Электромагнитная индукция
Электромагни́тная инду́кция, физическое явление возникновения переменного электрического поля E E E , вызванного изменением магнитного потока Φ \Phi Φ (потока вектора магнитной индукции) во времени t t t . Математическим выражением электромагнитной индукции является первое уравнение Максвелла :
∮ l E ⋅ d l = − d Φ d t , \oint_ \text \cdot d \text=-\frac, ∮ l E ⋅ d l = − d t d Φ , где магнитный поток Φ \Phi Φ определяется через произвольную поверхность, границей которой является замкнутый контур l l l , вдоль которого вычисляется циркуляция вектора напряжённости электрического поля E E E . Если в этом уравнении интегрирование проводится вдоль замкнутого геометрического контура l l l , совпадающего с замкнутым проводником, то уравнение определяет электродвижущую силу ( эдс индукции )
ε i = − d Φ d t , \varepsilon_<\mathrm>=-\frac, ε i = − d t d Φ , которая вызывает в проводнике индукционный ток. Возникновение индукционного тока в процессе электромагнитной индукции было открыто М. Фарадеем в 1831 г.
Направление индукционного тока определяет правило Ленца (частный случай принципа Ле Шателье – Брауна ): магнитное поле , создаваемое индукционным током, препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот индукционный ток.
Явление электромагнитной индукции находит широчайшее применение в электротехнике: все устройства генерации электрического тока в современной электроэнергетике (кроме химических – аккумуляторов и батарей) работают на основе явления электромагнитной индукции.
Опубликовано 7 февраля 2023 г. в 18:57 (GMT+3). Последнее обновление 7 февраля 2023 г. в 18:57 (GMT+3). Связаться с редакцией
XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2023
В настоящее время в основе многих устройств лежит явление электромагнитной индукции, например в двигателе или генераторе электрического тока, в трансформаторах, радиоприемниках и многих других устройствах [1].
Начнем с определения электромагнитной индукции.
Электромагни́тная инду́кция — явление возникновения электрического тока, электрического поля или электрической поляризации при изменении магнитного поля во времени или при движении материальной среды в магнитном поле [2].
То есть благодаря этому явлению мы можем преобразовывать механическую энергию в электрическую, и это замечательно. Ведь до открытия этого явления люди не знали о методах получения электрического тока кроме как от источников тока [1].
Явление электромагнитной индукции было открыто Майклом Фарадеем в 1831 году. Он опытным путем установил, что при изменении магнитного поля внутри замкнутого проводящего контура в нем возникает электрический ток, который назвали индукционным током [1].
ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ
В 1833-1834 годах ученый установил законы электролиза. Затем заменил проводящую жидкость в электролитической ванне непроводящей и на опытах доказал, электростатическая индукция зависит от среды. Аналогично, установил он, от среды зависит и взаимодействие магнитных полюсов. Доказывая, что все без исключения вещества в природе приобретают компоненту намагниченности против направления внешнего магнитного поля, открыл явление диамагнетизма. И, наконец, Фарадей открыл вращение плоскости поляризации света в магнитном поле. В каждом случае он устанавливал факт взаимодействия между сущностями, до того не связанными между собой [4].
Майкл Фарадей провел ряд опытов, которые помогли открыть явление электромагнитной индукции [5].
Опыт раз. На одну непроводящую основу намотали две катушки: витки первой катушки были расположены между витками второй. Витки одной катушки были замкнуты на гальванометр, а второй — подключены к источнику тока.
При замыкании ключа и протекании тока по второй катушке в первой возникал импульс тока. При размыкании ключа также наблюдался импульс тока, но ток через гальванометр тек в противоположном направлении.
Опыт два. Первую катушку подключили к источнику тока, а вторую — к гальванометру. При этом вторая катушка перемещалась относительно первой. При приближении или удалении катушки фиксировался ток.
