ЭДС индукции в движущемся проводнике
Если проводник перемещается в постоянном магнитном поле, то в нём также появляется ЭДС индукции. Однако причиной теперь служит не вихревое электрическое поле (оно вообще не появляется — ведь магнитное поле постоянно), а действие силы Лоренца на свободные заряды проводника.
Рассмотрим ситуацию, которая часто встречается в задачах. В горизонтальной плоскости расположены параллельные рельсы, расстояние между которыми равно l. Рельсы находятся в вертикальном однородном магнитном поле . По рельсам движется тонкий проводящий стержень P N со скоростью ; он всё время остаётся перпендикулярным рельсам (рис. 1).
Рис. 1. Движение проводника в магнитном поле
Возьмём внутри стержня положительный свободный заряд q. Вследствие движения этого заряда вместе со стержнем со скоростью ~v на заряд будет действовать сила Лоренца:
Направлена эта сила вдоль оси стержня, как показано на рисунке (убедитесь в этом сами — не забывайте правило часовой стрелки или левой руки!).
Сила Лоренца играет в данном случае роль сторонней силы: она приводит в движение свободные заряды стержня. При перемещении заряда q от точки N к точке P наша сторонняя сила совершит работу:
(Длину стержня мы также считаем равной l.) Стало быть, ЭДС индукции в стержне окажется равной:
Таким образом, стержень P N аналогичен источнику тока с положительной клеммой P и отрицательной клеммой N. Внутри стержня за счёт действия сторонней силы Лоренца происходит разделение зарядов: положительные заряды двигаются к точке P, отрицательные — к точке N.
Допустим сначала, что рельсы не проводят ток. Тогда движение зарядов в стержне постепенно прекратится. Ведь по мере накопления положительных зарядов на торце P и отрицательных зарядов на торце N будет возрастать кулоновская сила, с которой положительный свободный заряд q отталкивается от P и притягивается к N — и в какой-то момент эта кулоновская сила уравновесит силу Лоренца. Между концами стержня установится разность потенциалов, равная ЭДС индукции (1).
Теперь предположим, что рельсы и перемычка KM являются проводящими. Тогда в цепи возникнет индукционный ток; он пойдёт в направлении P → K → M → N (от «плюса источника» P к «минусу» N). Предположим, что сопротивление стержня равно r (это аналог внутреннего сопротивления источника тока), а сопротивление участка PKMN равно R (сопротивление внешней цепи). Тогда сила индукционного тока найдётся по закону Ома для полной цепи:
Замечательно, что выражение (1) для ЭДС индукции можно получить также с помощью закона Фарадея. Сделаем это.
За время ∆t наш стержень P N проходит путь v∆t и занимает положение P’N’ (рис. 1). Площадь контура возрастает на величину площади прямоугольника PP’N’N:
Магнитный поток через контур увеличивается. Приращение магнитного потока равно:
Скорость изменения магнитного потока положительна и равна ЭДС индукции:
Мы получили тот же самый результат, что и в (1).
Направление индукционного тока, заметим, подчиняется правилу Ленца. Действительно, раз ток течёт в направлении P → K → M → N, то его магнитное поле направлено противоположно внешнему полю B и, стало быть, препятствует возрастанию магнитного потока через контур.
На этом примере мы видим, что в ситуациях, когда проводник движется в магнитном поле, можно действовать двояко: либо с привлечением силы Лоренца как сторонней силы, либо с помощью закона Фарадея. Результаты будут получаться одинаковые.
Индукционный ток
ИНДУКЦИОННЫЙ ТОК — это электрический ток, возникающий при изменении потока магнитной индукции в замкнутом проводящем контуре. Это явление носит название электромагнитной индукции. Хотите узнать какое направление индукционного тока? Росиндуктор — это торговый информационный портал, где вы найдете информацию про ток.
Индукционный ток правило
Определяющее направление индукционного тока правило звучит следующим образом: «Индукционный ток направлен так, чтобы своим магнитным полем противодействовать изменению магнитного потока, которым он вызван». Правая рука развернута ладонью навстречу магнит¬ным силовым линиям, при этом большой палец направлен в сторону движения проводника, а четыре пальца по-казывают, в каком направлении будет течь индукционный ток. Перемещая проводник, мы перемещаем вместе с проводчиком все электроны, заключенные в нем, а при перемещении в магнитном поле электрических зарядов на них будет действовать сила по правилу левой руки.
Направление индукционного тока
Направление индукционного тока, как и его величина, определяется правилом Ленца, в котором говорится, что направление индукционного тока всегда ослабляет действие фактора, возбудившего ток. При изменении потока магнитного поля через контур направление индукционного тока будет таким, чтобы скомпенсировать эти изменения. Когда магнитное поле возбуждающее ток в контуре создается в другом контуре, направление индукционного тока зависит от характера изменений: при увеличении внешнего тока индукционный ток имеет противоположное направление, при уменьшении — направлен в ту же сторону и стремиться усилить поток.
