Электромагнитная индукция, закон Фарадея и коэффициент самоиндукции в катушке
Когда электрический ток проходит через проводник, он создает магнитное поле. Вскоре после этого открытия Эрстедом учёный по имени Фарадей обратился к обратному. Он доказал серией экспериментов, что электрический ток может возникать в проводнике, когда он движется, разрезая силовые линии магнитного поля, что называется магнитной индукцией.
Электромагнитная индукция
Это явление генерации наведенной электродвижущей силы и индуцированного тока в проводнике в результате изменения во времени магнитного потока, который перехватывается проводником.
Эксперимент Фарадея по обнаружению электромагнитной индукции:
Назначение: Генерация наведенного электрического тока в катушке.
Шаги и наблюдение:
- Фарадей изготовил цилиндрическую катушку из медной проволоки, витки которой изолированы друг от друга.
- Он подключил выводы катушки к чувствительному гальванометру, нулевое показание которого находилось в середине градуированной шкалы.
- Когда Фарадей погрузил магнит в катушку, наблюдение: стрелка гальванометра на мгновение отклонилась в определенном направлении.
- Когда он вынул магнит из катушки, наблюдение: игла на мгновение отклонилась в противоположном направлении.
- Тот же эффект появляется, когда катушка перемещается вокруг неподвижного магнита.
Заключение:
Индуцированная электродвижущая сила и индуцированный электрический ток генерируются в катушке в результате изменения во времени магнитного потока, связанного с катушкой во время движения магнита (изменение во времени силовых линий магнитного поля, когда их пересекают витки катушки пока магнит находился в движении) . Направление индуцированного электрического тока зависит от направления движения магнита и направления магнитного поля .
Направление индуцированного тока
Мы можем определить направление индуцированного тока, генерируемого в катушке при изменении магнитного потока, который разрезает катушку, используя правило Ленца, которое гласит, что индуцированный ток должен быть в таком направлении, чтобы противодействовать вызывающему его изменению.
Когда северный полюс постоянного магнита приближается к концу проволочной катушки, индуцированный электрический ток проходит в катушке в таком направлении, чтобы сформировать северный полюс на том конце катушки, который отталкивает северный полюс магнита. и сопротивляется движению.
Когда северный полюс постоянного магнита удаляется от конца проволочной катушки, индуцированный электрический ток проходит в катушке в таком направлении, чтобы сформировать южный полюс на том конце катушки, который притягивает северный полюс магнита. и сопротивляется движению.
Вывод закона Фарадея
Величина наведенной электродвижущей силы (ЭДС) прямо пропорциональна скорости, с которой проводник пересекает линии магнитного потока, связанные с ним (скорость изменения потока).
ЭДС ∝ ΔΦ m / Δ t
Величина наведенной электродвижущей силы (ЭДС) прямо пропорциональна количеству витков N катушки, которая пересекает (или соединяется) с линиями магнитного потока .
ЭДС ∝ N, ∴ ЭДС = Константа × N ΔΦ m / Δ t
Если магнитный поток измеряется блоком Вебера, ЭДС = — N ΔΦ m / Δ t
Это известно как закон электромагнитной индукции Фарадея . Отрицательный знак указывает на то, что направление индуцированной ЭДС или индуцированного тока имеет тенденцию противоположно причине, вызывающей ее, согласно правилу Ленца.
Закон Фарадея: индуцированная ЭДС, генерируемая в катушке электромагнитной индукцией, прямо пропорциональна скорости, с которой проводник пересекает линии магнитного потока, а также пропорциональна количеству витков катушки.
Средняя наведенная ЭДС измеряется в Вольтах. Изменение общего магнитного потока (ΔΦ м ), связанного с катушкой, измеряется в Веберах (Вт) и эквивалентно Вольт-сек (В · с), Вебер — это магнитный поток, проникающий перпендикулярно виток катушки, который при постепенном и равномерном исчезновении в течение 1 секунды производит наведенную ЭДС в 1 вольт.
ΔΦ m = ЭДС Δ t / N
Факторы, влияющие на индуцированную ЭДС, генерируемую в катушке:
- Количество витков катушки (N) прямо пропорционально.
- Скорость, с которой проводник пересекает линии магнитного потока (ΔΦ m/ Δ t ), прямо пропорциональна.
Индуцированная ЭДС, генерируемая в катушке, увеличивается, если ее сердечник сделан из железа, из-за его высокой магнитной проницаемости, которая помогает увеличить концентрацию силовых линий, которые перекрываются катушкой, и, следовательно, увеличивает наведенную ЭДС.
Чтобы определить изменение магнитного потока (ΔΦ м ), когда плоскость катушки перпендикулярна потоку, катушка поворачивается на 90 ° или становится параллельной потоку, или катушка удаляется из потока, или поток исчезает, тогда :
ΔΦ m = BA — 0 = BA
Катушка повернута на 180 ° или перевернута в сторону, или направление потока меняется на противоположное, тогда:
ΔΦ m = BA — (- BA) = 2 BA
Площадь катушки изменена: ΔΦ m = B ΔA
Плотность магнитного потока изменяется: ΔΦ m = A ΔB
Индуцированная ЭДС, возникающая в движущемся прямом проводе
Когда прямой провод движется перпендикулярно магнитному полю , изменение магнитного потока влияет на свободные электроны в проводе, заставляя их перемещаться от одного конца к другому, создавая разность потенциалов между концами провода и, следовательно, индуцируемую ЭДС между его концами.
Правило правой руки Флеминга
Он используется для определения направления индуцированного электрического тока в прямом проводе, движущемся перпендикулярно магнитному потоку .
Правило: Вытяните большой, указательный и средний пальцы правой руки, взаимно перпендикулярно друг другу, пусть указатель указывает на направление поля, а большой палец — на направление движения, тогда средний палец будет указывать на направление индуцированного тока или напряжения.
Вычитание коэффициента самоиндукции в катушке
Когда прямой провод длиной (L) движется со скоростью (v) перпендикулярно однородному магнитному полю плотности (B) (перпендикулярно бумаге внутрь) и совершает смещение (Δx) в течение интервала времени (Δt), тогда :
∴ ЭДС = — ΔΦ m / Δ t = — BΔA / Δ t = — BLΔx / Δ t
Δx / Δt = v, ∴ emf = — BLv
и если направление скорости составляет угол θ с магнитным потоком , то:
∴ эдс = — BLv sin θ
И если провод движется параллельно магнитному полю, то ЭДС = BLv sin 0 = 0, ЭДС исчезает.
И если провод движется перпендикулярно магнитному полю, то ЭДС = BLv sin 90 = BLv, ЭДС составляет макс.
Факторы, влияющие на наведенную ЭДС в прямом проводе, задерживающем магнитный поток
- Плотность магнитного потока (B) (прямо пропорциональна).
- Скорость проволоки (v) (прямо пропорциональна).
- Длина провода (L) (прямо пропорциональна).
- Синхронизируйте угол между скоростью проволоки и направлением магнитного потока (sin θ) (прямо пропорционально).