Zjawisko indukcji elektromagnetycznej

Zjawisko indukcja elektromagnetyczna wykorzystywane głównie do zamiany energii mechanicznej na energię prąd elektryczny. W tym celu się je wykorzystuje generatory AC (generatory indukcyjne).

Najprostszym generatorem prądu przemiennego jest rama druciana obracająca się równomiernie prędkość kątowa w=stała w jednolitym polu magnetycznym z indukcją W(ryc. 4.5). Strumień indukcji magnetycznej przenikający ramę o powierzchni S, jest równe

Gdy rama obraca się równomiernie, kąt obrotu , gdzie jest częstotliwością rotacji. Następnie

Zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej pole elektromagnetyczne indukowane w ramach jego obrotu wynosi

Jeśli podłączysz obciążenie (odbiornik energii elektrycznej) do zacisków ramy za pomocą urządzenia ze stykiem szczotkowym, wówczas przepłynie przez niego prąd przemienny.
Dla produkcja przemysłowa prąd dla elektrownie są używane generatory synchroniczne(turbogeneratory, jeśli stacja jest cieplna lub jądrowa, oraz hydrogeneratory, jeśli stacja jest hydrauliczna). Nazywa się stacjonarną część generatora synchronicznego stojan i obracający się – wirnik(ryc. 4.6). Wirnik generatora ma uzwojenie DC(uzwojenie wzbudzenia) i jest silnym elektromagnesem. Prąd stały dostarczany do uzwojenia pola przez aparat ze stykiem szczotkowym magnesuje wirnik i powstaje elektromagnes z biegunami północnym i południowym.
Na stojanie generatora znajdują się trzy uzwojenia prądu przemiennego, które są przesunięte względem siebie o 120 0 i są ze sobą połączone według określonego obwodu przyłączeniowego.
Kiedy wzbudzony wirnik obraca się za pomocą turbiny parowej lub hydraulicznej, jego bieguny przechodzą pod uzwojeniami stojana i indukuje się w nich siła elektromotoryczna zmienna zgodnie z prawem harmonicznym. Następnie generator według określonego schematu sieć elektrycznałączy się z węzłami poboru mocy.
W przypadku przesyłania energii elektrycznej z generatorów stacyjnych do odbiorców bezpośrednio liniami elektroenergetycznymi (przy napięciu generatora, które jest stosunkowo niskie), wówczas w sieci wystąpią duże straty energii i napięcia (zwróć uwagę na współczynniki , ). Dlatego, aby ekonomicznie przesyłać energię elektryczną, konieczne jest zmniejszenie natężenia prądu. Ponieważ jednak przesyłana moc pozostaje niezmieniona, napięcie musi wzrosnąć o tę samą wartość, co spadek prądu.
Odbiorca energii elektrycznej z kolei musi obniżyć napięcie do wymaganego poziomu. Nazywa się urządzenia elektryczne, w których napięcie wzrasta lub maleje określoną liczbę razy transformatory. Działanie transformatora również opiera się na prawie indukcji elektromagnetycznej.

Rozważmy zasadę działania transformatora dwuuzwojeniowego (ryc. 4.7). Kiedy prąd przemienny przepływa przez uzwojenie pierwotne, wokół niego pojawia się zmienne pole magnetyczne z indukcją W, którego przepływ jest również zmienny . Rdzeń transformatora służy do kierowania strumienia magnetycznego (opór magnetyczny powietrza jest duży). Zmienny strumień magnetyczny, zamknięty w rdzeniu, indukuje zmienne pole elektromagnetyczne w każdym z uzwojeń:

Następnie W potężnych transformatorach rezystancje cewek są bardzo małe, więc napięcia na zaciskach uzwojenia pierwotnego i wtórnego są w przybliżeniu równe polu elektromagnetycznemu:

Gdzie k – współczynnik transformacji. Na k1 () transformator jest zniżkowy.
Po podłączeniu do uzwojenia wtórnego transformatora obciążeniowego będzie w nim płynął prąd. Wraz ze wzrostem zużycia energii elektrycznej, zgodnie z zasadą zachowania energii, energia dostarczana przez generatory stacji powinna rosnąć, tj.

Gdzie

Oznacza to, że poprzez zwiększenie napięcia za pomocą transformatora k razy, możliwe jest zmniejszenie natężenia prądu w obwodzie o tę samą liczbę razy (jednocześnie straty Joule'a zmniejszają się o k 2 raz).

Krótkie wnioski

1. Zjawisko występowania pola elektromagnetycznego w zamkniętym obwodzie przewodzącym znajdującym się w zmiennym polu magnetycznym nazywa się indukcją elektromagnetyczną.

2. Zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej, siła emf indukowana w zamkniętym obwodzie przewodzącym jest liczbowo równa i ma przeciwny znak do szybkości zmiany strumienia magnetycznego przez powierzchnię ograniczoną tym obwodem:

Znak minus odzwierciedla regułę Lenza: przy każdej zmianie strumienia magnetycznego w zamkniętej pętli przewodzącej, a prąd indukowany w takim kierunku, aby jego pole magnetyczne przeciwdziałało zmianom zewnętrznego strumienia magnetycznego.

Istota zjawiska indukcji elektromagnetycznej polega nie tyle na pojawieniu się prądu indukcyjnego, ile na pojawieniu się wirowego pola elektrycznego. Wir pole elektryczne generowane przez zmienne pole magnetyczne. Inaczej pole elektrostatyczne pole elektryczne wiru nie jest potencjalne; jego linie pola są zawsze zamknięte, podobnie jak linie pola magnetycznego.

Nadawczy

Zmienne pole magnetyczne wzbudzane przez zmienny prąd wytwarza pole elektryczne w otaczającej przestrzeni, które z kolei wzbudza pole magnetyczne itp. Wzajemnie generując się pola te tworzą jedno zmienne pole elektromagnetyczne – falę elektromagnetyczną. Pole elektromagnetyczne, powstałe w miejscu, w którym znajduje się przewód przewodzący prąd, rozchodzi się w przestrzeni z prędkością światła -300 000 km/s.

