Praktična uporaba elektromagnetne indukcije. Uporaba pojava elektromagnetne indukcije

Po odkritjih Oersteda in Ampera je postalo jasno, da ima elektrika magnetno silo. Zdaj je bilo treba potrditi vpliv magnetnih pojavov na električne. Faraday je briljantno rešil ta problem.

Leta 1821 je M. Faraday zapisal v svoj dnevnik: "Pretvorite magnetizem v elektriko." Po 10 letih je ta problem rešil.

Torej, Michael Faraday (1791-1867) - angleški fizik in kemik.

Eden od utemeljiteljev kvantitativne elektrokemije. Prvič (1823) je dobil klor v tekočem stanju, nato vodikov sulfid, ogljikov dioksid, amoniak in dušikov dioksid. Odkril je benzen (1825) in proučeval njegove fizikalne in nekatere kemijske lastnosti. Uvedel koncept dielektrične konstante. Faradayjevo ime je vstopilo v sistem električnih enot kot enota za električno zmogljivost.

Mnoga od teh del bi lahko sama ovekovečila ime svojega avtorja. Toda najpomembnejša Faradayeva znanstvena dela so njegove študije na področju elektromagnetizma in električne indukcije. Strogo gledano, pomembno vejo fizike, ki obravnava pojave elektromagnetizma in indukcijske elektrike in je trenutno tako velikega pomena za tehnologijo, je Faraday ustvaril iz nič.

Ko se je Faraday končno posvetil raziskavam na področju elektrike, je bilo ugotovljeno, da v običajnih razmerah zadostuje prisotnost naelektrenega telesa, da lahko s svojim vplivom vzbudi elektriko v katerem koli drugem telesu.

Obenem je bilo znano, da žica, po kateri teče tok in ki tudi predstavlja naelektreno telo, ne vpliva na druge žice v bližini. Kaj je povzročilo to izjemo? To je vprašanje, ki je zanimalo Faradaya in katerega rešitev ga je pripeljala do najpomembnejših odkritij na področju indukcijske elektrike.

Faraday je na isti lesen valjar navil dve izolirani žici vzporedno druga z drugo. Konce ene žice je povezal z baterijo desetih celic, konce druge pa z občutljivim galvanometrom. Ko je skozi prvo žico šel tok, je Faraday vso svojo pozornost usmeril na galvanometer in pričakoval, da bo po njegovih vibracijah opazil pojav toka v drugi žici. Vendar se ni zgodilo nič takega: galvanometer je ostal miren. Faraday se je odločil povečati jakost toka in v vezje uvedel 120 galvanskih elementov. Rezultat je bil isti. Faraday je ta poskus ponovil več desetkrat in še vedno z enakim uspehom. Kdor koli drug na njegovem mestu bi zapustil poskuse prepričan, da tok, ki teče skozi žico, ne vpliva na sosednjo žico. Toda Faraday je vedno poskušal iz svojih poskusov in opazovanj izluščiti vse, kar bi lahko dali, in zato, ker ni prejel neposrednega učinka na žico, povezano z galvanometrom, je začel iskati stranske učinke.

elektromagnetno indukcijsko polje električnega toka

Takoj je opazil, da je galvanometer, ki je ostal popolnoma miren med celotnim prehodom toka, začel nihati, ko je bilo vezje zaprto, in ko je bilo odprto, se je izkazalo, da je v trenutku, ko je tok prešel v prvo žico, in tudi ko se je ta prenos ustavil, je tudi druga žica vzburjena s tokom, ki ima v prvem primeru nasprotno smer kot prvi tok in enako z njim v drugem primeru in traja samo en trenutek. Ti sekundarni trenutni tokovi so povzročili po vplivu primarnih, jih je Faraday imenoval induktivni in to ime se jim je ohranilo do danes.

Ker so trenutni in takoj izginejo po pojavu, induktivni tokovi ne bi imeli praktičnega pomena, če Faraday ne bi našel načina, da s pomočjo domiselne naprave (komutatorja) nenehno prekinja in ponovno vodi primarni tok, ki prihaja iz baterije. vzdolž prve žice, zaradi česar drugo žico nenehno vzbuja vedno več novih induktivnih tokov in tako postane konstantna. Tako sta bila najdena nov vir električne energije poleg doslej znanih (trenje in kemijski procesi) - indukcija, in nova vrsta te energije - induktivna elektrika.

ELEKTROMAGNETNA INDUKCIJA(Latinsko inductio - vodenje) - pojav generiranja vrtinčnega električnega polja z izmeničnim magnetnim poljem. Če v izmenično magnetno polje uvedemo zaprt prevodnik, se v njem pojavi električni tok. Pojav tega toka imenujemo indukcija toka, sam tok pa indukcija.

Pojav elektromagnetne indukcije se uporablja predvsem za pretvorbo mehanske energije v električno. V ta namen se uporabljajo alternatorji(indukcijski generatorji). Najenostavnejši generator izmeničnega toka je žični okvir, ki se enakomerno vrti s kotno hitrostjo w= const v enakomernem magnetnem polju z indukcijo IN(slika 4.5). Magnetni indukcijski tok, ki prodira v okvir s površino S, je enako

Ko se okvir enakomerno vrti, je kot vrtenja , kjer je frekvenca vrtenja. Potem

V skladu z zakonom elektromagnetne indukcije je emf, induciran v okvirju pri
njeno vrtenje,

Če obremenitev (porabnik električne energije) priključite na objemke okvirja s pomočjo krtačne kontaktne naprave, bo skozi to stekel izmenični tok.

Uporabljajo se za industrijsko proizvodnjo električne energije v elektrarnah sinhroni generatorji(turbogeneratorji, če je postaja termo ali jedrska, in hidrogeneratorji, če je postaja hidravlična). Stacionarni del sinhronskega generatorja se imenuje stator, in vrtenje – rotor(slika 4.6). Rotor generatorja ima navitje enosmernega toka (navitje vzbujanja) in je močan elektromagnet. Enosmerni tok dobavljen
Vzbujevalno navitje skozi kontaktno napravo s krtačo magnetizira rotor in v tem primeru nastane elektromagnet s severnim in južnim polom.

Na statorju generatorja so tri navitja izmeničnega toka, ki so med seboj premaknjena za 120 0 in so med seboj povezana v skladu z določenim povezovalnim vezjem.

Ko se vzbujeni rotor vrti s pomočjo parne ali hidravlične turbine, njegovi poli potekajo pod navitji statorja in v njih se inducira elektromotorna sila, ki se spreminja po harmoničnem zakonu. Nato se generator priključi na vozlišča porabe električne energije po določenem diagramu električnega omrežja.

Če električno energijo prenašate od postajnih generatorjev do porabnikov po daljnovodih neposredno (pri napetosti generatorja, ki je relativno nizka), bodo v omrežju nastale velike izgube energije in napetosti (pazite na razmerja , ). Zato je za ekonomičen transport električne energije potrebno zmanjšati jakost toka. Ker pa oddana moč ostane nespremenjena, mora napetost
povečati za enako količino, kot se zmanjša tok.

Potrošnik električne energije pa mora zmanjšati napetost na zahtevano raven. Električne naprave, v katerih se napetost poveča ali zmanjša za določeno število krat, se imenujejo transformatorji. Tudi delovanje transformatorja temelji na zakonu elektromagnetne indukcije.

Razmislimo o principu delovanja transformatorja z dvema navitjema (slika 4.7). Ko skozi primarno navitje teče izmenični tok, se okoli njega pojavi izmenično magnetno polje z indukcijo IN, katerega pretok je prav tako spremenljiv

Jedro transformatorja služi za usmerjanje magnetnega toka (magnetni upor zraka je velik). Izmenični magnetni tok, zaprt skozi jedro, inducira izmenični EMF v vsakem od navitij:

Zmogljivi transformatorji imajo zelo nizek upor tuljav,
zato so napetosti na sponkah primarnega in sekundarnega navitja približno enake EMF:

Kje k – transformacijsko razmerje. pri k<1 () transformator je povečevanje, pri k>1 () transformator je navzdol.

Ko je priključen na sekundarno navitje obremenitvenega transformatorja, bo tok tekel v njem. S povečanjem porabe električne energije, po zakonu
ohranjanje energije bi moralo povečati energijo, ki jo dobavljajo generatorji postaje, tj

To pomeni, da s povečanjem napetosti s pomočjo transformatorja
V k krat, je mogoče jakost toka v tokokrogu zmanjšati za enako število krat (hkrati se joulove izgube zmanjšajo za k 2-krat).