Опыт три. Катушка замкнута на гальванометр, а магнит движется вдвигается (выдвигается) относительно катушки [5].
Вот, что показали эти опыты:
Индукционный ток возникает только при изменении линий магнитной индукции.
Направление тока будет различно при увеличении числа линий и при их уменьшении.
Сила индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока. Может изменяться само поле, или контур может перемещаться в неоднородном магнитном поле [5].
ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
Наиболее популярными направлениями, где используются законы ЭМИ, считается область работы большинства двигателей, а также генераторов тока. В вышеназванные устройства закладывается достаточно простой принцип действия, который без применения ЭДС был бы недоступен [3].
Применение электромагнитной индукции позволяет создавать различные по конструкции, но схожие по принципу действия механизмы. Вышеупомянутые электродвигатели и генераторы также отличаются конструктивно, но имеют подобное внутреннее устройство. Они оснащаются статором, а ещё подвижным ротором, взаимодействующим друг с другом благодаря вращающимся электромагнитным полям [3].
ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
РАДИОВЕЩАНИЕ
Электромагнитная волна — это обоюдно порождающие себя поля, которые в итоге формируют единое переменное электромагнитное поле [3].
Оно в свою очередь возбуждается изменяющимся током, образует в своём окружении электрополе, которое в дальнейшем возбуждает магнитное поле. В случае возникновения в зоне, где располагается провод с электротоком, электромагнитное поле способно распространяться по пространству со скоростью света [3].
Рис. 1. Радиоприемник
МАГНИТОТЕРАПИЯ
Радиоволны, излучение рентгена, а ещё свет занимают различные позиции в спектрах частот [3].
К этому перечню причисляются всевозможные электромагнитные излучения. Как правило, они характеризуются магнитными, электрическими полями, что в непрерывном режиме обоюдно связаны [3].
СИНХРОФАЗОТРОНЫ
Электромагнитная индукция находит своё применение и в таких видах устройств, как синхрофазотроны [3].
В данном подходе магнитным полем считают специфичную форму материи, которая состоит из заряженных частиц. Для доступа вглубь атомов со стремлением их исследования применяют заряженные частицы. Вводится определение силы Лоренца. Это сила, с которой некое магнитное поле воздействует на отдельную заряженную частицу в момент движения [3].
Рис. 2. Синхрофазотрон
РАСХОДОМЕРЫ — СЧЁТЧИКИ
Применяется рассматриваемый принцип в некоторых измерительных приборах. Алгоритм работы основывается на задействовании закона Фарадея непосредственно для проводника, пребывающего в магнитном поле [3].
ЭДС наводится в массиве электропроводящего вещества, что движется в магнитном поле. Она пропорциональна скорости потока и преобразуется электроникой в электронный сигнал (аналоговый либо же цифровой). Далее необходимые сведения отображаются на экране или циферблате [3].
ГЕНЕРАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА
Это устройство создаётся достаточно просто. Прежде всего, понадобится спровоцировать изменение магнитного поля, как вариант при помощи перемещаемого магнита. Этого можно добиться сторонним воздействием на магнит, находящийся в пределах замкнутой цепи. Подобные манипуляции спровоцируют образование электрического тока в системе. Созданный таким образом генератор позволит в дальнейшем при его применении на электростанциях трансформировать механическую энергию в электрическую. После этого выработанное электричество направляется к пользователям. Передача осуществляется по проводам, энергия может быть использована для различных нужд [3].
Источниками механической энергии могут быть следующие явления:
Сгорание дизельного топлива.
Это наиболее распространённые источники механической энергии, в действительности их может быть гораздо больше [3].
ТРАНСФОРМАТОРЫ
Трансформаторы имеют широкое применение. Они задействуются в процессе передачи электричества на большие дистанции и его распределения между приёмниками [3].
Находят трансформаторы применение в таких категориях механизмов:
Главным свойством, на котором основывается вся работа трансформаторных устройств, считается именно взаимоиндукция. Принцип действия трансформатора базируется на видоизменении энергии переменным магнитным полем [3].