Magnetoterapia

W widmie częstotliwości różne miejsca zajmują fale radiowe, światło, promieniowanie rentgenowskie i inne promieniowanie elektromagnetyczne. Charakteryzują się one zazwyczaj stale sprzężonymi polami elektrycznymi i magnetycznymi.

Synchrofasotrony

Obecnie pod pojęciem pola magnetycznego rozumie się specjalna forma materia składająca się z naładowanych cząstek. We współczesnej fizyce wiązki naładowanych cząstek wnikają głęboko w atomy w celu ich badania. Siła, z jaką pole magnetyczne działa na poruszającą się naładowaną cząstkę, nazywa się siłą Lorentza.

Przepływomierze - liczniki

Metoda opiera się na zastosowaniu prawa Faradaya dla przewodnika w polu magnetycznym: w przepływie cieczy przewodzącej prąd elektryczny poruszającej się w polu magnetycznym indukuje się pole elektromagnetyczne, proporcjonalne do prędkości przepływu, przekształcane przez część elektroniczną w energię elektryczną sygnał analogowy/cyfrowy.

Generator prądu stałego

W trybie generatora twornik maszyny obraca się pod wpływem zewnętrznego momentu obrotowego. Pomiędzy biegunami stojana występuje stały strumień magnetyczny, który przenika przez twornik. Przewodniki uzwojenia twornika poruszają się w polu magnetycznym i dlatego indukuje się w nich pole elektromagnetyczne, którego kierunek można określić na podstawie reguły „ prawa ręka„. W takim przypadku na jednej szczotce powstaje potencjał dodatni w stosunku do drugiej. Jeśli do zacisków generatora zostanie podłączone obciążenie, wówczas przepłynie przez niego prąd.

Transformatory

Transformatory są szeroko stosowane w transmisji energia elektryczna na duże odległości, jego dystrybucję pomiędzy odbiornikami, a także w różnych urządzeniach prostowniczych, wzmacniających, sygnalizacyjnych i innych.

Konwersja energii w transformatorze odbywa się za pomocą zmiennego pola magnetycznego. Transformator to rdzeń wykonany z izolowanych od siebie cienkich blach stalowych, na którym umieszczone są dwa, a czasem i więcej uzwojeń (cewek). izolowany przewód. Uzwojenie, do którego podłączone jest źródło energii elektrycznej prądu przemiennego, nazywane jest uzwojeniem pierwotnym, pozostałe uzwojenia nazywane są uzwojeniami wtórnymi.

Jeżeli uzwojenie wtórne transformatora ma trzy razy więcej zwojów nawiniętych niż uzwojenie pierwotne, wówczas pole magnetyczne wytworzone w rdzeniu przez uzwojenie pierwotne, przechodząc przez zwoje uzwojenia wtórnego, wytworzy w nim trzykrotnie większe napięcie.

Stosując transformator o odwrotnym przełożeniu, można równie łatwo uzyskać obniżone napięcie.

Od czasu odkrycia faktu, że każdy prąd wytwarza pole magnetyczne (Orsted, 1820), podejmowano liczne próby wywołania zjawiska odwrotnego - wzbudzenia prądu w pętli (w obwodzie zamkniętym) za pomocą pola magnetycznego. Problem ten rozwiązał Faradaya, który odkrył go w 1831 roku. zjawisko indukcji elektromagnetycznej.

Zjawisko jest następujące: kiedy strumień indukcji magnetycznej zmienia się w obszarze ograniczonym przez dowolny obwód przewodzący, w tym obwodzie powstaje prąd elektryczny. Prąd ten nazywany jest prądem indukcyjnym. W tym przypadku zjawisko jest całkowicie niezależne od sposobu zmiany strumienia indukcji magnetycznej.

Strumień indukcji magnetycznej Ф jest określony zależnością:

Ф = B·S·cosα , (1)

gdzie B jest indukcją pola magnetycznego, [B] = T; S – powierzchnia ograniczona konturem, [S] = m2; α jest kątem utworzonym przez normalną do płaszczyzny konturu z kierunkiem indukcji wektora pola magnetycznego, [α] = rad; [F] = Wb.

Jak wynika z zależności (1), prąd indukcyjny można wzbudzić albo poprzez zmianę wielkości indukcji pola magnetycznego – B, albo poprzez zmianę kształtu geometrycznego obwodu, tj. obszarze lub poprzez zmianę jego położenia w przestrzeni, tj. zmiana kąta α.

Założenie Lenza (1833). ogólna zasada aby określić kierunek prądu indukcyjnego: prąd indukowany w obwodzie ma taki kierunek, że własne pole magnetyczne kompensuje zmianę strumienia indukcji magnetycznej przez płaszczyznę obwodu, która spowodowała ten indukowany prąd. Zasada ta jest konsekwencją prawa zachowania energii i została potwierdzona eksperymentami. Wielkość siły elektromotorycznej indukcji ξ I równa szybkości zmian strumienia indukcji magnetycznej, brane ze znakiem minus:

Wyrażenie to nazywa się prawem Faradaya. Znak minus matematycznie wyraża regułę Lenza.

Z prawa Faradaya możemy określić jednostkę strumienia indukcji magnetycznej - Webera: jeśli strumień indukcji magnetycznej w obszarze ograniczonym przez obwód zmieni się o 1 Wb w ciągu 1 sekundy, to w obwodzie indukuje się emf równy 1 V.

W przypadku zjawiska indukcji elektromagnetycznej następuje przemiana jednych rodzajów energii na inne. Kiedy zmienia się geometria konturu (na przykład z kwadratu na okrąg), energia mechaniczna przekształca się w energię elektrycznego prądu indukcyjnego. Z kolei energia prądu elektrycznego zamieniana jest na ciepło, podgrzewając przewodnik tworzący obwód.

Jaka jest natura indukowanego emf?

Indukowany emf jest powodowany przez siłę Lorentza, jeśli pole m jest stacjonarne (rys. 3) i jest powodowane przez wirowe pole elektryczne powstałe w wyniku zmieniającego się m-pola (ryc. 4). Wir el. pole to nie różni się od pola elektrostatycznego ładunki elektryczne poprzez wpływ na ładunek elektryczny w danym punkcie przestrzeni. Ale w swojej strukturze, tj. ogólnie pola te znacznie się od siebie różnią. Pole elektrostatyczne ma „źródła pola” – ładunki elektryczne. Jego linie napięcia nie są zamknięte. W tej dziedzinie praca wykonana podczas przemieszczania ładunku pomiędzy dwoma stałymi punktami zależy tylko od położenia tych punktów, a nie od kształtu toru. Elektryczny pole hm. indukcja (pole wirowe) nie ma źródeł. Linie intensywności tego pola są zamknięte jak linie m-pola. Praca w pętli zamkniętej nie wynosi 0.

Wiemy już, że prąd elektryczny przepływający przez przewodnik wytwarza wokół niego pole magnetyczne. Opierając się na tym zjawisku, człowiek wynalazł i szeroko wykorzystuje szeroką gamę elektromagnesów. Powstaje jednak pytanie: jeśli poruszające się ładunki elektryczne powodują pojawienie się pola magnetycznego, to czy nie działa to również odwrotnie?

To znaczy, czy pole magnetyczne może powodować pojawienie się prądu elektrycznego w przewodniku? W 1831 roku Michael Faraday ustalił, że w zamkniętym obwodzie przewodzącym obwód elektryczny Kiedy zmienia się pole magnetyczne, pojawia się prąd elektryczny. Prąd taki nazywa się prądem indukcyjnym, a zjawisko występowania prądu w zamkniętym obwodzie przewodzącym, gdy zmienia się pole magnetyczne przenikające ten obwód, nazywa się indukcją elektromagnetyczną.

Zjawisko indukcji elektromagnetycznej

Sama nazwa „elektromagnetyczny” składa się z dwóch części: „elektro” i „magnetyczny”. Zjawiska elektryczne i magnetyczne są ze sobą nierozerwalnie powiązane. A jeśli poruszające się ładunki elektryczne zmienią otaczające je pole magnetyczne, wówczas zmieniające się pole magnetyczne nieuchronnie zmusi ładunki elektryczne do ruchu, tworząc prąd elektryczny.

W tym przypadku to zmienne pole magnetyczne powoduje wytwarzanie prądu elektrycznego. Stałe pole magnetyczne nie spowoduje ruchu ładunków elektrycznych, a co za tym idzie, nie będzie generowany prąd indukowany. Bardziej szczegółowe badanie zjawiska indukcji elektromagnetycznej, wyprowadzania wzorów i prawa indukcji elektromagnetycznej dotyczy zajęć w klasie dziewiątej.

Zastosowanie indukcji elektromagnetycznej

W tym artykule porozmawiamy o zastosowaniu indukcji elektromagnetycznej. Działanie wielu silników i generatorów prądu opiera się na wykorzystaniu praw indukcji elektromagnetycznej. Zasada ich działania jest dość prosta do zrozumienia.

Zmiana pola magnetycznego może być spowodowana na przykład poruszeniem magnesu. Dlatego jeśli poruszysz magnes w obwodzie zamkniętym pod wpływem jakiegokolwiek wpływu zewnętrznego, w tym obwodzie pojawi się prąd. W ten sposób możesz stworzyć generator prądu.

Jeśli wręcz przeciwnie, przez obwód przepuścisz prąd z zewnętrznego źródła, magnes znajdujący się wewnątrz obwodu zacznie się poruszać pod wpływem pola magnetycznego utworzonego przez prąd elektryczny. W ten sposób możesz złożyć silnik elektryczny.

Opisane powyżej generatory prądu przekształcają energię mechaniczną w energię elektryczną w elektrowniach. Energia mechaniczna to energia węgla, oleju napędowego, wiatru, wody i tak dalej. Energia elektryczna przepływa przewodami do odbiorców i jest przekształcana z powrotem w energię mechaniczną w silnikach elektrycznych.

Silniki elektryczne odkurzaczy, suszarek do włosów, mikserów, chłodziarek, elektrycznych maszynek do mielenia mięsa i innych licznych urządzeń, z których korzystamy na co dzień, opierają się na wykorzystaniu indukcji elektromagnetycznej i sił magnetycznych. O zastosowaniu tych samych zjawisk w przemyśle nie trzeba mówić; jasne jest, że są one wszędzie.

Abstrakcyjny

w dyscyplinie „Fizyka”

Temat: „Odkrycie zjawiska indukcji elektromagnetycznej”

Zakończony:

Uczeń grupy 13103/1

Sankt Petersburg

2. Eksperymenty Faradaya. 3

3. Praktyczne zastosowanie zjawiska indukcji elektromagnetycznej. 9

4. Wykaz używanej literatury... 12

Indukcja elektromagnetyczna to zjawisko występowania prądu elektrycznego w zamknięta pętla gdy zmienia się przepływający przez niego strumień magnetyczny. Indukcję elektromagnetyczną odkrył Michael Faradaya 29 sierpnia 1831 roku. Odkrył, że siła elektromotoryczna powstająca w zamkniętym obwodzie przewodzącym jest proporcjonalna do szybkości zmian strumienia magnetycznego przez powierzchnię ograniczoną tym obwodem. Wielkość siły elektromotorycznej (EMF) nie zależy od tego, co powoduje zmianę strumienia - zmiany samego pola magnetycznego lub ruchu obwodu (lub jego części) w polu magnetycznym. Prąd elektryczny wywołany przez ten emf nazywany jest prądem indukowanym.