Индукционный ток в катушке
Катушка с индукционным током имеет два полюса (северный и южный), которые определяются в зависимости от направления тока: индукционные линии выходят из северного полюса. Приближение магнита к катушке вызывает появление тока с направлением, отталкивающим магнит. При удалении магнита ток в катушке имеет направление, способствующее притягиванию магнита.
Индукционный ток возникает
Индукционный ток возникает в замкнутом контуре, находящемся в переменном магнитном поле. Контур может быть как неподвижным (помещенным в изменяющийся поток магнитной индукции), так и движущимся (движение контура вызывает изменение магнитного потока). Возникновение индукционного тока обуславливает вихревое электрическое поле, которое возбуждается под воздействием магнитного поля.
Как создать индукционный ток
О том, как создать кратковременный индукционный ток можно узнать из школьного курса физики.
Для этого есть несколько способов:
- — перемещение постоянного магнита или электромагнита относительно катушки,
- — перемещение сердечника относительно вставленного в катушку электромагнита,
- — замыкание и размыкание цепи,
- — регулирование тока в цепи.
Сила индукционного тока
Основной закон электродинамики (закон Фарадея) гласит, что сила индукционного тока для любого контура равна скорости изменения магнитного потока, проходящего через контур, взятой со знаком минус. Сила индукционного тока носит название электродвижущей силы.
Что такое индукционный ток
Когда проводник пронизывает переменный магнитный поток, в нем возникает электродвижущая сила, способствующая образованию индукционного тока. Сегодня данное явление довольно глубоко проникло не только в сложные отрасли науки и техники, но и в самые обыденные области жизни. Поэтому есть смысл разобраться, какой ток называют индукционным.
Хронология исследований МП
Краткая история открытия
Индукционный электрический ток как логическое следствие феномена электромагнитной индукции был обнаружен и впервые описан знаменитым Майклом Фарадеем, британским ученым, совершившим прорыв в физике электричества.
Упорно исследуя условия возникновения электричества под действием магнитов, Фарадей сумел заметить и объяснить возникающее в катушке электрическое движение при изменении магнитного потока в ней. Он понял, когда меняется магнитное поле, проходящее сквозь проводник, в нем наводится электрический ток, который называется индукционным током.
Открытие Фарадея
Индукционный ток возникает, если сквозь неподвижный контур проходит изменяющийся магнитный поток или же, когда в постоянном магнитном поле происходит перемещение самого контура. В любом случае в качестве причины возникновения индуцированного или индукционного тока выступает вихревое электрополе, которое появляется под влиянием магнитного поля.
Поняв, почему возникает индукционный ток, Фарадей оставил без ответа, куда он направляется. Эту загадку чуть погодя разрешил российский физик Эмилий Ленц, также проводивший опыты с катушками и магнитами.
Всем известно, что электричество порождает магнитное поле. Когда на проводник влияет такое поле и зарождается электроток, магнетизм этого электротока противодействует магнетизму, вызвавшему индукцию. Силовые линии обоих полей направлены по встречным направлениям и взаимно пытаются погасить друг друга. Так родилось правило Ленца. Его смысл заключается в том, что все токи, поля, силы, появившиеся в процессе электромагнитной индукции, стремятся компенсировать влияние процесса, который таковую вызвал.
Правило Ленца
Физический смысл явления
Чтобы понять, что представляет собой индуктивное электричество, необходимо вспомнить основные закономерности электродинамики, в частности закон электромагнитной индукции Фарадея, формула которого выражает взаимосвязь между магнитными и электрическими явлениями.
На основании представленной выше формулы можно сделать вывод, что значение ЭДС индукции, следовательно, и индукционного тока зависит от скорости изменения проходящего сквозь контур магнитного потока или же скорости движения контура в неизменном магнитном поле. Поэтому, чем быстрее меняется МП или движется проводник, тем больше будет величина возникшего индукционного тока.
Способы изменения МП
Закон Фарадея позволяет найти величину индукционного тока. Ведь ЭДС индукции с некоторым уровнем упрощения можно рассматривать как напряжение индукционного тока, минимум потому, что она играет ту же роль в зависимости для силы индукционного тока, идентичной закону Ома для участка цепи, где I — сила тока, а R — сопротивление проводника:
Формула для определения величины тока
Если запитанный проводник (катушка, стержень и т. п) движется сквозь постоянное магнитное поле, то ЭДС индукции создаётся за счёт силы Лоренца:
Определение через силу Лоренца
При движении в магнитном поле к проводнику необходимо прилагать механическую силу, чтобы преодолеть тормозящий эффект силы Лоренца. Чем больше сила будет приложена, тем больше будет электродвижущая сила.