Рис. 3. Схема трансформатора
Внутри конструкции расположен сердечник, состоящий из изолированных между собой пластин. На него помещаются несколько обмоток в виде катушек изготовленных из изолированного провода. Выделяется понятие первичной и вторичной обмотки. Первичная — это та, к которой непосредственно подключается переменный электроток. Количество витков на вторичной обмотке может в несколько раз повысить электронапряжение, либо понизить. Это происходит благодаря тому, что в сердечнике первичной обмотки создаётся магнитное поле, которое непосредственно пересекает витки вторичной [3] .
ИНДУКЦИОННЫЕ ПЕЧИ
Свойства электромагнитной индукции находят применение не только в области использования проводов, обмоток. Оно также проявляет себя внутри разных массивных металлических объектов. Возникающие в таких предметах электротоки называют вихревыми. В момент работы некоторых видов оборудования они могут провоцировать нагрев как магнитопровода, так и всего корпуса в целом [3].
Чтобы предотвратить подобное негативное явление, требуются сердечники из тонколистного металла. Дополнительно используется изолирование при помощи нанесения слоя лака, что препятствует проникновению наведенных токов. Для индукционного нагрева можно не лимитировать вихревые электротоки, а создавать условия для их полноценного прохождения. Это помогает в создании повышенных температур, необходимых для промышленных нужд [3].
Явление электромагнитной индукции имеет широкое применение в техники и различных областях промышленности. Для преобразования механической энергии в энергию электрического тока используются синхронные генераторы. Для повышения или понижения напряжения переменного тока применяются трансформаторы. Использование трансформаторов позволяет экономично передавать электроэнергию от электрических станций к узлам потребления.
Это объясняется простотой воссоздания необходимых условий для полноценной работы данного принципа, возможностью его применения, как в компактных, так и массивных конструкциях [3].
Список литературы
Явление электромагнитной индукции // ФОКСФОРД URL : https://foxford.ru/wiki/fizika/yavlenie-elektromagnitnoy-induktsii (дата обращения: 13.12.2022).
Электромагнитная индукция // Википедия Свободная энциклопедия URL : https://ru.wikipedia.org/wiki/Электромагнитная_индукция (дата обращения: 13.12.2022).
Где находит применение явление электромагнитной индукции // проФазу.ру URL : https://profazu.ru/knowledge/electrical/primenenie-elektromagnitnoj-induktsii.html (дата обращения: 13.12.2022).
17.10.2021 23:30 // КАИ URL : https :// kai . ru / web / naucno — tehniceskaa — biblioteka / events / event ? id =12139442 (дата обращения: 13.12.2022).
Практическое применение закона электромагнитной индукции Фарадея
Словом «индукция» в русском языке обозначает процессы возбуждения, наведения, создания чего-либо. В электротехнике этот термин применяется уже более двух столетий.
После знакомства с публикациями 1821 года, описывающими опыты датского ученого Эрстеда об отклонениях магнитной стрелки около проводника с электрическим током, Майкл Фарадей поставил перед собой задачу: преобразовать магнетизм в электричество .
Через 10 лет исследований он сформулировал основной закон электромагнитной индукции, объяснив, что внутри любого замкнутого контура наводится электродвижущая сила. Ее величина определяется скоростью изменения магнитного потока, пронизывающего рассматриваемый контур, но взятую со знаком минус.
Передача электромагнитных волн на расстояние
Первая догадка, которая осенила мозг ученого, не увенчалась практическим успехом.
Он расположил рядом два замкнутых проводника. Около одного установил магнитную стрелку в качестве индикатора проходящего тока, а в другой провод подал импульс от мощного гальванического источника того времени: вольтова столба.
