразрывно связаны друг с другом и образуют единое электромагнитное поле. Отдельное рассмотрение электрического и магнитного полей имеет относительный смысл. Так, если система неподвижных относительно некоторой системы отсчета (СО) зарядов создает электрическое поле, то относительно другой инерциальной СО эта система зарядов движется и, следовательно, порождает магнитное поле. Аналогично, неподвижный относительно одной инерциальной СО проводник с постоянным током, возбуждая в каждой точке пространства постоянное магнитное поле, движется относительно других инерциальных СО, и создаваемое им переменное магнитное поле возбуждает вихревое электрическое поле.

Одним из важнейших выводов теории Максвелла является предсказание существования электромагнитных волн – переменного электромагнитного поля, распространяющегося в пространстве с конечной скоростью.

Электромагнитная теория Максвелла (1865) позволила с единой точки зрения объяснить электрические и магнитные явления и связать их с явлениями оптическими. Выводы электромагнитной теории были блестяще подтверждены в опытах Г. Герца.

Электрическое и магнитное поля в веществе

Проводники и диэлектрики

По электрическим свойствам все вещества подразделяются на проводники, полупроводники и диэлектрики (изоляторы). Вещества, проводящие электрический ток, называются проводниками. Диэлектриками называются вещества, не способные проводить электрический ток. Идеальных изоляторов в природе не существует, все вещества хотя бы в ничтожной степени проводят электрический ток. Вещества, называемые диэлектриками, проводят ток в 10 15 – 10 20 раз хуже, чем вещества, называемые проводниками.

Опыт показывает, что электрическое поле внутри проводника (например, металла) всегда равно нулю. При помещении проводника в электростатическое поле в проводнике начинается перемещение зарядов под действием сил поля. Это перемещение (ток) продолжается до тех пор, пока внутри проводника не установится равновесное распределение зарядов, при котором электростатическое поле не обратится в нуль. Этот процесс продолжается в течение очень короткого промежутка времени (

10 –6 с). Если бы поле внутри проводника не было бы равно нулю, то в проводнике возникло бы упорядоченное движение электрических зарядов без затраты энергии от внешнего источника, что противоречит закону сохранения энергии. Отсутствие поля внутри проводника означает, что все его точки обладают одинаковым потенциалом, т.е. поверхность проводника в электрическом поле является эквипотенциальной.

Под действием электрического поля диэлектрик поляризуется и электрическое поле внутри его становится меньше внешнего. Процесс поляризации диэлектриков связан с возникновением в нем отличного от нуля результирующего дипольного момента всех его молекул. Обычно в отсутствие внешнего электрического поля дипольные моменты молекул диэлектрика либо равны нулю (неполярные молекулы, например, Н2, О2, N2), либо распределены по направлениям в пространстве хаотически (полярные молекулы, например, NH, HCl, CO). При внесении диэлектрика в электрическое поле происходит либо появление дипольного момента у неполярных молекул (электронная поляризация), либо появляется преимущественное направление ориентации дипольных моментов у полярных молекул. В обоих случаях в результате в диэлектрике возникает отличный от нуля электрический дипольный момент. Возникшее в результате поляризации электрическое поле (т.н. поле связанных зарядов) направлено противоположно внешнему электрическому полю, поэтому результирующее электрическое поле в диэлектрике всегда меньше соответствующего электрического поля в вакууме. Диэлектрической проницаемостьюдиэлектрика ε называется безразмерная величина, показывающая, во сколько раз напряженность электрического поля в диэлектрике Е меньше, чем напряженность электрического поля в вакууме Е:

Обычно диэлектрическая проницаемость диэлектриков составляет несколько единиц (например, в стекле электрическое поле ослабляется по сравнению с вакуумом в 6 раз, в глицерине в 39 раз, в воде – в 81).

Большую практическую ценность представляют сегнетоэлектрики – диэлектрики, обладающие в определенном интервале температур спонтанной (самопроизвольной) поляризованностью. К сегнетоэлектрикам относятся, например, сегнетова соль NaKC4H4O6×4H2O и титанат бария BaTiO3. Сегнетоэлектрики отличаются от обычных диэлектриков рядом характерных особенностей: большим значением диэлектрической проницаемости (порядка нескольких тысяч), зависимостью диэлектрической проницаемости от напряженности внешнего поля и наличием гистерезиса. Поведение поляризованности сегнетоэлектриков аналогично поведению намагниченности ферромагнетиков, поэтому сегнетоэлектрики иногда называют ферроэлектриками.