Чтобы определить, куда направлен индукционный ток, нужно применить способ, названный правилом правой руки. Ее располагают так, чтобы линии МП входили в ладонь, а большой палец был сонаправлен с движением проводника. Тогда по остальным вытянутым пальцам определяется ориентация тока.
Правило для определения направления ИТ
Применение в быту
Индуцированный или как ещё можно назвать, индукционный ток, способен оказывать электрическое, тепловое и механическое действие, поэтому он используется в самых разнообразных сферах человеческой деятельности. Например, он является целевым продуктом электрогенераторов различного рода, а обратный процесс, связанный с компенсирующим движением магнита даёт человечеству сонм электродвигателей. Возникновение такого тока является гарантией работы разнообразных реле, датчиков, трансформаторов.
Применение ИТ
Электромагнетизм играет важную роль при использовании устройств связи. Вихревые токи, зарождающиеся в тяжеловесных проводящих объектах под влиянием переменных магнитных полей, при надлежащей мощности магнита способны раскалить их до такой степени, что на этом процессе основано действие промышленных индукционных печей. Передача энергии полями таким образом служит основой для устройств РЭБ и беспроводных зарядных устройств.
Каталог статей
1. Металлический стержень и провода, по которым он скользит, находятся в однородном магнитном поле, перпендикулярном плоскости рисунка. Индукция магнитного поля 500 мТл, скорость движения проводника 2 м/с, его длина 1 м, сопротивление цепи 10 Ом. Найдите индукционный ток.
Так как проводник движется в магнитном поле, то в нем возникает ЭДС индукции, равная ℰ i = BLv sin α . По условию задачи α = 90 ° , значит ℰ i = BLv .
2. Контур с источником тока, имеющим внутреннее сопротивление 200 мОм, находится в однородном магнитном поле с индукцией 100 мТл. Найдите ток в цепи при движении перемычки со скоростью 10 м/с, если при ее движении в том же направлении со скоростью 40 м/с ток отсутствует. Сопротивлением направляющих проводников можно пренебречь. Длина перемычки 66 мм.
При движении перемычки в магнитном поле, в ней возникает ЭДС индукции. Общее ЭДС может быть равно ℰ = ℰ ист + ℰ i или ℰ = ℰ ист — ℰ i в зависимости от направления индукционного тока. Так как в условии задачи сказано, что при скорости 40 м/с ток отсутствует, то можно сделать вывод, что ℰ = ℰ ист — ℰ i . Отсюда ℰ ист = BLv2 .
При скорости 10 м/с в том же направлении ℰ = ℰ ист – BLv 1 = BLv 2 – BLv 1 = BL ( v 2 – v 1 ).
3. Два параллельных вертикальных проводника, расположенные на расстоянии 1 м друг от друга, замкнуты сопротивлением 1 Ом и помещены в однородное магнитное поле с индукцией 100 мТл, перпендикулярное плоскости проводников. По проводникам начинает вниз скользить без трения перемычка массой 100 г. Пренебрегая сопротивлением проводников и перемычки, определите максимальную скорость падения перемычки.
При движении перемычки в магнитном поле, в ней возникает индукционный ток, который по правилу левой руки направлен вправо. Тогда на проводник с током магнитное поле действует силой Ампера, которая по правилу левой руки направлена вверх. Таким образом, на перемычку действует две противоположно направленные силы – сила Ампера и сила тяжести, равнодействующая которых является причиной ускорения при движении перемычки. Соответственно, при возрастании скорости движения перемычки будет возрастать сила Ампера. Максимальной скорости перемычка достигнет тогда, когда сила Ампера станет равной силе тяжести: mg = FA ; mg = BIiL .
4. По горизонтальным параллельным рельсам, расстояние между которыми 10 см, может скользить без трения параллельно самой себе проводящая перемычка, масса которой 6 г. Рельсы соединены резистором сопротивлением 6 Ом и помещены в вертикальное магнитное поле с индукцией 300 мТл. Перемычке сообщают горизонтальную параллельную рельсам скорость 1 см/с. Найдите путь, пройденный перемычкой до остановки. Электрическое сопротивление перемычки и рельс не учитывать.
Так как перемычка движется, то в ней возникает ЭДС индукции ℰ i = BLv . На проводник с током магнитное поле действует силой Ампера, направленная противоположно скорости по правилу левой руки и равная FA = BIL .
При движении скорость уменьшается, следовательно, уменьшается и значение силы Ампера. Потому можно рассмотреть работу, выполненную силой, равной среднему значению силы Ампера: