Явление электромагнитной индукции. Формула Фарадея. Токи Фуко.
Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него.
Формула фарадея:
- электродвижущая сила, действующая вдоль произвольно выбранного контура,
- магнитный поток через поверхность, натянутую на этот контур.
Токи Фуко - вихревые индукционные токи, возникающие в проводниках при изменении пронизывающего их магнитного потока.
Токи Фуко возникают под воздействием переменного электромагнитного поля и по физической природе ничем не отличаются от индукционных токов, возникающих в линейных проводах. Они вихревые, то есть замкнуты в кольца. Электрическое сопротивление массивного проводника мало, поэтому токи Фуко достигают очень большой силы. В соответствии с правилом Ленца они выбирают внутри проводника такое направление и путь, чтобы противиться причине, вызывающей их. Поэтому движущиеся в сильном магнитном поле хорошие проводники испытывают сильное торможение, обусловленное взаимодействием токов Фуко с магнитным полем.
Использование ферромагнетиков для хранения информации.
Благодаря свойствам, аналогичным характеристикам магнетиков в криостатах (холодильных установках), ферромагнетики используют магнитное взаимодействие между составляющими их атомами, которое ориентирует все их спины – как основу магнетизма атомов – в одном направлении. Поэтому Ферромагнетики хорошо работают в магнитных накопителях информации.
Самоиндукция.
Самоиндукция — возникновение ЭДС индукции в замкнутом проводящем контуре при изменении тока, протекающего по контуру.
При изменении тока в контуре пропорционально меняется и магнитный поток через поверхность, ограниченную этим контуром. Изменение этого магнитного потока, в силу закона электромагнитной индукции, приводит к возбуждению в этом контуре индуктивной ЭДС.
За счёт явления самоиндукции в электрической цепи с источником ЭДС при замыкании цепи ток устанавливается не мгновенно, а через какое-то время.
Энергия магнитного поля.
энергия магнитного поля, которое связано с контуром:
L – индуктивность I- ток
Получение переменного тока. Изображение переменного тока.
Переменный ток вырабатывается генераторами. Дли того чтобы понять принцип устройства генератора переменного тока, поместим изогнутый проводник в равномерном магнитном поле, создаваемом полюсами магнита (рис. 3-1). К концам проводника припаяем кольца, к которым приложим медные пластинки, соединенные с внешней цепью. При вращении проводника вокруг оси АВ он будет пересекать линии магнитного поля, по закону электромагнитной индукции в нем будет наводиться ЭДС, на концах проводника появится напряжение, а в замкнутой цепи потечет переменный ток.
Синусоидальные токи и напряжения можно изобразить графически, записать при помощи уравнений с тригонометрическими функциями, представить в виде векторов на декартовой плоскости или комплексными числами.
30.Конденсатор и катушка индуктивности в цепи переменного тока.
Конденсатор, включенный в цепь переменного тока, обладает емкостным сопротивлением Xc:
Xc = 1/(wC),
где С - емкость конденсатора,
w - частота переменного тока.
Величину емкостного сопротивления можно рассчитать по формуле Xc = U/I, предварительно измерив напряжение на конденсаторе U и силу тока в цепи I.
При этом колебания силы тока в цепи опережают по фазе колебания напряжения на конденсаторе на p/2. Если сила тока меняется по закону I = Imsin(wt), то напряжение - U = Umsin(wt - p/2).
В цепи, содержащей конденсатор, происходит периодический обмен энергией между генератором и конденсатором без необратимого преобразования электромагнитной энергии, т.е. среднее значение мощности переменного тока в данном случае равно нулю Pср. = 0.
Катушка индуктивности, включенная в цепь переменного тока обладает сопротивлением:
XL = wL,
где L - индуктивность катушки.
Величину индуктивного сопротивления можно рассчитать по формуле XL = U/I, предварительно измерив напряжение на катушке U и силу тока в цепи I.
Отметим, что значение XL больше, чем сопротивление катушки в цепи постоянного тока. Это связано с тем, что при протекании переменного тока через катушку индуктивности благодаря явлению самоиндукции в последней возникает индукционное электрическое поле, противодействующее полю, создаваемому генератором переменного напряжения. Это индукционное поле и является причиной индукционного сопротивления XL.
Колебательный контур. Мощность в цепи переменного тока.
Колебательный контур — осциллятор, представляющий собой электрическую цепь, содержащую соединённые катушку индуктивности и конденсатор. В такой цепи могут возбуждаться колебания тока (и напряжения).
Колебательный контур — простейшая система, в которой могут происходить свободные электромагнитные колебания
Пусть конденсатор ёмкостью C заряжен до напряжения . Энергия, запасённая в конденсаторе составляет
ри соединении конденсатора с катушкой индуктивности, в цепи потечёт ток I, что вызовет в катушке электродвижущую силу (ЭДС) самоиндукции, направленную на уменьшение тока в цепи. Ток, вызванный этой ЭДС (при отсутствии потерь в индуктивности) в начальный момент будет равен току разряда конденсатора, то есть результирующий ток будет равен нулю. Магнитная энергия катушки в этот (начальный) момент равна нулю.
Затем результирующий
ток в цепи будет возрастать, а энергия
из конденсатора будет переходить в
катушку до полного разряда конденсатора.
В этот момент электрическая энергия
конденсатора
. Магнитная же энергия, сосредоточенная
в катушке, напротив, максимальна и равна
где L
— индуктивность катушки, I
0— максимальное значение тока.
в цепи возникают колебания, длительность которых будет обратно пропорциональна потерям энергии в контуре.
Мощность в цепи постоянного тока определяется произведением напряжения на силу тока:
Физический смысл этой формулы прост: так как напряжение U численно равно работе электрического поля по перемещению единичного заряда, то произведение U∙I характеризует работу по перемещению заряда за единицу времени, протекающего через поперечное сечение проводника, т.е. является мощностью. Мощность электрического тока на данном участке цепи положительна, если энергия поступает к этому участку из остальной сети, и отрицательна, если энергия с этого участка возвращается в сеть.