Elektromanyetik indüksiyon. Elektromanyetik indüksiyon olgusu. Faraday yasası

fenomen elektromanyetik indüksiyon 1831'de Michael Faraday tarafından keşfedildi. Kapalı bir devrenin içindeki manyetik alan değiştiğinde, içinde bir elektrik akımının ortaya çıktığını deneysel olarak tespit etti. indüksiyon akımı. Faraday'ın deneyleri şu şekilde tekrarlanabilir: Bir galvanometreye kapatılmış bir bobine bir mıknatıs yerleştirildiğinde veya çıkarıldığında, bobinde indüklenen bir akım belirir (Şekil 24). İki bobin yan yana yerleştirilirse (örneğin, ortak bir çekirdek üzerine veya bir bobin diğerinin içinde) ve bir bobin bir anahtar aracılığıyla bir akım kaynağına bağlanırsa, o zaman ilk bobinin devresinde anahtar kapatıldığında veya açıldığında ikinci bobinde bir endüksiyon akımı görünecektir (Şek. 25). Bu fenomen için bir açıklama Maxwell tarafından yapıldı. Herhangi bir alternatif manyetik alan her zaman alternatif bir elektrik alanı üretir.

İçin niceliksel özellikler Manyetik alanı değiştirme sürecinde, kapalı bir döngü aracılığıyla manyetik akı adı verilen fiziksel bir miktar uygulanır. Manyetik akı S alanının kapalı bir döngüsü boyunca, manyetik indüksiyon vektörünün büyüklüğünün çarpımına eşit bir fiziksel miktardır. İÇİNDE kontur alanı başına S ve manyetik indüksiyon vektörünün yönü ile kontur alanının normali arasındaki a açısının kosinüsü. F = BS çünküα (Şek. 26).

Elektromanyetik indüksiyonun temel yasası deneysel olarak oluşturulmuştur: kapalı bir devrede indüklenen emk, devre boyunca manyetik akının değişim hızına büyüklükte eşittir. ξ = ΔФ/t..

İçeren bir bobin düşünürsek P döndüğünüzde, elektromanyetik indüksiyonun temel yasasının formülü şu şekilde görünecektir: ξ = n ΔФ/t.

Manyetik akı F'nin ölçüm birimi Weber'dir (Wb): 1В6 =1Β s.

Temel yasadan ΔФ =ξ t, boyutun anlamını takip eder: 1 weber, bir saniyede sıfıra düşen, kapalı bir devre boyunca 1 V'luk bir indüklenen emk'yi indükleyen böyle bir manyetik akının değeridir.

Elektromanyetik indüksiyonun temel yasasının klasik bir gösterimi, Faraday'ın ilk deneyidir: Bir mıknatısı bir bobinin dönüşleri boyunca ne kadar hızlı hareket ettirirseniz, içinde indüklenen akım ve dolayısıyla indüklenen emk o kadar büyük olur.

İndüksiyon akımının yönünün kapalı bir döngü yoluyla manyetik alandaki değişimin doğasına bağımlılığı, 1833 yılında Rus bilim adamı Lenz tarafından deneysel olarak kurulmuştur. Kendi adını taşıyan kuralı formüle etti. İndüklenen akım, manyetik alanının devre boyunca dış manyetik akıdaki değişimi telafi etme eğiliminde olduğu bir yöne sahiptir. Lenz, sağlam ve kesilmiş iki alüminyum halkadan oluşan, alüminyum bir çapraz çubuğa monte edilen ve külbütör kolu gibi bir eksen etrafında dönebilen bir cihaz tasarladı. (Şek. 27). Bir mıknatıs sağlam bir halkaya yerleştirildiğinde, mıknatıstan "kaçmaya" başladı ve külbütör kolunu buna göre döndürdü. Mıknatıs halkadan çıkarıldığında halka mıknatısa "yakalamaya" çalıştı. Mıknatıs kesme halkasının içinde hareket ettiğinde hiçbir etki meydana gelmedi. Lenz, indüklenen akımın manyetik alanının, dış manyetik akıdaki değişimi telafi etmeye çalıştığını söyleyerek deneyi açıkladı.