W 1820 roku Hans Christian Oersted wykazał, że prąd elektryczny przepływający przez obwód powoduje odchylenie igły magnetycznej. Jeśli prąd elektryczny wytwarza magnetyzm, to pojawienie się prądu elektrycznego musi być powiązane z magnetyzmem. Ta myśl porwała angielskiego naukowca M. Faradaya. „Zamień magnetyzm na elektryczność” – napisał w swoim dzienniku w 1822 roku.

Michaela Faradaya

Michael Faraday (1791-1867) urodził się w Londynie, w jednej z jego najbiedniejszych części. Jego ojciec był kowalem, a jego matka była córką dzierżawcy. Kiedy Faraday dotarł wiek szkolny, został wysłany do szkoły podstawowej. Kurs, w którym uczestniczył Faraday, był bardzo wąski i ograniczał się jedynie do nauki czytania, pisania i rozpoczęcia liczenia.

Kilka kroków od domu, w którym mieszkała rodzina Faradaya, znajdowała się księgarnia będąca jednocześnie zakładem introligatorskim. To tutaj Faradaya trafił po ukończeniu kursu szkoła podstawowa, gdy pojawiło się pytanie o wybór dla niego zawodu. Michael miał wtedy zaledwie 13 lat. Już w adolescencja Kiedy Faraday dopiero rozpoczynał samokształcenie, starał się opierać wyłącznie na faktach i weryfikować relacje innych z własnymi doświadczeniami.

Te aspiracje dominowały w nim przez całe życie jako główne cechy jego działalności naukowej eksperymenty chemiczne Faraday zaczął to robić jako chłopiec, podczas swojej pierwszej znajomości fizyki i chemii. Pewnego dnia Michael wziął udział w jednym z wykładów Humphry’ego Davy’ego, wielkiego angielskiego fizyka. Faraday szczegółowo zanotował wykład, związał go i wysłał Davy'emu. Był pod takim wrażeniem, że zaprosił Faradaya do pracy z nim jako sekretarz. Wkrótce Davy udał się w podróż do Europy i zabrał ze sobą Faradaya. W ciągu dwóch lat odwiedzili największe europejskie uczelnie.

Po powrocie do Londynu w 1815 roku Faraday rozpoczął pracę jako asystent w jednym z laboratoriów Royal Institution w Londynie. Było to wówczas jedno z najlepszych laboratoriów fizycznych na świecie. Od 1816 do 1818 roku Faraday opublikował szereg małych notatek i krótkich wspomnień z chemii. Pierwsza praca Faradaya na temat fizyki sięga 1818 roku.

Bazując na doświadczeniach swoich poprzedników i łącząc kilka własne doświadczenia we wrześniu 1821 roku Michael opublikował Historię postępów elektromagnetyzmu. Już w tym czasie sformułował całkowicie poprawną koncepcję istoty zjawiska odchylania igły magnetycznej pod wpływem prądu.

Osiągnąwszy ten sukces, Faraday porzucił studia w dziedzinie elektryczności na dziesięć lat, poświęcając się studiowaniu szeregu przedmiotów różnego rodzaju. W 1823 roku Faraday dokonał jednego z najważniejszych odkryć w dziedzinie fizyki – jako pierwszy dokonał skroplenia gazu, a jednocześnie ustalił prostą, ale skuteczną metodę zamiany gazów w ciecz. W 1824 roku Faraday dokonał kilku odkryć w dziedzinie fizyki. Ustalił między innymi fakt, że światło wpływa na barwę szkła, zmieniając ją. W przyszły rok Faraday ponownie przeszedł od fizyki do chemii, a efektem jego prac w tej dziedzinie było odkrycie benzyny i kwasu siarkowo-naftalenowego.

W 1831 roku Faraday opublikował traktat „O szczególnym rodzaju złudzenia optycznego”, który stał się podstawą doskonałego i ciekawego pocisku optycznego zwanego „chromotropem”. W tym samym roku ukazał się kolejny traktat naukowca „O płytach wibracyjnych”. Wiele z tych dzieł mogłoby samo w sobie uwiecznić nazwisko swojego autora. Jednak najważniejszymi pracami naukowymi Faradaya są jego badania z zakresu elektromagnetyzmu i indukcji elektrycznej.

Eksperymenty Faradaya

Mając obsesję na punkcie nierozerwalnych połączeń i interakcji sił natury, Faraday próbował udowodnić, że tak jak Ampere potrafił wytwarzać magnesy za pomocą elektryczności, tak możliwe jest wytwarzanie elektryczności za pomocą magnesów.

Jego logika była prosta: praca mechaniczna łatwo zamienia się w ciepło; wręcz przeciwnie, ciepło można przekształcić w pracę mechaniczną (powiedzmy w silniku parowym). Ogólnie rzecz biorąc, wśród sił natury najczęściej występuje następująca zależność: jeśli A rodzi B, to B rodzi A.

Jeśli Ampere uzyskał magnesy za pomocą elektryczności, wówczas najwyraźniej możliwe jest „uzyskanie energii elektrycznej ze zwykłego magnetyzmu”. Arago i Ampère postawili sobie to samo zadanie w Paryżu, a Colladon w Genewie.

Ściśle rzecz biorąc, ważna gałąź fizyki zajmująca się zjawiskami elektromagnetyzmu i elektryczności indukcyjnej, która ma obecnie tak ogromne znaczenie dla techniki, została stworzona przez Faradaya z niczego. Zanim Faraday w końcu poświęcił się badaniom w dziedzinie elektryczności, ustalono, że kiedy w zwykłych warunkach Wystarczy obecność ciała naelektryzowanego, aby jego oddziaływanie wzbudziło prąd w każdym innym ciele. Jednocześnie wiadomo było, że drut, przez który przepływa prąd i który jednocześnie reprezentuje ciało naelektryzowane, nie ma żadnego wpływu na inne przewody umieszczone w pobliżu.