Tema 17. Osnove Maxwellove teorije za elektromagnetno polje. Elektromagnetni valovi

V 60. letih. XIX stoletje Angleški znanstvenik J. Maxwell (1831-1879) je posplošil eksperimentalno ugotovljene zakone električnega in magnetnega polja in ustvaril popolno enotno teorija elektromagnetnega polja. Omogoča vam, da se odločite glavni problem elektrodinamike: poišči značilnosti elektromagnetnega polja danega sistema električnih nabojev in tokov.

Maxwell je domneval, da vsako izmenično magnetno polje vzbuja vrtinčno električno polje v okoliškem prostoru, katerega kroženje je vzrok za emf elektromagnetne indukcije v vezju:

(5.1)

Enačba (5.1) se imenuje Maxwellova druga enačba. Pomen te enačbe je, da spreminjajoče se magnetno polje ustvarja vrtinčno električno polje, slednje pa povzroča spreminjajoče se magnetno polje v okoliškem dielektriku ali vakuumu. Ker magnetno polje ustvarja električni tok, je treba po Maxwellu vrtinčno električno polje obravnavati kot določen tok,
ki se pojavi tako v dielektriku kot v vakuumu. Maxwell je to imenoval tok pretočni tok.

Pomikovni tok, kot izhaja iz Maxwellove teorije
in Eichenwaldovih poskusov, ustvarja enako magnetno polje kot prevodni tok.

V svoji teoriji je koncept predstavil Maxwell skupni tok, enako vsoti
prevodni in pretočni tokovi. Zato je skupna gostota toka

Po Maxwellu je skupni tok v tokokrogu vedno sklenjen, to pomeni, da se na koncih vodnikov prekine le prevodni tok, v dielektriku (vakuumu) med koncema vodnika pa nastane tok premika, ki zapre vodnik. prevodni tok.

Po uvedbi koncepta skupnega toka je Maxwell posplošil izrek o kroženju vektorja (ali):

(5.6)

Enačba (5.6) se imenuje Maxwellova prva enačba v integralni obliki. Predstavlja posplošen zakon skupnega toka in izraža osnovno stališče elektromagnetne teorije: premikovni tokovi ustvarjajo enaka magnetna polja kot prevodni tokovi.

Enotna makroskopska teorija elektromagnetnega polja, ki jo je ustvaril Maxwell, je z enotnega vidika omogočila ne le razlago električnih in magnetnih pojavov, temveč napovedovanje novih, katerih obstoj je bil pozneje potrjen v praksi (na primer odkritje elektromagnetnih valov).

Če povzamemo zgoraj obravnavane določbe, predstavljamo enačbe, ki tvorijo osnovo Maxwellove elektromagnetne teorije.

1. Izrek o kroženju vektorja jakosti magnetnega polja:

Ta enačba kaže, da lahko magnetna polja ustvarijo bodisi premikajoči se naboji (električni tokovi) bodisi izmenična električna polja.

2. Električno polje je lahko potencialno () in vrtinčno (), torej skupna poljska jakost . Ker je kroženje vektorja nič, potem je kroženje vektorja polne jakosti električnega polja

Ta enačba kaže, da so lahko viri električnega polja ne samo električni naboji, temveč tudi časovno spremenljiva magnetna polja.

3. ,

kjer je volumetrična gostota naboja znotraj zaprte površine; – specifična prevodnost snovi.

Za stacionarna polja ( E= konst , B= const) Maxwellove enačbe imajo obliko

torej so viri magnetnega polja v tem primeru le
prevodni tokovi, viri električnega polja pa so samo električni naboji. V tem konkretnem primeru sta električno in magnetno polje neodvisna drug od drugega, kar omogoča ločeno preučevanje trajno električna in magnetna polja.

Z uporabo znanih iz vektorske analize Stokesov in Gaussov izrek, lahko si predstavljate popoln sistem Maxwellovih enačb v diferencialni obliki(karakterizira polje na vsaki točki v prostoru):

(5.7)

Očitno je, da Maxwellove enačbe ni simetrično glede na električna in magnetna polja. To je posledica dejstva, da v naravi
Obstajajo električni naboji, ni pa magnetnih nabojev.

Maxwellove enačbe so najbolj splošne enačbe za elektriko
in magnetna polja v mirujočih medijih. V doktrini elektromagnetizma igrajo enako vlogo kot Newtonovi zakoni v mehaniki.

Elektromagnetno valovanje imenovano izmenično elektromagnetno polje, ki se v prostoru širi s končno hitrostjo.

Obstoj elektromagnetnega valovanja izhaja iz Maxwellovih enačb, oblikovanih leta 1865 na podlagi posplošitve empiričnih zakonov električnih in magnetnih pojavov. Elektromagnetno valovanje nastane zaradi medsebojne povezave izmeničnega električnega in magnetnega polja - sprememba enega polja povzroči spremembo drugega, to je, hitreje ko se indukcija magnetnega polja spreminja v času, večja je jakost električnega polja, in obratno. Tako je za nastanek intenzivnih elektromagnetnih valov potrebno vzbuditi elektromagnetna nihanja dovolj visoke frekvence. Fazna hitrost določa elektromagnetno valovanje
električne in magnetne lastnosti medija:

V vakuumu () hitrost širjenja elektromagnetnih valov sovpada s hitrostjo svetlobe; v materiji torej Hitrost širjenja elektromagnetnega valovanja v snovi je vedno manjša kot v vakuumu.

Oddajanje

Izmenično magnetno polje, ki ga vzbuja spremenljiv tok, ustvarja v okolici električno polje, to pa vzbuja magnetno polje itd. Ta polja, ki se medsebojno ustvarjajo, tvorijo eno samo izmenično elektromagnetno polje - elektromagnetno valovanje. Elektromagnetno polje, ki nastane na mestu, kjer je tokovna žica, se širi skozi vesolje s svetlobno hitrostjo -300.000 km/s.

Magnetoterapija

Radijski valovi, svetloba, rentgenski žarki in druga elektromagnetna sevanja zavzemajo različna mesta v frekvenčnem spektru. Običajno so zanje značilna neprekinjeno sklopljena električna in magnetna polja.

Sinhrofazotroni

Trenutno magnetno polje razumemo kot posebno obliko snovi, sestavljeno iz nabitih delcev. V sodobni fiziki se žarki nabitih delcev uporabljajo za prodiranje globoko v atome, da bi jih preučevali. Silo, s katero magnetno polje deluje na premikajoči se naelektreni delec, imenujemo Lorentzova sila.

Merilniki pretoka - števci

Metoda temelji na uporabi Faradayevega zakona za prevodnik v magnetnem polju: v toku električno prevodne tekočine, ki se giblje v magnetnem polju, se inducira EMF, sorazmeren s hitrostjo toka, ki ga elektronski del pretvori v električni. analogni/digitalni signal.

DC generator

V generatorskem načinu se armatura stroja vrti pod vplivom zunanjega navora. Med poloma statorja je konstanten magnetni tok, ki prodira v armaturo. Prevodniki navitja armature se gibljejo v magnetnem polju, zato se v njih inducira EMF, katerega smer je mogoče določiti s pravilom "desne roke". V tem primeru se na eni krtači pojavi pozitiven potencial glede na drugo. Če obremenitev priključite na sponke generatorja, bo skozi njo stekel tok.

Transformatorji

Transformatorji se pogosto uporabljajo pri prenosu električne energije na velike razdalje, njeni distribuciji med sprejemniki, pa tudi v različnih usmerjevalnih, ojačevalnih, signalnih in drugih napravah.

Pretvorbo energije v transformatorju izvaja izmenično magnetno polje. Transformator je jedro iz tankih med seboj izoliranih jeklenih plošč, na katere sta nameščena dva in včasih več navitij (tuljav) izolirane žice. Navitje, na katerega je priključen vir električne energije izmeničnega toka, se imenuje primarno navitje, preostala navitja pa sekundarno.

Če ima sekundarno navitje transformatorja trikrat več zavojev kot primarno navitje, bo magnetno polje, ki ga v jedru ustvari primarno navitje, ki prečka zavoje sekundarnega navitja, v njem ustvarilo trikratno napetost.

Z uporabo transformatorja z obratnim razmerjem obratov lahko prav tako enostavno dosežete znižano napetost.