Исследователь предполагал, что при импульсе тока в первом контуре изменяющееся в нем магнитное поле наведет во втором проводнике ток, который отклонит магнитную стрелку. Но, результат оказался отрицательным — индикатор не сработал. Вернее, ему не хватило чувствительности.
Мозг ученого предвидел создание и передачу электромагнитных волн на расстояние, которые сейчас используются в радиовещании, телевидении, беспроводном управлении, Wi-Fi технологиях и подобных устройствах. Его просто подвела несовершенная элементная база измерительных устройств того времени.
После проведения неудачного опыта Michael Faraday видоизменил условия эксперимента.
Для опыта Фарадей использовал две катушки с замкнутыми контурами. В первый контур он подавал электрический ток от источника, а во втором наблюдал за появлением ЭДС. Проходящий по виткам обмотки №1 ток создавал вокруг катушки магнитный поток, пронизывающий обмотку №2 и образовывающий в ней электродвижущую силу.
Во время эксперимента Фарадей:
- включал импульсом подачу напряжения в цепь при неподвижных катушках;
- при поданном токе вводил в нижнюю катушку верхнюю;
- закреплял стационарно обмотку №1 и вводил в нее обмотку №2;
- изменял скорость перемещения катушек относительно друг друга.
Во всех этих случаях он наблюдал проявление ЭДС индукции во второй катушке. И лишь при прохождении постоянного тока по обмотке №1 и неподвижных катушках наведения электродвижущей силы не было.
Ученый определил, что наводимая во второй катушке ЭДС зависит от скорости, с которой меняется магнитный поток. Она пропорциональна его величине.
Эта же закономерность полностью проявляется при прохождении замкнутого витка сквозь силовые магнитные линии поля постоянного магнита. Под действием ЭДС в проводе образуется электрический ток.
Магнитный поток в рассматриваемом случае изменяется в контуре Sк, созданном замкнутой цепью.
Таким способом созданная Фарадеем разработка позволила поместить в магнитное поле вращающуюся токопроводящую рамку.
Ее затем сделали из большого количества витков, закрепили в подшипниках вращения. По концам обмотки вмонтировали токосъемные кольца и щетки, скользящие по ним, а через выводы на корпусе подключили нагрузку. Получился современный генератор переменного тока.
Его более простая конструкция создалась тогда, когда обмотку закрепили на стационарном корпусе, а вращать стали магнитную систему. В этом случае способ образования токов за счет электромагнитной индукции никак не нарушался.
Принцип работы электродвигателей
Закон электромагнитной индукции, который обсновал Michael Faraday, позволил создать различные конструкции электрических двигателей. Они имеют сходное устройство с генераторами: подвижный ротор и статор, которые взаимодействуют между собой за счет вращающихся электромагнитных полей.
Только через обмотку статора электродвигателя пропускают электрический ток. Он индуцирует магнитный поток, влияющий на магнитное поле ротора. В результате возникают силы, раскручивающие вал двигателя. Смотрите по этой теме — Принцип действия и устройство электродвигателя
Майкл Фарадей определил возникновение наведенной электродвижущей силы и индукционного тока в рядом расположенной обмотке при изменении магнитного поля в соседней катушке.
Ток внутри близлежащей обмотки наводится при коммутациях цепи выключателя в катушке 1 и всегда присутствует во время работы генератора на обмотку 3.
На этом свойстве, получившем название взаимоиндукции , основана работа всех современных трансформаторных устройств.
У них для улучшения прохождения магнитного потока изолированные обмотки надеты на общий сердечник, обладающий минимальным магнитным сопротивлением. Его изготавливают из специальных сортов стали и формируют наборными тонкими листами в виде секций определенной формы, называют магнитопроводом.
Трансформаторы передают за счет взаимоиндукции энергию переменного электромагнитного поля из одной обмотки в другую так, что при этом происходит изменение, трансформация величины напряжения на входных и выходных его клеммах.