M. Faraday deneysel olarak, bir iletken devredeki endüksiyon akımının gücünün, söz konusu devre tarafından sınırlanan yüzeyden geçen manyetik endüksiyon hatlarının sayısındaki değişim oranıyla doğru orantılı olduğunu gösterdi. Manyetik akı kavramını kullanan elektromanyetik indüksiyon yasasının modern formülasyonu Maxwell tarafından verilmiştir. S yüzeyinden geçen manyetik akı (F) şuna eşit bir değerdir:

manyetik indüksiyon vektörünün büyüklüğü nerede; - manyetik indüksiyon vektörü ile kontur düzleminin normali arasındaki açı. Manyetik akı, söz konusu S alanının yüzeyinden geçen manyetik indüksiyon hatlarının sayısıyla orantılı bir miktar olarak yorumlanır.

Bir endüksiyon akımının ortaya çıkması, iletkende belirli bir elektromotor kuvvetin (EMF) ortaya çıktığını gösterir. İndüklenen emf'nin ortaya çıkmasının nedeni manyetik akıdaki bir değişikliktir. Uluslararası birimler sisteminde (SI), elektromanyetik indüksiyon yasası şu şekilde yazılmıştır:

devrenin sınırladığı alan boyunca manyetik akının değişim hızı nerede.

Manyetik akının işareti kontur düzlemine pozitif normalin seçimine bağlıdır. Bu durumda normalin yönü, devredeki akımın pozitif yönüne bağlanan sağ vida kuralı kullanılarak belirlenir. Böylece normalin pozitif yönü keyfi olarak atanır, akımın pozitif yönü ve devrede indüklenen emk belirlenir. Elektromanyetik indüksiyonun temel kanunundaki eksi işareti Lenz kuralına karşılık gelir.

Şekil 1 kapalı bir döngüyü göstermektedir. Konturu saat yönünün tersine geçme yönünün pozitif olduğunu varsayalım, o zaman konturun normali () konturu geçme yönündeki sağ vidadır. Dış alanın manyetik indüksiyon vektörü normalle aynı hizadaysa ve büyüklüğü zamanla artarsa, şunu elde ederiz:

Title="QuickLaTeX.com tarafından oluşturulmuştur">!}

Bu durumda indüksiyon akımı sıfırdan küçük bir manyetik akı (F') yaratacaktır. İndüklenen akımın () manyetik alanının manyetik indüksiyon çizgileri Şekil 2'de gösterilmektedir. 1 noktalı çizgi. İndüksiyon akımı saat yönünde yönlendirilecektir. İndüklenen emf sıfırdan az olacaktır.

Formül (2), elektromanyetik indüksiyon yasasının en genel haliyle bir kaydıdır. Manyetik alanda hareket eden sabit devrelere ve iletkenlere uygulanabilir. (2) numaralı ifadede yer alan türev genel olarak iki kısımdan oluşur: biri manyetik akıdaki zaman içindeki değişime bağlıdır, diğeri ise iletkenin manyetik alandaki hareketine (deformasyonuna) bağlıdır.

Manyetik akının eşit zaman aralıklarında aynı miktarda değişmesi durumunda, elektromanyetik indüksiyon yasası şu şekilde yazılır:

Alternatif bir manyetik alanda N dönüşten oluşan bir devre düşünülürse, elektromanyetik indüksiyon yasası şu şekli alacaktır:

miktarın akı bağlantısı olarak adlandırıldığı yer.

Problem çözme örnekleri

ÖRNEK 1

ÖRNEK 2

Manyetik alanın elektrik akımları tarafından oluşturulduğu belirlendikten sonra bilim adamları, manyetik alanı kullanarak ters problemi çözmeye çalıştılar. elektrik. Bu problem 1831 yılında elektromanyetik indüksiyon olayını keşfeden M. Faraday tarafından başarıyla çözüldü. Bu olgunun özü şudur: kapalı bir iletken devrede, bu devreye giren manyetik akıdaki herhangi bir değişiklikle, indüksiyon adı verilen bir elektrik akımı ortaya çıkar.. Faraday'ın bazı deneylerinin diyagramı Şekil 2'de gösterilmektedir. 3.12.

Kalıcı mıknatısın konumu galvanometreye kapalı bobine göre değiştiğinde, ikincisinde bir elektrik akımı ortaya çıktı ve kalıcı mıknatısın hareket yönüne bağlı olarak akımın yönünün farklı olduğu ortaya çıktı. İçinden elektrik akımı geçen başka bir bobin hareket ettirildiğinde de benzer bir sonuç elde edildi. Üstelik, küçük bobinin konumu değişmeden kalsa bile, içindeki akım değiştiğinde büyük bobinde bir akım ortaya çıktı.