Co spowodowało ten wyjątek? Oto pytanie, które zainteresowało Faradaya i którego rozwiązanie doprowadziło go do najważniejszych odkryć w dziedzinie elektryczności indukcyjnej. Faraday przeprowadził wiele eksperymentów i prowadził pedantyczne notatki. Każdemu małemu badaniu poświęca akapit w swoich notatkach laboratoryjnych (opublikowanych w całości w Londynie w 1931 r. pod tytułem „Dziennik Faradaya”). O zdolności Faradaya do pracy świadczy fakt, że ostatni akapit „Dziennika” oznaczony jest numerem 16041. Genialne umiejętności Faradaya jako eksperymentatora, obsesja i jasne stanowisko filozoficzne nie mogły nie zostać nagrodzone, ale zajęło to jedenaście długich lat czekać na wynik.

Poza intuicyjnym przekonaniem o uniwersalnym powiązaniu zjawisk, nic tak naprawdę nie wspierało go w poszukiwaniach „elektryczności z magnetyzmu”. Co więcej, podobnie jak jego nauczyciel Davy, bardziej polegał na swoich doświadczeniach niż na konstruktach mentalnych. Davy nauczył go:

– Dobry eksperyment jest cenniejszy niż głębia geniuszu takiego jak Newton.

A jednak przeznaczeniem wielkich odkryć był Faraday. Jako wielki realista, spontanicznie zerwał empirystyczne kajdany, jakie kiedyś na niego nałożył Davy, i w tych momentach olśnił go wielki wgląd – nabył umiejętność dokonywania najgłębszych uogólnień.

Pierwszy promyk szczęścia pojawił się dopiero 29 sierpnia 1831 roku. Tego dnia Faraday testował w laboratorium proste urządzenie: żelazny pierścień o średnicy około sześciu cali owinięty dwoma kawałkami izolowanego drutu. Kiedy Faraday podłączył baterię do zacisków jednego uzwojenia, jego asystent, sierżant artylerii Andersen, zauważył drganie igły galwanometru połączonej z drugim uzwojeniem.

Drgnęło i uspokoiło się, choć prąd stały nadal płynął przez pierwsze uzwojenie. Faraday dokładnie zbadał wszystkie szczegóły tej prostej instalacji – wszystko było w porządku.

Ale wskazówka galwanometru uparcie wskazywała zero. Z frustracji Faraday postanowił wyłączyć prąd i wtedy wydarzył się cud - podczas otwierania obwodu igła galwanometru ponownie się poruszyła i ponownie zamarła na zero!

Galwanometr, pozostając całkowicie spokojny przez cały przepływ prądu, zaczyna oscylować, gdy sam obwód jest zamknięty i gdy jest otwarty. Okazało się, że w momencie podania prądu do pierwszego przewodu, a także po zakończeniu tego przesyłu, w drugim przewodzie wzbudzany jest także prąd, który w pierwszym przypadku ma kierunek przeciwny do pierwszego przewodu i jest taki sam z nim w drugim przypadku i trwa tylko jedną chwilę.

To tutaj wielkie idee Ampere’a – związek pomiędzy prądem elektrycznym i magnetyzmem – zostały objawione Faradaya w całej okazałości. W końcu pierwsze uzwojenie, do którego dostarczył prąd, natychmiast stało się magnesem. Jeśli uznamy to za magnes, to eksperyment przeprowadzony 29 sierpnia wykazał, że magnetyzm wydaje się rodzić elektryczność. Tylko dwie rzeczy pozostały w tym przypadku dziwne: dlaczego przypływ prądu po włączeniu elektromagnesu szybko zanikał? A poza tym, dlaczego plusk pojawia się, gdy magnes jest wyłączony?

Następnego dnia, 30 sierpnia, nowa seria eksperymentów. Efekt jest wyraźnie wyrażony, ale mimo to całkowicie niezrozumiały.

Faraday wyczuwa, że ​​gdzieś w pobliżu dokonuje się odkrycie.

„Teraz ponownie studiuję elektromagnetyzm i myślę, że udało mi się osiągnąć sukces, ale nie mogę tego jeszcze potwierdzić. Może się zdarzyć, że po wszystkich moich trudach zamiast ryb skończę z wodorostami.

Następnego ranka, 24 września, Faraday miał już wiele przygotowanych rzeczy różne urządzenia, w którym głównymi elementami nie były już uzwojenia z prądem elektrycznym, ale magnesy trwałe. I efekt również istniał! Strzała odbiła się i natychmiast rzuciła się na miejsce. Ten niewielki ruch wystąpił co najwyżej nieoczekiwane manipulacje czasami, jak się wydawało, przez przypadek.

Następny eksperyment odbędzie się 1 października. Faraday postanawia wrócić do samego początku – do dwóch uzwojeń: jednego z prądem, drugiego podłączonego do galwanometru. Różnica w porównaniu z pierwszym eksperymentem polega na braku stalowego pierścienia - rdzenia. Plusk jest prawie niezauważalny. Wynik jest banalny. Oczywiste jest, że magnes bez rdzenia jest znacznie słabszy niż magnes z rdzeniem. Dlatego efekt jest mniej wyraźny.

Faraday jest zawiedziony. Przez dwa tygodnie nie zbliża się do urządzeń, rozmyślając o przyczynach awarii.

„Wziąłem cylindryczny pręt magnetyczny (o średnicy 3/4 cala i długości 8 1/4 cala) i włożyłem jego jeden koniec w spiralę drut miedziany(220 stóp długości) podłączony do galwanometru. Wtedy ja szybki ruch wepchnął magnes wewnątrz spirali na całą jej długość, co spowodowało pchnięcie igły galwanometru. Potem równie szybko wyciągnąłem magnes ze spirali, a strzała ponownie się przesunęła, ale w przeciwnym kierunku. Te kołysania igłą powtarzały się za każdym razem, gdy magnes był pchany lub wypychany.

Sekret tkwi w ruchu magnesu! Impuls elektryczny nie zależy od położenia magnesu, ale od ruchu!

Oznacza to, że „fala elektryczna powstaje tylko wtedy, gdy magnes się porusza, a nie z powodu właściwości właściwych mu w stanie spoczynku”.

Ryż. 2. Eksperyment Faradaya z cewką

Pomysł ten jest niezwykle owocny. Jeśli ruch magnesu względem przewodnika wytwarza prąd, to najwyraźniej ruch przewodnika względem magnesu powinien wytwarzać prąd! Co więcej, ta „fala elektryczna” nie zniknie, dopóki będzie trwał wzajemny ruch przewodnika i magnesu. Oznacza to, że możliwe jest stworzenie generatora prądu elektrycznego, który może pracować tak długo, jak jest to pożądane, o ile trwa wzajemny ruch drutu i magnesu!

28 października Faraday zainstalował obrotowy miedziany krążek pomiędzy biegunami magnesu w kształcie podkowy, z którego za pomocą styków ślizgowych (jeden na osi, drugi na obwodzie dysku) można było usunąć napięcie elektryczne. Był to pierwszy generator elektryczny stworzony ludzką ręką. Tym samym odkryto nowe źródło energii elektrycznej, oprócz znanych wcześniej (tarcie i procesy chemiczne), jest indukcją i nowy wygląd Energia ta to elektryczność indukcyjna.

Eksperymenty podobne do eksperymentu Faradaya, jak już wspomniano, przeprowadzono we Francji i Szwajcarii. Profesor Colladon z Akademii Genewskiej był wyrafinowanym eksperymentatorem (dokonywał m.in. precyzyjnych pomiarów prędkości dźwięku w wodzie Jeziora Genewskiego). Być może w obawie przed drganiami przyrządów, podobnie jak Faraday, w miarę możliwości usunął galwanometr z reszty instalacji. Wielu twierdziło, że Colladon zaobserwował te same ulotne ruchy igły co Faradaya, jednak oczekując bardziej stabilnego, długotrwałego efektu, nie przywiązywał należytej wagi do tych „przypadkowych” wybuchów…

Rzeczywiście, większość ówczesnych naukowców była zdania, że ​​odwrotny efekt „tworzenia elektryczności z magnetyzmu” powinien najwyraźniej mieć ten sam stacjonarny charakter, co efekt „bezpośredni” - „tworzenie się magnetyzmu” pod wpływem prądu elektrycznego. Nieoczekiwana „przelotność” tego efektu zmyliła wielu, w tym Colladona, i ci wielu zapłacili za swoje uprzedzenia.

Kontynuując swoje eksperymenty, Faraday odkrył ponadto, że samo zbliżenie drutu skręconego w zamkniętą krzywiznę do drugiego, przez który przepływa prąd galwaniczny, wystarczy, aby wzbudzić prąd indukcyjny w przewodzie neutralnym w kierunku przeciwnym do prądu galwanicznego, oraz że usunięcie drut neutralny ponownie wzbudza w nim prąd indukcyjny, który jest już w tym samym kierunku, co prąd galwaniczny płynący wzdłuż nieruchomego drutu, i że ostatecznie te prądy indukcyjne są wzbudzane tylko podczas zbliżania się i odsuwania drutu od przewodnika. prądu galwanicznego, a bez tego ruchu prądy nie są wzbudzane, niezależnie od tego, jak blisko siebie znajdują się przewody.

Tym samym odkryto nowe zjawisko, podobne do opisanego powyżej zjawiska indukcji, gdy prąd galwaniczny zamyka się i zatrzymuje. Te odkrycia z kolei dały początek nowym. Jeśli możliwe jest wywołanie prądu indukcyjnego poprzez zwarcie i zatrzymanie prądu galwanicznego, to czy tego samego rezultatu nie można byłoby uzyskać magnesując i rozmagnesowując żelazo?

Prace Oersteda i Ampere ustaliły już związek między magnetyzmem a elektrycznością. Wiadomo było, że żelazo staje się magnesem, gdy owinie się wokół niego izolowany drut i przepływa przez niego prąd galwaniczny, a właściwości magnetyczne tego żelaza ustają, gdy tylko prąd ustanie.

Na tej podstawie Faraday przeprowadził tego rodzaju eksperyment: wokół żelaznego pierścienia owinięto dwa izolowane przewody; z jednym drutem owiniętym wokół jednej połowy pierścienia, a drugim wokół drugiej. Prąd z baterii galwanicznej płynął jednym przewodem, a końce drugiego podłączano do galwanometru. I tak, gdy prąd się zamykał lub zatrzymywał i gdy w konsekwencji żelazny pierścień był namagnesowany lub rozmagnesowany, igła galwanometru szybko oscylowała, a następnie szybko zatrzymywała się, czyli w przewodzie neutralnym wzbudzane były te same chwilowe prądy indukcyjne - tym razem: już pod wpływem magnetyzmu.

Ryż. 3. Eksperyment Faradaya z żelaznym pierścieniem

Zatem tutaj po raz pierwszy magnetyzm został przekształcony w elektryczność. Po otrzymaniu tych wyników Faraday postanowił zdywersyfikować swoje eksperymenty. Zamiast żelaznego pierścienia zaczął używać żelaznego paska. Zamiast wzbudzać magnetyzm żelaza prądem galwanicznym, namagnesował żelazo, dotykając go stałym magnesem ze stali. Rezultat był taki sam: w drucie owiniętym wokół żelaza prąd był zawsze wzbudzany w momencie namagnesowania i rozmagnesowania żelaza. Następnie Faraday wprowadził do spirali drutu stalowy magnes - zbliżanie się i odsuwanie tego ostatniego powodowało indukowanie prądów w drucie. Jednym słowem magnetyzm, w sensie wzbudzających prądów indukcyjnych, działał dokładnie w taki sam sposób, jak prąd galwaniczny.

W tamtym czasie fizycy byli bardzo zainteresowani jedną rzeczą tajemnicze zjawisko, odkryta w 1824 roku przez Arago i nie znalazła wyjaśnienia, mimo że usilnie poszukiwali tego wyjaśnienia tak wybitni uczeni tamtych czasów, jak sam Arago, Ampère, Poisson, Babage i Herschel. Sprawa była następująca. Luźno zwisająca igła magnetyczna szybko się zatrzymuje, jeśli umieści się pod nią okrąg z niemagnetycznego metalu; jeśli wtedy koło zostanie wprowadzone ruch obrotowy, igła magnetyczna zaczyna się za nią przesuwać.

W spokojny stan nie można było wykryć najmniejszego przyciągania lub odpychania między kołem a strzałą, podczas gdy ten sam okrąg w ruchu ciągnął za sobą nie tylko lekką strzałę, ale także ciężki magnes. To prawdziwie cudowne zjawisko wydawało się ówczesnym naukowcom tajemniczą tajemnicą, czymś wykraczającym poza granice natury. Faraday na podstawie powyższych danych przyjął założenie, że okrąg z metalu niemagnetycznego pod wpływem magnesu podczas obrotu jest okrążany prądami indukcyjnymi, które oddziałują na igłę magnetyczną i ciągną ją wzdłuż magnesu. I rzeczywiście, wprowadzając krawędź koła między biegunami dużego magnesu w kształcie podkowy i łącząc środek i krawędź koła za pomocą galwanometru z drutem, Faraday uzyskał stały prąd elektryczny, gdy koło się obracało.

Następnie Faraday skupił się na innym zjawisku, które budziło wówczas powszechną ciekawość. Jak wiadomo, jeśli posypiemy magnes opiłkami żelaza, zostaną one pogrupowane pewne linie zwane krzywymi magnetycznymi. Zwracając uwagę na to zjawisko, Faraday nadał w 1831 r. podstawę krzywym magnetycznym nazwę „linie siły magnetycznej”, która wówczas weszła do powszechnego użytku. Badanie tych „linii” doprowadziło Faradaya do nowego odkrycia; okazało się, że aby wzbudzić prądy indukowane, należy zbliżyć się i usunąć źródło biegun magnetyczny fakultatywny. Aby wzbudzić prądy, wystarczy w znany sposób przekroczyć linie siły magnetycznej.

Ryż. 4. „Linie sił magnetycznych”

Dalsza praca Wysiłki Faradaya we wspomnianym kierunku nabrały, ze współczesnego punktu widzenia, charakteru czegoś absolutnie cudownego. Na początku 1832 roku zademonstrował urządzenie, w którym prądy indukcyjne wzbudzano bez pomocy magnesu lub prądu galwanicznego. Urządzenie składało się z żelaznej taśmy umieszczonej w cewce z drutu. Urządzenie to w zwykłych warunkach nie dawało najmniejszego znaku obecności w nim prądów; lecz gdy tylko nadano mu kierunek odpowiadający kierunkowi igły magnetycznej, w drucie wzbudzono prąd.

Następnie Faraday podał położenie igły magnetycznej jednej cewce, a następnie wprowadził do niej pasek żelazny: prąd został ponownie wzbudzony. Przyczyną powstania prądu w tych przypadkach był magnetyzm ziemski, który powodował powstawanie prądów indukcyjnych, podobnie jak zwykły magnes lub prąd galwaniczny. Aby jaśniej to pokazać i udowodnić, Faraday przeprowadził kolejny eksperyment, który w pełni potwierdził jego przypuszczenia.

Doszedł do wniosku, że jeśli okrąg z metalu niemagnetycznego, takiego jak miedź, obracający się w położeniu, w którym przecina linie siły magnetycznej sąsiedniego magnesu, wytwarza prąd indukcyjny, to ten sam okrąg, obracający się pod nieobecność magnes, ale w takim położeniu, w którym okrąg przetnie linie ziemskiego magnetyzmu, musi także dawać prąd indukcyjny. I rzeczywiście, miedziany okrąg obracany w płaszczyźnie poziomej wytwarzał prąd indukcyjny, który powodował zauważalne ugięcie igły galwanometru. Faraday zakończył serię badań w dziedzinie indukcji elektrycznej odkryciem dokonanym w 1835 roku „indukcyjnego wpływu prądu na sam siebie”.

Odkrył, że gdy prąd galwaniczny jest zamykany lub otwierany, w samym drucie, który służy jako przewodnik tego prądu, wzbudzane są chwilowe prądy indukcyjne.

Rosyjski fizyk Emil Christoforovich Lenz (1804-1861) podał zasadę wyznaczania kierunku prądu indukcyjnego. „Prąd indukcyjny jest zawsze kierowany w taki sposób, że wytwarzane przez niego pole magnetyczne komplikuje lub utrudnia ruch powodujący indukcję” – zauważa A.A. Korobko-Stefanov w swoim artykule na temat indukcji elektromagnetycznej. - Na przykład, gdy cewka zbliża się do magnesu, powstający w ten sposób prąd indukowany ma taki kierunek, że wytwarzane przez niego pole magnetyczne będzie przeciwne do pola magnetycznego magnesu. W rezultacie pomiędzy cewką a magnesem powstają siły odpychające. Reguła Lenza wynika z prawa zachowania i przemiany energii. Gdyby indukowane prądy przyspieszały ruch, który je spowodował, wówczas praca powstałaby z niczego. Sama cewka po lekkim pchnięciu ruszyłaby w stronę magnesu, a jednocześnie prąd indukcyjny wyzwoliłby w niej ciepło. W rzeczywistości indukowany prąd powstaje w wyniku pracy polegającej na zbliżeniu magnesu i cewki.