Соотношение количества витков в обмотках определяет коэффициент трансформации , а толщина провода, конструкция и объем материала сердечника — величину пропускаемой мощности, рабочий ток.
Проявление электромагнитной индукции наблюдается в катушке во время изменения в ней величины протекающего тока. Этот процесс получил название самоиндукции .
При включении выключателя на приведенной схеме индукционный ток видоизменяет характер прямолинейного нарастания рабочего тока в цепи, как и во время отключения.
Когда же к проводнику, смотанному в катушку, прикладывается не постоянное, а переменное напряжение, то через нее протекает уменьшенное индуктивным сопротивлением значение тока. Энергия самоиндукции сдвигает по фазе ток относительно приложенного напряжения.
Это явление используется в дросселях, которые предназначены для уменьшения больших токов, возникающих при определенных условиях работы оборудования. Такие устройства, в частности, применяются в схеме зажигания люминесцентных ламп.
Конструктивная особенность магнитопровода у дросселя — разрез пластин, который создается для дополнительного повышения магнитного сопротивления магнитному потоку за счет образования воздушного зазора.
Дроссели с разрезным и регулируемым положением магнитопровода используются во многих радиотехнических и электрических устройствах. Довольно часто их можно встретить в конструкциях сварочных трансформаторов. Ими уменьшают величину электрической дуги, пропускаемой через электрод, до оптимального значения.
Явление электромагнитной индукции проявляется не только в проводах и обмотках, но и внутри любых массивных металлических предметов. Наводимые в них токи принято называть вихревыми. При работе трансформаторов и дросселей они вызывают нагрев магнитопровода и всей конструкции.
Для предотвращения этого явления сердечники изготавливают из тонких металлических листов и изолируют между собой слоем лака, препятствующим прохождению наведенных токов.
В обогревательных конструкциях вихревые токи не ограничивают, а создают для их прохождения наиболее благоприятные условия. Индукционные печи широко применяются в промышленном производстве для создания высоких температур.
Электротехнические измерительные устройства
В энергетике продолжает работать большой класс индукционных приборов. Электрические счетчики с вращающимся алюминиевым диском, аналогичные конструкции реле мощности, успокоительные системы стрелочных измерительных приборов функционируют на основе принципа электромагнитной индукции.
Газовые магнитные генераторы
Если вместо замкнутой рамки в поле магнита перемещать токопроводящий газ, жидкость или плазму, то заряды электричества под действием магнитных силовых линий станут отклоняться в строго определенных направлениях, формируя электрический ток. Его магнитное поле на смонтированных электродных контактных пластинах наводит электродвижущую силу. Под ее действием в подключенной цепи к МГД-генератору создается электрический ток.
Так закон электромагнитной индукции проявляется в МГД-генераторах.
Здесь нет таких сложных вращающихся частей, как ротор. Это упрощает конструкцию, позволяет значительно повышать температуру рабочей среды, а, заодно и эффективность выработки электроэнергии. МГД-генераторы работают в качестве резервных либо аварийных источников, способных вырабатывать значительные потоки электроэнергии в малые промежутки времени.
Таким образом, закон электромагнитной индукции, обоснованный Майклом Фарадеем в свое время продолжает оставаться актуальным в наши дни.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Где применяется явление электромагнитной индукции?
Ответ моего папы.
В измерительных приборах: вольтметрах, амперметрах,
В электродвигателях, генераторах, в различных реле, а так же электромагнитах и соленоидах.
Остальные ответы
в генераторе
Генератор, трансформатор, эл. двигатель, электромагниты, дроссели, соленоиды
Похожие вопросы
Ваш браузер устарел
Мы постоянно добавляем новый функционал в основной интерфейс проекта. К сожалению, старые браузеры не в состоянии качественно работать с современными программными продуктами. Для корректной работы используйте последние версии браузеров Chrome, Mozilla Firefox, Opera, Microsoft Edge или установите браузер Atom.