Читайте так же:
Как доказать тепловое действие тока

Свойства сегнетоэлектриков объясняются следующим образом. Взаимодействие частиц в кристалле сегнетоэлектрика приводит к тому, что их дипольные моменты спонтанно устанавливаются параллельно друг к другу. В кристалле возникают области, в пределах каждой из которых дипольные моменты параллельны друг к другу, однако направления поляризации разных областей различны. Такие области спонтанной поляризации называются доменами. Под действием внешнего поля моменты доменов поворачиваются как целое, устанавливаясь по направлению поля.

В настоящее время известно более сотни сегнетоэлектриков и большое количество их твердых растворов. Сегнетоэлектрики широко применяются в качестве материалов с большими значениями диэлектрической проницаемости (например, в конденсаторах). Титанат бария используется в качестве генератора и приемника ультразвуковых волн.

Магнетики

Все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются (приобретают магнитный момент), т.е. являются магнетиками. Для объяснения магнитных свойств веществ необходимо рассмотреть поведение электронов в атомах и молекулах магнетиков.

Согласно предположению А. Ампера в любом теле существуют микроскопические токи, обусловленные движением электронов в атомах и молекулах. Эти токи называются микротоками, в отличие от макротоков, текущих в проводниках. Эти микротоки создают свое магнитное поле и могут поворачиваться в магнитных полях макротоков. Вектор магнитной индукции характеризует результирующее магнитное поле, создаваемое всеми макро- и микротоками.

Магнитное поле макротоков описывается вектором напряженности магнитного поля . В случае однородной изотропной среды вектор магнитной индукции связан с вектором напряженности следующим соотношением

где m магнитная постоянная, m – магнитная проницаемость, показывающая, во сколько раз магнитное поле макротоков H усиливается за счет поля микротоков среды.

В зависимости от величины магнитной проницаемости все вещества делятся на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

m < 1 Диамагнетики;

m > 1 парамагнетики;

Вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле против направления поля, называются диамагнетиками. К диамагнетикам относятся многие металлы (Bi, Ag, Au, Сu), большинство органических соединений, смолы, углерод и т.д. Атомы диамагнетиков не имеют собственных магнитных моментов. Во внешнем магнитном поле электронные орбиты совершают прецессионное движение вокруг направления внешнего магнитного поля (подобно тому, как диск волчка прецессирует вокруг вертикальной оси при замедлении движения). Прецессионное движение электронных орбит эквивалентно круговому току. Так как этот микроток индуцирован внешним магнитным полем, то, согласно правилу Ленца, он создает магнитное поле, направленное против внешнего поля. Такие наведенные поля атомов складываются и создают собственное магнитное поле вещества, ослабляющее внешнее магнитное поле. Магнитная проницаемость диамагнетиков не зависит от величины внешнего магнитного поля и температуры.

Вещества, намагничивающееся по направлению внешнего магнитного поля (m >1), называются парамагнетиками. К парамагнетикам относятся вещества, атомы которых имеют собственные магнитные моменты (например, редкоземельные элементы, Pt, Al и т.д.). Магнитное поле стремится установить магнитные моменты атомов вдоль , тепловое движение стремится разбросать их равномерно по всем направлениям. В результате устанавливается некоторая преимущественная ориентация магнитных моментов вдоль магнитного поля, тем большая, чем больше В, и тем меньшая, чем выше температура. Относительная магнитная проницаемость парамагнетиков обратно пропорциональна температуре. В парамагнетиках наблюдается и диамагнитный эффект, но он значительно слабее парамагнитного, поэтому остается незаметным.

Явление электромагнитной индукции. Генератор электрического тока

Изучение электромагнитных явлений показывает, что вокруг электрического тока всегда существует магнитное поле. Электрический ток и магнитное поле неотделимы друг от друга.

Но если электрический ток, как говорят, «создает» магнитное поле, то не существует ли обратного явления? Нельзя ли с помощью магнитного поля создать электрический ток? Такую задачу в начале IX столетия пытались решить многие ученые. Поставил ее перед собой и английский ученый Фарадей. «Превратить магнетизм в электричество» — так записал в своем дневнике эту задачу Фарадей в 1822 г. Почти 10 лет упорной работы потребовалось Фарадею для ее решения.

galvanometr

Чтобы понять, как Фарадею удалось «превратить магнетизм в электричество», выполним некоторые опыты Фарадея, используя современные приборы.

На рисунке 305 изображен проводник, концы которого присоединены к гальванометру. Если этот проводник вдвигать внутрь магнита или удалять из него так, чтобы он пересекал магнитные линии, то в нем возникает и существует во все время движения электрический ток. Это видно по отклонению стрелки гальванометра. Можно двигать магнит, а проводник закрепить неподвижно, важно, чтобы существовало движение проводника относительно магнитного поля и чтобы магнитные линии и проводник при этом пересекались.

Читайте так же:
Магнитные пускатели пмл токи теплового реле

Явление возникновения электрического тока в проводнике, пересекающем магнитные линии, называется электромагнитной индукцией. А возникающий при этом ток—индукционным током,

Индукционный ток в проводнике представляет собой такое же упорядоченное движение электронов, как и ток, полученный от гальванического элемента или аккумулятора. Название же «индукционный» указывает только на причину его возникновения.

model-generatora

На явлении электромагнитной индукции основано устройство и действие мощных источников тока – генераторов. Модель генератора показана на рисунке 306. Когда рамка вращается в магнитном поле (рис, 306), в ее обмотке возникает ток.

Фарадей Майкл (1791—1867)— английский физик. Создал учение о магнитном и электрическом поле. Открыл явление электромагнитной индукции, установил законы электролиза, прославился опытами по сжижению газов.

Устройство технического генератора значительно сложнее. При помощи их вырабатывается ток на электростанциях. Для приведения во вращение подвижной части генератора используют двигатели внутреннего сгорания, паровые турбины и гидротурбины.

Электрический генератор и паровую турбину, соединенные в один агрегат (рис. 307), называет турбогенератором. На рисунке 307 слева изображен внешний вид генератора, справа — внешний вид турбины. Турбогенераторы устанавливают на тепловых (и атомных) электростанциях. Наши заводы могут сейчас строить генераторы мощностью свыше 1 млн. кВт, создающие напряжение 13—15 тыс. В.

На рисунке 308 изображена схема гидрогенератора, они, как и турбогенераторы, вырабатывают ток большой мощности. При работе генераторов энергия топлива (угля, нефти, газа) или воды (на гидроэлектростанциях) превращается в энергию электрического тока, которая используется в промышленности, транспорте, сельском хозяйстве и в быту.

turbogenerator

Вопросы. 1. На каком опыте можно показать возникновение в проводнике индукционного тока? 2. Какие необходимы условия для получения в проводнике индукционного тока? 3. Какое явление называют электромагнитной индукцией? Кто и когда открыл это явление? 4. Как называются мощные современные источники электрического тока? 5. На каком физическом явлении основано устройство и действие генераторов тока? 6. Какие агрегаты называются турбогенераторами, какие — гидрогенераторами? 7. Какие превращения энергии происходят при работе турбогенератора и гидрогенератора?

ЭДС индукции в движущемся проводнике — формулы и определение с примерами

На заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле индукцией ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерами

Рассмотрим проводник, находящийся в магнитном поле. Свободные заряды внутри проводника участвуют в тепловом движении. Вследствие хаотичности
теплового движения средняя скорость перемещения и среднее смещение частиц равны нулю. Следовательно, при тепловом движении заряженных частиц внутри проводника среднее значение силы Лоренца также равно нулю. При поступательном движении проводника как целого ситуация меняется, поскольку наряду с тепловым (беспорядочным) движением свободные заряды участвуют в направленном движении вместе с проводником.

Рассмотрим движение проводника длиной l со скоростью ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерамиперпендикулярно магнитному полю индукцией ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерамиПоскольку свободные электроны движутся вместе с проводником со скоростью ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерами(рис. 164), то под действием силы Лоренца ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерамиони будут смещаться вдоль проводника к его концу D. Направление силы Лоренца можно определить по правилу левой руки с учетом знака заряда электрона.

ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерами

Вследствие этого на торцах D и А проводника появятся, соответственно, отрицательные и положительные заряды, которые создадут электрическое поле, а значит, и некоторую разность потенциалов ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерамимежду торцами проводника.

Процесс разделения зарядов (поляризации проводника) будет продолжаться до тех пор, пока сила, действующая на любой свободный электрон со стороны электрического поля ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерами(см. рис. 164), не уравновесит силу Лоренца ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерамидействующую на электрон со стороны магнитного поля.

С учетом выражения для силы Кулона, действующей на каждый электрон ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерамигде ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерами— напряженность созданного электрического поля, и силы Лоренца ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерамиможно записать:
ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерами
Откуда
ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерами

Под действием сил Кулона и Лоренца заряды будут находиться в равновесии, и дальнейшее их разделение прекратится. По всей длине проводника установится однородное электрическое поле. Между концами проводника (в разомкнутой цепи) длиной l появится разность потенциалов
ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерамикоторая является частным случаем возникновения ЭДС электромагнитной индукции.

Таким образом, при движении проводника длиной l со скоростью ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерамив постоянном магнитном поле индукцией ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерамив нем возникает ЭДС индукции
ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерами

Причиной появления этой ЭДС является сила Лоренца, действующая на свободные электроны в движущемся проводнике.

Подчеркнем, что полная работа силы Лоренца в движущемся проводнике равна нулю. Продольная составляющая силы Лоренца ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерамидействующая на заряды, совершает работу ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерамипо их разделению (рис. 165).

Читайте так же:
Определение коэффициента теплопроводности воздуха вблизи нагретой электрическим током нити

ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерами

Поперечная составляющая ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примераминаправленная противоположно скорости движения проводника, совершает работу ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерамиПолная работа силы Лоренца (сумма этих работ) равна нулю ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерамиВследствие того что работа поперечной составляющей силы Лоренца отрицательна, при движении проводника в магнитном поле происходит его торможение. Поэтому для движения проводника с постоянной скоростью на него необходимо действовать постоянной внешней силой, равной по модулю поперечной составляющей силы Лоренца.

ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерами
Если проводник замкнуть расположенным вне магнитного поля проводом (рис. 166), то по этому проводу от точки D к точке А электроны будут перемещаться под действием ЭДС электромагнитной индукции.

Существование ЭДС индукции приводит к появлению в замкнутом контуре индукционного тока. Таким образом, электроны в проводнике движутся от точки А к точке D против сил электрического поля под действием силы Лоренца, а от точки D к точке А по проводу (во внешней цепи) их движение происходит под действием сил электрического поля.

Когда проводник длиной l с индукционным током силой I движется в магнитном поле индукцией ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерамито на него со стороны поля действует сила Ампера, модуль которой ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерамиДля определения направления этой силы применим правило левой руки (рис. 167).

ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерами

Направление силы противоположно направлению движения про
водника. Следовательно, индукционный ток, взаимодействуя с магнитным полем, создает силу, тормозящую движение проводника. Таким образом, для движения проводника необходима внешняя сила, совершающая работу против силы Ампера. Индукционный ток нагревает проводник, по которому он проходит. Выделяющаяся в виде тепла энергия поступает в цепь благодаря работе, которую совершает внешняя сила, двигая проводник против сил поля.

Если проводник, расположенный перпендикулярно линиям индукции магнитного поля, движется со скоростью ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примераминаправленной под углом ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерамик линиям индукции (рис. 168, а), то ее можно разложить на две составляющие — параллельную ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерамии перпендикулярную ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примераминаправлению магнитного поля (рис. 168, б):
ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерами

ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерами

При движении проводника вдоль линии индукции в нем не возникает ЭДС индукции, поэтому вклад в ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерамивносит только перпендикулярная составляющая скорости ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерамиВследствие этого выражение для ЭДС индукции в общем виде представляется соотношением
ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерами

Таким образом, в общем случае необходимо учитывать угол между направлением скорости движения проводника (скорости электронов) и вектором индукции магнитного поля (как это делалось для силы Лоренца).
Вернемся к рассмотрению ЭДС электромагнитной индукции, возникающей в проводнике, движущемся равномерно и прямолинейно в магнитном поле. Поскольку скорость определяется, как ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерамито выражение для ЭДС можно представить в виде
ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерами

Учитывая, что ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерами— площадь прямоугольника KNN’K’, охватываемая проводником за промежуток времени ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерами(см. рис. 168, а), можем записать:
ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерами

С учетом определения магнитного потока полученное выражение для ЭДС индукции можно представить в виде (см. рис. 168, б):
ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерами

Здесь ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерами— изменение магнитного потока через контур за промежуток времени ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерами(число пересеченных проводником линий индукции магнитного поля).

ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерами

Направление индукционного тока в контуре с перемещающимся проводником может быть установлено с помощью правила правой руки (рис. 169):
если ладонь правой руки расположить так, чтобы вектор индукции ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерамимагнитного поля входил в ладонь, а отставленный на 90° большой палец совпадал с направлением скорости движения проводника, то четыре вытянутых пальца укажут направление индукционного тока.

Таким образом, явление электромагнитной индукции связано с изменением магнитного потока через контур вне зависимости от характера причин, обусловливающих это изменение. ЭДС электромагнитной индукции прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока, т. е. изменению магнитного потока через контур в единицу времени.

Подчеркнем еще раз, что изменение магнитного потока через контур возникает при изменении:

  • индукции ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерамимагнитного поля;
  • площади S контура;
  • ориентации контура в магнитном поле (угла ЭДС индукции в движущемся проводнике - формулы и определение с примерами).

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector