Електромагнітна індукція

Явище електромагнітної індукції
Явище електромагнітної індукції відкрито в 1831 році М. Фарадеєм.
Електромагнітною індукцією називається явище виникнення вихрового електричного поля, яке є причиною виникнення електрорушійної сили в провідному контурі при будь-якій зміні магнітного потоку, що пронизує цей контур.
ЕРС, яка виникає, називається електрорушійної силою електромагнітної індукції εi. Якщо провідник замкнутий, то виникає струм, який називають індукційним струмом.

Демонстрації:
1. Закон Фарадея. Гнучкий контур.
https://youtu.be/WQP9CEuTjFo
2. Вихрове електричне поле. Вмикання – вимикання. https://youtu.be/SIBqH-uSD40
3. Переміщення провідника в магнітне поле
https://youtu.be/JPgZzy0z7nI
4. Закон Фарадея. Потокозчеплення.
https://youtu.be/wHyCac0z4hk

ЕРС індукції в рухомому провіднику
Рис. 6.1

Рис. 6.1

Рис. 6.1

Рис. 6.1

Принцип роботи генератора змінного струму
Одним з найважливіших застосувань явища електромагнітної індукції є перетворення механічної енергії в електричну.
Рис. 6.2

Демонстрація.
Динамо-машина (генератор змінного струму).
https://youtu.be/bhAT6-oiT8I

Струми Фуко
Індукційні струми, які виникають в суцільних масивних провідниках, які знаходяться в змінних магнітних полях, називають вихровими струмами або струмами Фуко.
Відповідно до правила Ленца струми Фуко обирають всередині провідника такі напрямки, щоб своєю дією сильніше протидіяти причині, яка їх викликає. У зв’язку з цим провідники, які рухаються в сильному магнітному полі, відчувають сильне гальмування, яке обумовлене взаємодією струмів Фуко з магнітним полем. Це використовують для демпфірування (заспокоєння) рухомих частин гальванометрів, сейсмографів і інших приладів.

Теплова дія струмів Фуко використовуються в індукційних печах. Таким способом здійснюють плавлення металів у вакуумі. Це дає можливість отримувати матеріали дуже високої чистоти.
Струми Фуко бувають і небажаними. В електричних машинах і трансформаторах вони призводять до значних втрат енергії. Тому сердечники трансформаторів набирають з тонких пластин, які розділені ізолюючими прошарками. Пластини розташовують так, щоб можливі напрямки струмів Фуко були до них перпендикулярними.
Демонстрації:
1.Електромагнітне гальмування: маятник.
https://youtu.be/kC-MW67g-5M
2. Паріння котушки зі струмом.
https://youtu.be/3f8dglm9ua8
3. Магніт, який парить. Постійний магніт над надпровідників.
https://youtu.be/xviUT4lPRQw

Індуктивність контуру

Рис. 6.3

ЕРС самоіндукції

Струми при розмиканні і замиканні ланцюга
При замиканні ланцюга, який містить постійну ЕРС, сила струму за рахунок ЕРС самоіндукції встановлюється не миттєво, а через деякий проміжок часу. При вимиканні джерела (роз'єднання ланцюга) струм не припиняється миттєво. Це пояснюється тим, що в контурі з'являється індукційний струм, який за правилом Ленца протидіє зміні струму в ланцюзі, що викликав явище самоіндукції. Індукційний струм, накладаючись на основний струм, уповільнює його зростання або перешкоджає його зменшенням.

а) Розмикання ланцюга.
Рис. 6.4
До паралельно з'єднаних опору R і індуктивності L=const за допомогою перемикача П може бути підключене джерело, ЕРС якого ε (рис. 6.4). У момент часу t=0 відключимо джерело перемикачем П. Сила струму почне спадати, в ланцюзі виникає ЕРС самоіндукції

Після відключення джерела сила струму в ланцюзі зменшується за експоненціальним законом. Графік залежності I=f(t) наведено на рис. 6.5. З графіка випливає, що чим більше індуктивність і чим менше опір, тим повільніше спадає струм в ланцюзі.
Рис. 6.5

Рис. 6.6
Графік зростання сили струму наведено на рис. 6.6. З графіка випливає, що чим менше індуктивність ланцюга і більше її опір, тим швидше наростає струм.
Демонстрація:
Струм при замиканні і розмиканні ланцюга з індуктивністю. Чи можна, вимикаючи прилад, спалити його?
https://youtu.be/gO3Uka6mgDU

Взаємна індукція
Взаємної індукцією називається явище виникнення електрорушійної сили в одному з контурів при зміні струму в іншому.
Рис. 6.7
Розглянемо два близько розташованих контури 1 і 2 (рис.6.7). Контури характеризують коефіцієнтом взаємної індуктивності.
Взаємна індуктивність – це скалярна фізична величина, яка характеризує магнітний зв'язок двох або більше контурів. Взаємна індуктивність залежить від розмірів і форми контурів 1 і 2, відстані між ними, від їх взаємного розташування, а також від магнітної проникності навколишнього середовища.
Вимірюється взаємна індуктивність в Гн (генрі).

Рис. 6.8
Розрахуємо взаємну індуктивність двох котушок, намотаних на загальний тороїдальний сердечник. Цей випадок має велике практичне значення (рис. 6.8). Магнітна індукція поля, яка створюється першої котушкою з числом витків N1,

Трансформатори
Принцип дії трансформаторів, що застосовуються для підвищення або зниження напруги змінного струму, заснований на явищі взаємної індукції.
Рис.6.9
Принципова схема трансформатора показана на рис.6.9. Первинна і вторинна котушки (обмотки), що мають відповідно N1 і N2 витків, укріплені на замкнутому
залізному сердечнику. Оскільки кінці первинної обмотки приєднані до джерела змінної напруги з ЕРС ε1, то в ній виникає змінний струм I1, який створює в осерді трансформатора змінний магнітний потік Ф, який практично повністю локалізований в залізному сердечнику і майже цілком пронизує витки вторинної обмотки. Зміна цього потоку викликає у вторинній обмотці появу ЕРС взаємної індукції, а в первинній – ЕРС самоіндукції.

Якщо N2/N1<1, то маємо справу із знижуючим трансформатором, що зменшує ЕРС і підвищує струм (застосовуються, наприклад, при електрозварюванні, оскільки для неї потрібен великий струм при низькій напрузі).
Ми розглядали трансформатори, які мають тільки дві обмотки. Однак трансформатори, що використовуються в радіоприладах, мають 4 – 5 обмоток, які мають різні робочі напруги. Трансформатор, що складається з однієї обмотки, називається автотрансформатором. У разі підвищуючого автотрансформатора ЕРС підводиться до частини обмотки, а вторинна ЕРС знімається з усією обмотки. У знижуючому автотрансформаторі напруга мережі подається на всю обмотку, а вторинна ЕРС знімається з частини обмотки.

Енергія магнітного поля
Якщо замкнути перемикач П, то по ланцюгу, який зображену на рис. 6.10, потече струм, який створює в котушці (соленоїді) магнітне поле. Якщо розімкнути перемикач, то через опір R буде текти спадаючий струм, який підтримується ЕРС самоіндукцією, яка виникає в соленоїді.
Рис. 6.10
Робота, що здійснюється в ланцюзі за весь час, протягом якого зникає магнітне поле, йде на нагрівання опору R, соленоїда і сполучних проводів. Оскільки ніяких інших змін не відбувається, можна зробити висновок, що магнітне поле є носієм енергії, за рахунок якої здійснюється робота.