Benzer deneylere dayanarak M. Faraday, bir bobine bağlanan manyetik akı değiştiğinde, bir bobinde her zaman bir elektrik akımının ortaya çıktığı sonucuna vardı. Akımın büyüklüğü manyetik akının değişim hızına bağlıdır. Şimdi Faraday'ın keşiflerini şu şekilde formüle ediyoruz: elektromanyetik indüksiyon yasası: İletken bir kapalı döngüyle ilişkili manyetik akıdaki herhangi bir değişiklikle, bu döngüde şu şekilde tanımlanan indüklenmiş bir emk ortaya çıkar:

(3.53) ifadesindeki “-” işareti, manyetik akı arttıkça indüksiyon akımının oluşturduğu manyetik alanın dış manyetik alana karşı yöneldiği anlamına gelir. Manyetik akının büyüklüğü azalırsa, indüksiyon akımının manyetik alanı harici yönde çakışır. manyetik alan. Rus bilim adamı H. Lenz böylece (3.53) ifadesindeki eksi işaretinin görünümünü belirledi - devredeki indüksiyon akımı her zaman öyle bir yöne sahiptir ki oluşturduğu manyetik alan, indüksiyon akımına neden olan manyetik akıdaki değişikliği önleyecek yöndedir..

Başka bir formül verelim elektromanyetik indüksiyon yasası: Kapalı bir iletken devrede indüklenen emk, bu devreden geçen manyetik akının ters işaretle alınan değişim hızına eşittir.

Alman fizikçi Helmholtz, elektromanyetik indüksiyon yasasının enerjinin korunumu yasasından türetilebileceğini gösterdi. Aslında, bir iletkeni manyetik alanda akımla hareket ettirmek için EMF kaynağının enerjisi (bkz. Şekil 3.37), hem R direncine sahip iletkenin Joule ısınmasına hem de iletkeni hareket ettirme işine harcanacaktır:

Daha sonra denklem (3.54)'ten hemen şu sonuç çıkar:

İfadenin payı (3.55), devreye etki eden emf'lerin cebirsel toplamını içerir. Buradan,

EMF'nin ortaya çıkmasının fiziksel nedeni nedir? AB iletkenindeki yükler, iletken x ekseni boyunca hareket ettiğinde Lorentz kuvvetinden etkilenir. Bu kuvvetin etkisi altında pozitif yükler yukarı doğru kayacak ve bunun sonucunda iletkendeki elektrik alanı zayıflayacaktır. Başka bir deyişle iletkende indüklenmiş bir emk ortaya çıkacaktır. Bu nedenle, ele aldığımız durumda fiziksel sebep emk'nin oluşumu Lorentz kuvvetidir. Bununla birlikte, daha önce de belirttiğimiz gibi, eğer bu devreye giren manyetik alan değişirse, sabit bir kapalı devrede indüklenmiş bir emk ortaya çıkabilir.

Bu durumda yükler sabit kabul edilebilir ve Lorentz kuvveti sabit yüklere etki etmez. Bu durumda EMF'nin oluşumunu açıklamak için Maxwell, değişen herhangi bir manyetik alanın iletkende değişen bir elektrik alanı oluşturduğunu ve bunun da indüklenen EMF'nin ortaya çıkmasının nedeni olduğunu öne sürdü. Dolayısıyla bu devrede etki eden gerilim vektörünün dolaşımı, devrede etki eden indüklenen emk'ye eşit olacaktır:

. (3.56)

Elektromanyetik indüksiyon olgusu, elektrik akımı jeneratörlerinde mekanik dönme enerjisini elektrik enerjisine dönüştürmek için kullanılır. Ters işlem - elektrik motorlarında, manyetik alandaki akımla çerçeveye etki eden torka bağlı olarak elektrik enerjisinin mekanik enerjiye dönüştürülmesi kullanılır.

Bir elektrik akımı jeneratörünün çalışma prensibini ele alalım (Şekil 3.13). Frekansı w olan bir mıknatısın (elektromıknatıs da olabilir) kutupları arasında dönen iletken bir çerçevemiz olsun. Daha sonra çerçeve düzleminin normali ile manyetik alanın yönü arasındaki açı yasaya göre değişir. a = ağırlık. Bu durumda çerçeveye bağlanan manyetik akı formüle göre değişecektir.

burada S kontur alanıdır. Elektromanyetik indüksiyon yasasına uygun olarak çerçevede bir emk indüklenecektir.

İle e maks = BSw. Dolayısıyla, iletken bir çerçeve manyetik alanda sabit bir açısal hızda dönerse, içinde harmonik yasasına göre değişen bir emk indüklenecektir. Gerçek jeneratörlerde seri bağlı birçok sarım döndürülürken, elektromıknatıslarda manyetik indüksiyonu arttırmak için manyetik geçirgenliği yüksek çekirdekler kullanılır. M..

İndüksiyon akımları, alternatif bir manyetik alana yerleştirilen iletken gövdelerin kalınlığında da ortaya çıkabilir. Bu durumda bu akımlara Foucault akımları denir. Bu akımlar büyük iletkenlerin ısınmasına neden olur. Bu fenomen, yüksek akımların metali eriyene kadar ısıttığı vakum indüksiyon fırınlarında kullanılır. Metaller vakumda ısıtıldığından özellikle saf malzemelerin elde edilmesi mümkün olur.

Elektromanyetik indüksiyon olgusu, kapalı bir iletken devrede elektrik akımının oluşması, bu devreden geçen manyetik akı ise zamanla değişmesidir. Formülü İngiliz fizikçi Faraday tarafından türetilen elektromanyetik indüksiyon yasası bu olguya dayanmaktadır.

Elektromanyetik indüksiyon kavramları

Elektromanyetik indüksiyonla ilgili ana niceliklerden biri manyetik akıdır. Bunu anlamak için fiziksel anlam için bu değeri belirleyen formülü dikkate almalısınız: Φ = B. S. çünkü α. Burada B, manyetik indüksiyon vektörünün modülü görevi görür, S, iletken devrenin alanıdır, α, devrenin düzlemine normal ile manyetik indüksiyon vektörü arasındaki açıdır.

Düzgün olmayan bir manyetik alan ve düz olmayan bir kontur ile manyetik akı değeri genelleştirilebilir. Bu amaçla SI sisteminde weber adı verilen manyetik akı birimi için bir gösterim vardır. 1 Wb oluşturmak için, alanı 1 m2 olan düz bir devreye nüfuz eden 1 T'lik bir manyetik alan gereklidir. (1 Wb = 1 T. 1 m2)

Faraday, formülü aşağıdaki terimlerle ifade edilen elektromanyetik indüksiyon yasasını keşfetti:

Bu formül, devredeki manyetik akıdaki bir değişikliğin indüklenmiş bir emk'nin ortaya çıkmasına yol açtığını açıkça göstermektedir. EMF ise konturla sınırlanan alandan geçerken manyetik akının değişme hızına eşittir. EMF değerinin tamamı eksi işaretiyle alınır. İşte bu.

Manyetik akıyı değiştirmenin nedenleri

Kapalı bir devreden geçen manyetik akı birçok nedenden dolayı değişebilir.

Öncelikle bu değişiklikler devrenin zamanla sabit olan bir manyetik alan içerisinde hareket etmesiyle meydana gelir. Bu durumda iletkenler serbest yük taşıyıcılarıyla birlikte manyetik bir alanda hareket eder. İndüksiyon emk, hareketli iletkenlerde bulunan serbest yükleri etkileyen dış kuvvetlerin etkisi altında meydana gelir.

Manyetik akıyı değiştiren bir diğer neden ise devre sabitken manyetik alanın zamanla değişmesidir. Sabit bir iletkende elektronlar ancak etkisi altında hareket edebilirler. Elektrik alanı. Bu alan da zamanla değişen bir manyetik alanın etkisinden kaynaklanır.

Kapalı bir devrede bir pozitif yükü hareket ettirmek için harcanan iş, sabit bir iletken için indüklenen emk'ye eşittir. Değişen bir manyetik alan kullanılarak elde edilen böyle bir alana girdap elektrik alanı denir.

Açık bu ders konusu şu: “Lenz kuralı. Elektromanyetik indüksiyon yasasını" öğreniyoruz Genel kural 1833 yılında E.X. tarafından kurulan devredeki endüksiyon akımının yönünü belirlemenizi sağlar. Lenz. Ayrıca bu kuralı açıkça gösteren alüminyum halkalarla yapılan deneyi de ele alacağız ve elektromanyetik indüksiyon yasasını formüle edeceğiz.

Mıknatısı katı halkaya yaklaştırarak veya ondan uzaklaşarak halkanın alanına giren manyetik akıyı değiştiririz. Elektromanyetik indüksiyon fenomeni teorisine göre halkada endüktif bir elektrik akımının ortaya çıkması gerekir. Ampere'nin deneylerinden, akımın geçtiği yerde bir manyetik alanın oluştuğu bilinmektedir. Sonuç olarak kapalı halka mıknatıs gibi davranmaya başlar. Yani iki mıknatıs arasında bir etkileşim vardır ( kalıcı mıknatıs hareket ettirdiğimiz ve akımla kapalı bir döngü).