Praktična uporaba elektromagnetne indukcije

Pojav elektromagnetne indukcije se uporablja predvsem za pretvorbo mehanske energije v električno. V ta namen se uporabljajo alternatorji(indukcijski generatorji).

Na statorju generatorja so tri navitja izmeničnega toka, ki so med seboj premaknjena za 120 0 in so med seboj povezana v skladu z določenim povezovalnim vezjem.

Ko se vzbujeni rotor vrti s pomočjo parne ali hidravlične turbine, njegovi poli potekajo pod navitji statorja in v njih se inducira elektromotorna sila, ki se spreminja po harmoničnem zakonu. Nato se generator priključi na vozlišča porabe električne energije po določenem diagramu električnega omrežja.

Če električno energijo prenašate od postajnih generatorjev do porabnikov po daljnovodih neposredno (pri generatorski napetosti, ki je relativno nizka), potem pride do velikih izgub energije in napetosti v omrežju (pazite na razmerja , ). Zato je za ekonomičen transport električne energije potrebno zmanjšati jakost toka. Ker pa oddana moč ostane nespremenjena, mora napetost
povečati za enako količino, kot se zmanjša tok.

Potrošnik električne energije pa mora zmanjšati napetost na zahtevano raven. Električne naprave, v katerih se napetost poveča ali zmanjša za določeno število krat, se imenujejo transformatorji. Tudi delovanje transformatorja temelji na zakonu elektromagnetne indukcije.

Potem

Zmogljivi transformatorji imajo zelo nizek upor tuljav,
zato so napetosti na sponkah primarnega in sekundarnega navitja približno enake EMF:

Kje k – transformacijsko razmerje. pri k<1 () transformator je povečevanje, pri k>1 () transformator je navzdol.

Ko je priključen na sekundarno navitje obremenitvenega transformatorja, bo tok tekel v njem. S povečanjem porabe električne energije, po zakonu
ohranjanje energije bi moralo povečati energijo, ki jo dobavljajo generatorji postaje, tj

To pomeni, da s povečanjem napetosti s pomočjo transformatorja
V k krat, je mogoče jakost toka v tokokrogu zmanjšati za enako število krat (hkrati se joulove izgube zmanjšajo za k 2-krat).

Tema 17. Osnove Maxwellove teorije za elektromagnetno polje. Elektromagnetni valovi

V 60. letih. XIX stoletje Angleški znanstvenik J. Maxwell (1831-1879) je posplošil eksperimentalno ugotovljene zakone električnega in magnetnega polja in ustvaril popolno enotno teorija elektromagnetnega polja. Omogoča vam, da se odločite glavni problem elektrodinamike: poišči značilnosti elektromagnetnega polja danega sistema električnih nabojev in tokov.

Maxwell je domneval, da vsako izmenično magnetno polje vzbuja vrtinčno električno polje v okoliškem prostoru, katerega kroženje je vzrok za emf elektromagnetne indukcije v vezju:

(5.1)

Enačba (5.1) se imenuje Maxwellova druga enačba. Pomen te enačbe je, da spreminjajoče se magnetno polje ustvarja vrtinčno električno polje, slednje pa povzroča spreminjajoče se magnetno polje v okoliškem dielektriku ali vakuumu. Ker magnetno polje ustvarja električni tok, je treba po Maxwellu vrtinčno električno polje obravnavati kot določen tok,
ki se pojavi tako v dielektriku kot v vakuumu. Maxwell je to imenoval tok pretočni tok.

Pomikovni tok, kot izhaja iz Maxwellove teorije
in Eichenwaldovih poskusov, ustvarja enako magnetno polje kot prevodni tok.

V svoji teoriji je koncept predstavil Maxwell skupni tok, enako vsoti
prevodni in pretočni tokovi. Zato je skupna gostota toka

Po Maxwellu je skupni tok v tokokrogu vedno sklenjen, to pomeni, da se na koncih vodnikov prekine le prevodni tok, v dielektriku (vakuumu) med koncema vodnika pa nastane tok premika, ki zapre vodnik. prevodni tok.

Po uvedbi koncepta skupnega toka je Maxwell posplošil izrek o kroženju vektorja (ali):

(5.6)

Enačba (5.6) se imenuje Maxwellova prva enačba v integralni obliki. Predstavlja posplošen zakon skupnega toka in izraža osnovno stališče elektromagnetne teorije: premikovni tokovi ustvarjajo enaka magnetna polja kot prevodni tokovi.

Enotna makroskopska teorija elektromagnetnega polja, ki jo je ustvaril Maxwell, je z enotnega vidika omogočila ne le razlago električnih in magnetnih pojavov, temveč napovedovanje novih, katerih obstoj je bil pozneje potrjen v praksi (na primer odkritje elektromagnetnih valov).

Če povzamemo zgoraj obravnavane določbe, predstavljamo enačbe, ki tvorijo osnovo Maxwellove elektromagnetne teorije.

1. Izrek o kroženju vektorja jakosti magnetnega polja:

Ta enačba kaže, da lahko magnetna polja ustvarijo bodisi premikajoči se naboji (električni tokovi) bodisi izmenična električna polja.

2. Električno polje je lahko potencialno () in vrtinčno (), torej skupna poljska jakost . Ker je kroženje vektorja nič, potem je kroženje vektorja polne jakosti električnega polja

Ta enačba kaže, da so lahko viri električnega polja ne samo električni naboji, temveč tudi časovno spremenljiva magnetna polja.

3. ,

4.

kjer je volumetrična gostota naboja znotraj zaprte površine; – specifična prevodnost snovi.

Za stacionarna polja ( E= konst , B= const) Maxwellove enačbe imajo obliko

torej so viri magnetnega polja v tem primeru le
prevodni tokovi, viri električnega polja pa so samo električni naboji. V tem konkretnem primeru sta električno in magnetno polje neodvisna drug od drugega, kar omogoča ločeno preučevanje trajno električna in magnetna polja.

Z uporabo znanih iz vektorske analize Stokesov in Gaussov izrek, lahko si predstavljate popoln sistem Maxwellovih enačb v diferencialni obliki(karakterizira polje na vsaki točki v prostoru):

(5.7)

Očitno je, da Maxwellove enačbe ni simetrično glede na električna in magnetna polja. To je posledica dejstva, da v naravi
Obstajajo električni naboji, ni pa magnetnih nabojev.

Maxwellove enačbe so najbolj splošne enačbe za elektriko
in magnetna polja v mirujočih medijih. V doktrini elektromagnetizma igrajo enako vlogo kot Newtonovi zakoni v mehaniki.

Elektromagnetno valovanje imenovano izmenično elektromagnetno polje, ki se v prostoru širi s končno hitrostjo.

Obstoj elektromagnetnega valovanja izhaja iz Maxwellovih enačb, oblikovanih leta 1865 na podlagi posplošitve empiričnih zakonov električnih in magnetnih pojavov. Elektromagnetno valovanje nastane zaradi medsebojne povezave izmeničnega električnega in magnetnega polja - sprememba enega polja povzroči spremembo drugega, to je, hitreje ko se indukcija magnetnega polja spreminja v času, večja je jakost električnega polja, in obratno. Tako je za nastanek intenzivnih elektromagnetnih valov potrebno vzbuditi elektromagnetna nihanja dovolj visoke frekvence. Fazna hitrost določa elektromagnetno valovanje
električne in magnetne lastnosti medija:

V vakuumu ( ) hitrost širjenja elektromagnetnih valov sovpada s hitrostjo svetlobe; v materiji , Zato Hitrost širjenja elektromagnetnega valovanja v snovi je vedno manjša kot v vakuumu.

Elektromagnetno valovanje je prečni valovi –
nihanja vektorjev in potekajo v medsebojno pravokotnih ravninah, vektorji in pa tvorijo desni sistem. Iz Maxwellovih enačb tudi sledi, da v elektromagnetnem valovanju vektorji in vedno nihajo v istih fazah, trenutne vrednosti pa E in N na kateri koli točki povezani z razmerjem

Enačbe ravninskega elektromagnetnega valovanja v vektorski obliki:

(6.66)

Za karakterizacijo prenosa energije s katerim koli valom v fiziki se vektorska količina imenuje gostota energijskega toka. Številčno je enaka količini energije, ki se prenese na enoto časa skozi enoto površine, pravokotno na smer, v kateri
val se širi. Smer vektorja sovpada s smerjo prenosa energije. Vrednost gostote energijskega toka lahko dobimo tako, da gostoto energije pomnožimo s hitrostjo valovanja

Gostota energije elektromagnetnega polja je sestavljena iz gostote energije električnega polja in gostote energije magnetnega polja:

(6.67)

Če energijsko gostoto elektromagnetnega valovanja pomnožimo z njegovo fazno hitrostjo, dobimo gostoto energijskega toka

(6.68)

Vektorja in sta medsebojno pravokotna in s smerjo širjenja valov tvorita desnosučni sistem. Zato smer
vektor sovpada s smerjo prenosa energije, modul tega vektorja pa je določen z razmerjem (6.68). Zato lahko vektor gostote energijskega toka elektromagnetnega valovanja predstavimo kot vektorski produkt

(6.69)

Vektor se imenuje Umov-Poyntingov vektor.

Nihanja in valovi

Tema 18. Prosta harmonična nihanja

Imenujejo se gibi, ki imajo različne stopnje ponavljanja nihanja.

Če se vrednosti fizikalnih količin, ki se spreminjajo med gibanjem, ponavljajo v enakih časovnih intervalih, potem se takšno gibanje imenuje periodično (gibanje planetov okoli Sonca, gibanje bata v valju motorja z notranjim izgorevanjem itd.). Nihajni sistem, ne glede na njegovo fizično naravo, se imenuje oscilator. Primer oscilatorja je nihajoča utež, obešena na vzmet ali vrvico.

Poln zamahpokličite en celoten cikel nihajnega gibanja, po katerem se ponovi v istem vrstnem redu.

Glede na način vzbujanja delimo vibracije na:

· prost(lasten), ki se pojavi v sistemu, ki se sam sebi predstavi blizu ravnotežnega položaja po nekem začetnem udarcu;

· prisiljeni, ki se pojavlja pod občasnim zunanjim vplivom;

· parametrični, pojavi se ob spremembi katerega koli parametra nihajnega sistema;

· samonihanja, ki se pojavljajo v sistemih, ki neodvisno uravnavajo pretok zunanjih vplivov.

Vsako nihajno gibanje je značilno amplituda A - največje odstopanje nihajne točke od ravnotežnega položaja.

Imenujejo se nihanja točke, ki se pojavljajo s konstantno amplitudo nedušen, in nihanja s postopno padajočo amplitudo – bledenje.

Čas, v katerem pride do popolnega nihanja, se imenuje obdobje(T).

Pogostost Periodična nihanja so število popolnih nihanj, izvedenih v časovni enoti. Enota frekvence vibracij - hertz(Hz). Hertz je frekvenca nihanj, katerih perioda je enaka 1 s: 1 Hz = 1 s –1.

Cikličnooz krožna frekvenca periodična nihanja so število popolnih nihanj, izvedenih v določenem časovnem obdobju 2p z: . =rad/s.

Preučevanje izvora električnega toka je vedno navduševalo znanstvenike. Potem ko je danski znanstvenik Oersted v začetku 19. stoletja odkril, da okrog električnega toka nastane magnetno polje, so si znanstveniki zastavili vprašanje: ali lahko magnetno polje ustvari električni tok in obratno. Prvi znanstvenik, ki mu je uspelo, je bil znanstvenik Michael Faraday .

Faradayevi poskusi

Po številnih poskusih je Faradayju uspelo doseči nekaj rezultatov.

1. Pojav električnega toka

Za izvedbo poskusa je vzel tuljavo z velikim številom ovojev in jo priključil na miliampermeter (naprava, ki meri tok). Znanstvenik je premikal magnet gor in dol po tuljavi.

Med poskusom se je v tuljavi dejansko pojavil električni tok zaradi spremembe magnetnega polja okoli nje.

Glede na Faradayeva opazovanja je igla miliampermetra odstopala in pokazala, da gibanje magneta ustvarja električni tok. Ko se je magnet ustavil, je puščica pokazala ničelno oznako, tj. skozi tokokrog ni krožil tok.

Ta pojav, pri katerem pod vplivom izmeničnega magnetnega polja v prevodniku nastane tok, imenujemo pojav elektromagnetne indukcije.