Ryż. 5. Reguła Lenza

Dlaczego występuje prąd indukowany? Głębokiego wyjaśnienia zjawiska indukcji elektromagnetycznej udzielił angielski fizyk James Clerk Maxwell, twórca kompletnej matematycznej teorii pola elektromagnetycznego. Aby lepiej zrozumieć istotę sprawy, rozważmy bardzo prosty eksperyment. Niech cewka składa się z jednego zwoju drutu i jest penetrowana przez zmienne pole magnetyczne prostopadłe do płaszczyzny zwoju. W cewce w naturalny sposób powstaje prąd indukowany. Maxwell zinterpretował ten eksperyment wyjątkowo odważnie i nieoczekiwanie.

Według Maxwella, gdy pole magnetyczne zmienia się w przestrzeni, zachodzi proces, dla którego obecność cewki z drutu nie ma znaczenia. Najważniejsze tutaj jest pojawienie się zamkniętych linie pierścieniowe pole elektryczne pokrywające zmienne pole magnetyczne. Pod wpływem powstałego pola elektrycznego elektrony zaczynają się poruszać, a w cewce powstaje prąd elektryczny. Cewka to po prostu urządzenie wykrywające pole elektryczne. Istota zjawiska indukcji elektromagnetycznej polega na tym, że zmienne pole magnetyczne zawsze generuje pole elektryczne przy zamkniętych obwodach w otaczającej przestrzeni linie energetyczne. Takie pole nazywa się polem wirowym.”

Badania w dziedzinie indukcji wytwarzanej przez ziemski magnetyzm dały Faradayowi możliwość wyrażenia już w 1832 roku idei telegrafu, która następnie stała się podstawą tego wynalazku. Ogólnie rzecz biorąc, nie bez powodu odkrycie indukcji elektromagnetycznej uważane jest za jedno z najwybitniejszych odkryć XIX wieku - na tym zjawisku opiera się praca milionów silników elektrycznych i generatorów prądu elektrycznego na całym świecie...

Praktyczne zastosowanie zjawiska indukcji elektromagnetycznej

1. Transmisja radiowa

Zmienne pole magnetyczne wzbudzane przez zmienny prąd wytwarza pole elektryczne w otaczającej przestrzeni, które z kolei wzbudza pole magnetyczne itp. Wzajemnie generując się pola te tworzą jedno zmienne pole elektromagnetyczne – falę elektromagnetyczną. Pole elektromagnetyczne, powstałe w miejscu, w którym znajduje się przewód przewodzący prąd, rozchodzi się w przestrzeni z prędkością światła -300 000 km/s.

Ryż. 6. Radia

2. Terapia magnetyczna

Fale radiowe, światło, promieniowanie rentgenowskie i inne promieniowanie elektromagnetyczne zajmują różne miejsca w widmie częstotliwości. Charakteryzują się one zazwyczaj stale sprzężonymi polami elektrycznymi i magnetycznymi.

3. Synchrofasotrony

Obecnie pole magnetyczne rozumiane jest jako szczególna forma materii składająca się z naładowanych cząstek. We współczesnej fizyce wiązki naładowanych cząstek wnikają głęboko w atomy w celu ich badania. Siła, z jaką pole magnetyczne działa na poruszającą się naładowaną cząstkę, nazywa się siłą Lorentza.

4. Przepływomierze

Metoda opiera się na zastosowaniu prawa Faradaya dla przewodnika w polu magnetycznym: w przepływie cieczy przewodzącej prąd elektryczny poruszającej się w polu magnetycznym indukuje się pole elektromagnetyczne, proporcjonalne do prędkości przepływu, przekształcane przez część elektroniczną w energię elektryczną sygnał analogowy/cyfrowy.

5. Generator prądu stałego

W trybie generatora twornik maszyny obraca się pod wpływem zewnętrznego momentu obrotowego. Pomiędzy biegunami stojana występuje stały strumień magnetyczny, który przenika przez twornik. Przewodniki uzwojenia twornika poruszają się w polu magnetycznym, w związku z czym indukuje się w nich pole elektromagnetyczne, którego kierunek można określić za pomocą reguły „prawej ręki”. W tym przypadku na jednym pędzlu pojawia się dodatni potencjał w stosunku do drugiego. Jeśli podłączysz obciążenie do zacisków generatora, prąd będzie przez niego płynął.

6. Transformatory

Transformatory znajdują szerokie zastosowanie w przesyłaniu energii elektrycznej na duże odległości, rozdzielaniu jej pomiędzy odbiornikami, a także w różnych urządzeniach prostowniczych, wzmacniających, sygnalizacyjnych i innych.

Konwersja energii w transformatorze odbywa się za pomocą zmiennego pola magnetycznego. Transformator to rdzeń wykonany z izolowanych od siebie cienkich blach stalowych, na którym umieszczone są dwa, a czasami więcej zwojów (cewek) izolowanego drutu. Uzwojenie, do którego podłączone jest źródło energii elektrycznej prądu przemiennego, nazywane jest uzwojeniem pierwotnym, pozostałe uzwojenia nazywane są uzwojeniami wtórnymi.

Jeżeli uzwojenie wtórne transformatora ma trzy razy więcej zwojów nawiniętych niż uzwojenie pierwotne, wówczas pole magnetyczne wytworzone w rdzeniu przez uzwojenie pierwotne, przechodząc przez zwoje uzwojenia wtórnego, wytworzy w nim trzykrotnie większe napięcie.

Stosując transformator o odwrotnym przełożeniu, można równie łatwo uzyskać obniżone napięcie.

Wykaz używanej literatury

1. [Zasoby elektroniczne]. Indukcja elektromagnetyczna.

< https://ru.wikipedia.org/>

2. [Zasoby elektroniczne]. Odkrycie indukcji elektromagnetycznej.

< http://www.e-reading.club/chapter.php/26178/78/Karcev_-_Maksvell.html >

3. [Zasoby elektroniczne]. Odkrycie indukcji elektromagnetycznej.

4. [Zasoby elektroniczne]. Praktyczne zastosowanie zjawiska indukcji elektromagnetycznej.