Sistem, mıknatısın halkaya yaklaşmasına kesme ile tepki vermediğinden, açık devrede indüklenen akımın oluşmadığı sonucunu çıkarabiliriz.

Bir halkanın mıknatısa itilmesinin veya çekilmesinin nedenleri

1. Bir mıknatıs yaklaştığında

Mıknatısın kutbu yaklaştıkça halka oradan itilir. Yani, yaklaşan mıknatısla bizim tarafımızda aynı kutba sahip olan bir mıknatıs gibi davranır. Mıknatısın kuzey kutbunu yaklaştırırsak, indüklenen akıma sahip halkanın manyetik indüksiyon vektörü, mıknatısın kuzey kutbunun manyetik indüksiyon vektörüne göre ters yönde yönlendirilir (bkz. Şekil 2).

Pirinç. 2. Mıknatısın yüzüğe yaklaşması

2. Mıknatısı halkadan çıkarırken

Mıknatıs çıkarıldığında halka arkasına çekilir. Sonuç olarak, uzaklaşan mıknatısın olduğu tarafta halkada zıt bir kutup oluşur. Akım taşıyan halkanın manyetik indüksiyon vektörü, uzaklaşan mıknatısın manyetik indüksiyon vektörüyle aynı yönde yönlendirilir (bkz. Şekil 3).

Pirinç. 3. Mıknatısın halkadan çıkarılması

Bu deneyden, mıknatıs hareket ettiğinde halkanın da bir mıknatıs gibi davrandığı ve bunun polaritesinin halka alanına giren manyetik akının artmasına veya azalmasına bağlı olduğu sonucuna varabiliriz. Akı artarsa, halkanın ve mıknatısın manyetik indüksiyon vektörleri zıt yönde olur. Halkadan geçen manyetik akı zamanla azalırsa, halkanın manyetik alanının indüksiyon vektörü, mıknatısın indüksiyon vektörü ile aynı yönde çakışır.

Halkadaki endüksiyon akımının yönü kuralla belirlenebilir. sağ el. Eğer gönderirsen baş parmak sağ elinizi manyetik indüksiyon vektörü yönünde tutarsanız, dört bükülmüş parmak halkadaki akımın yönünü gösterecektir (bkz. Şekil 4).

Pirinç. 4. Sağ el kuralı

Devreye giren manyetik akı değiştiğinde, devrede manyetik akı dış manyetik akıdaki değişikliği telafi edecek yönde indüklenen bir akım belirir.

Eğer dış manyetik akı artarsa, indüklenen akım manyetik alanıyla birlikte bu artışı yavaşlatma eğilimindedir. Manyetik akı azalırsa, indüklenen akım manyetik alanıyla birlikte bu azalmayı yavaşlatma eğilimindedir.

Elektromanyetik indüksiyonun bu özelliği eksi işaretiyle ifade edilir. EMF formülü indüksiyon.

Elektromanyetik İndüksiyon Yasası

Devreye giren harici manyetik akı değiştiğinde devrede indüklenen bir akım ortaya çıkar. Bu durumda elektromotor kuvvetin değeri sayısal olarak “-” işaretiyle alınan manyetik akı değişim hızına eşittir.

Lenz kuralı, elektromanyetik olaylarda enerjinin korunumu yasasının bir sonucudur.

Kaynakça

1. Myakishev G.Ya. Fizik: Ders Kitabı. 11. sınıf için Genel Eğitim kurumlar. - M.: Eğitim, 2010.
2. Kasyanov V.A. Fizik. 11. sınıf: Eğitici. genel eğitim için kurumlar. - M.: Bustard, 2005.
3. Gendenstein L.E., Dick Yu.I., Fizik 11. - M .: Mnemosyne.

Ev ödevi

1. 10. paragrafın sonundaki sorular (s. 33) - Myakishev G.Ya. Fizik 11 (önerilen okumalar listesine bakın)
2. Elektromanyetik indüksiyon yasası nasıl formüle edilir?
3. Elektromanyetik indüksiyon yasası formülünde neden “-” işareti var?

1. İnternet portalı Festival.1september.ru ().
2. İnternet portalı Physics.kgsu.ru ().
3. İnternet portalı Youtube.com ().