2.Spreminjanje smeri indukcijskega toka

Michael Faraday je v svojih kasnejših raziskavah poskušal ugotoviti, kaj vpliva na smer nastalega induciranega električnega toka. Med izvajanjem poskusov je opazil, da se s spreminjanjem števila tuljav na tuljavi ali polarnosti magnetov spremeni smer električnega toka, ki nastane v zaprtem omrežju.

3. Pojav elektromagnetne indukcije

Za izvedbo poskusa je znanstvenik vzel dve tuljavi, ki ju je postavil blizu drug drugega. Prva tuljava z velikim številom ovojev žice je bila povezana z virom toka in stikalom, ki odpira in zapira vezje. Drugo podobno tuljavo je povezal z miliampermetrom, ne da bi jo priključil na vir toka.

Med izvajanjem poskusa je Faraday opazil, da se ob sklenitvi električnega tokokroga pojavi induciran tok, kar je razvidno iz premikanja igle miliampermetra. Ko je bil tokokrog odprt, je tudi miliampermeter pokazal, da je v tokokrogu električni tok, vendar so bili odčitki ravno nasprotni. Ko je bil krog sklenjen in je tok krožil enakomerno, po podatkih miliampermetra v električnem krogu ni bilo toka.

https://youtu.be/iVYEeX5mTJ8

Zaključek iz poskusov

Kot rezultat Faradayevega odkritja je bila dokazana naslednja hipoteza: električni tok se pojavi le, ko se spremeni magnetno polje. Dokazano je tudi, da spreminjanje števila ovojev v tuljavi spremeni vrednost toka (večanje števila tuljav poveča tok). Poleg tega se inducirani električni tok lahko pojavi v zaprtem krogu samo v prisotnosti izmeničnega magnetnega polja.

Od česa je odvisen indukcijski električni tok?

Na podlagi vsega zgoraj navedenega je mogoče ugotoviti, da tudi če obstaja magnetno polje, to ne bo povzročilo generiranja električnega toka, razen če je polje izmenično.

Od česa je torej odvisna velikost indukcijskega polja?

1. Število obratov na tuljavi;
2. Hitrost spremembe magnetnega polja;
3. Hitrost magneta.

Magnetni pretok je količina, ki označuje magnetno polje. S spreminjanjem magnetni pretok povzroči spremembo induciranega električnega toka.

Faradayev zakon

Michael Faraday je na podlagi svojih poskusov oblikoval zakon elektromagnetne indukcije. Zakon je, da ko se magnetno polje spremeni, to povzroči nastanek električnega toka, to kaže tudi na prisotnost elektromotorne sile, elektromagnetne indukcije (EMF).

Hitrost spreminjanja magnetnega toka povzroči spremembo hitrosti toka in emf.

Faradayev zakon: EMF elektromagnetne indukcije je po številu enak in po predznaku nasproten hitrosti spremembe magnetnega pretoka, ki prehaja skozi površino, omejeno s konturo

Induktivnost zanke. Samoindukcija.

Magnetno polje nastane, ko tok teče v zaprtem krogu. Jakost toka vpliva na magnetni tok in inducira EMF.

Samoindukcija je pojav, pri katerem nastane inducirana EMF, ko se jakost toka v tokokrogu spremeni.

Samoindukcija je odvisna od oblike tokokroga, njegove velikosti in okolja, v katerem je tokokrog.

Ko električni tok narašča, ga lahko samoinduktivni tok tokokroga upočasni. Ko se zmanjša, samoindukcijski tok, nasprotno, ne dovoli, da bi se tako hitro zmanjšal. Tako začne vezje imeti lastno električno vztrajnost, ki upočasni vsako spremembo toka.

Uporaba inducirane emf

Pojav elektromagnetne indukcije ima praktično uporabo v generatorjih, transformatorjih in motorjih, ki delujejo na elektriko.

V tem primeru se tok za te namene pridobi na naslednje načine:

1. Sprememba toka v tuljavi;
2. Gibanje magnetnega polja skozi trajne magnete in elektromagnete;
3. Vrtenje zavojev ali tuljav v konstantnem magnetnem polju.

Odkritje elektromagnetne indukcije Michaela Faradaya je veliko prispevalo k znanosti in našemu vsakdanjemu življenju. To odkritje je služilo kot spodbuda za nadaljnja odkritja na področju preučevanja elektromagnetnih polj in ima široko uporabo v sodobnem človekovem življenju.