« Fizyka – klasa 11”

Indukcja elektromagnetyczna

Angielski fizyk Michael Faraday był przekonany o jednolitej naturze zjawisk elektrycznych i magnetycznych.
Zmienne w czasie pole magnetyczne generuje pole elektryczne, a zmienne pole elektryczne generuje pole magnetyczne.
W 1831 roku Faraday odkrył zjawisko indukcji elektromagnetycznej, co stało się podstawą do zaprojektowania generatorów przetwarzających energię mechaniczną na energię elektryczną.


Zjawisko indukcji elektromagnetycznej

Zjawisko indukcji elektromagnetycznej polega na występowaniu prądu elektrycznego w obwodzie przewodzącym, który albo pozostaje w spoczynku w zmiennym w czasie polu magnetycznym, albo porusza się w stałym polu magnetycznym w taki sposób, że liczba linii indukcji magnetycznej przechodzących przez obwód zmiany.

Do swoich licznych eksperymentów Faraday użył dwóch cewek, magnesu, przełącznika, źródła prądu stałego i galwanometru.

Prąd elektryczny może namagnesować kawałek żelaza. Czy magnes może powodować prąd elektryczny?

W wyniku eksperymentów ustalono Faradaya Główne cechy zjawiska indukcji elektromagnetycznej:

1). prąd indukowany zachodzi w jednej z cewek w momencie zamknięcia lub otwarcia obwodu elektrycznego innej cewki, nieruchomej względem pierwszej.

2) prąd indukowany występuje, gdy siła prądu w jednej z cewek zmienia się za pomocą reostatu 3). prąd indukowany występuje, gdy cewki poruszają się względem siebie 4). prąd indukowany występuje, gdy magnes trwały porusza się względem cewki

Wniosek:

W zamkniętym obwodzie przewodzącym prąd powstaje, gdy zmienia się liczba linii indukcji magnetycznej penetrujących powierzchnię ograniczoną tym obwodem.
Im szybciej zmienia się liczba linii indukcji magnetycznej, tym większy jest wynikowy prąd indukcyjny.

To nie ma znaczenia. co jest powodem zmiany liczby linii indukcji magnetycznej.
Może to być również zmiana liczby linii indukcji magnetycznej penetrujących powierzchnię ograniczoną stacjonarnym obwodem przewodzącym na skutek zmiany natężenia prądu w sąsiedniej cewce,

oraz zmiana liczby linii indukcyjnych w wyniku ruchu obwodu w nierównomiernym polu magnetycznym, którego gęstość linii zmienia się w przestrzeni itp.

Strumień magnetyczny

Strumień magnetyczny – to cecha pole magnetyczne, który zależy od wektora indukcji magnetycznej we wszystkich punktach powierzchni ograniczonej płaskim, zamkniętym konturem.

Istnieje płaski zamknięty przewodnik (obwód) ograniczający powierzchnię o obszarze S i umieszczony w jednorodnym polu magnetycznym.
Normalna (wektor, którego moduł jest równy jedności) do płaszczyzny przewodnika tworzy kąt α z kierunkiem wektora indukcji magnetycznej

Strumień magnetyczny Ф (strumień wektora indukcji magnetycznej) przez powierzchnię o obszarze S jest wartością równą iloczynowi wielkości wektora indukcji magnetycznej przez powierzchnię S i cosinus kąta α pomiędzy wektorami i:

Ф = BScos α

Gdzie
Вcos α = В n- rzut wektora indukcji magnetycznej na normalną do płaszczyzny konturu.
Dlatego

Ф = B n S

Strumień magnetyczny wzrasta tym bardziej Zajazd I S.

Strumień magnetyczny zależy od orientacji powierzchni, przez którą przenika pole magnetyczne.

Strumień magnetyczny można interpretować graficznie jako wartość proporcjonalną do liczby linii indukcji magnetycznej penetrujących powierzchnię o powierzchni S.

Jednostką strumienia magnetycznego jest Webera.
Strumień magnetyczny w 1 weberze ( 1 Wb) powstaje w wyniku jednolitego pola magnetycznego o indukcji 1 T przez powierzchnię o powierzchni 1 m 2 umieszczoną prostopadle do wektora indukcji magnetycznej.

STRUMIEŃ MAGNETYCZNY

STRUMIEŃ MAGNETYCZNY(symbol F), miara siły i zasięgu POLA MAGNETYCZNEGO. Strumień przez obszar A pod kątem prostym do tego samego pola magnetycznego wynosi Ф = mHA, gdzie m to PRZEPUSZCZALNOŚĆ magnetyczna ośrodka, a H to natężenie pola magnetycznego. Gęstość strumienia magnetycznego to strumień na jednostkę powierzchni (symbol B), który jest równy N. Zmiana strumienia magnetycznego przez przewód elektryczny indukuje ELEKTRYCZNĄ SIŁĘ MOTOROWĄ.


Naukowy i techniczny słownik encyklopedyczny.

Zobacz, co „STRUMIEŃ MAGNETYCZNY” znajduje się w innych słownikach:

    Przepływ wektora indukcji magnetycznej B przez dowolną powierzchnię. Strumień magnetyczny przez mały obszar dS, w którym wektor B pozostaje niezmieniony, jest równy dФ = ВndS, gdzie Bn jest rzutem wektora na normalną do obszaru dS. Strumień magnetyczny F przez końcówkę... ... Duży słownik encyklopedyczny

    - (strumień indukcji magnetycznej), strumień F wektora magnetycznego. indukcja B przez k.l. powierzchnia. M. p. dФ przez mały obszar dS, w granicach którego wektor B można uznać za niezmieniony, wyraża się iloczynem wielkości obszaru i rzutu Bn wektora na ... ... Encyklopedia fizyczna

    strumień magnetyczny- Wielkość skalarna równa strumieniowi indukcji magnetycznej. [GOST R 52002 2003] Strumień magnetyczny Strumień indukcji magnetycznej przez powierzchnię prostopadłą do pola magnetycznego, definiowany jako iloczyn indukcji magnetycznej w danym punkcie przez powierzchnię... ... Przewodnik tłumacza technicznego

    STRUMIEŃ MAGNETYCZNY- strumień Ф wektora indukcji magnetycznej (patrz (5)) B przez powierzchnię S prostopadłą do wektora B w jednorodnym polu magnetycznym. Jednostka SI strumienia magnetycznego (cm) ... Wielka encyklopedia politechniczna

    Wartość charakteryzująca efekt magnetyczny na daną powierzchnię. Pole magnetyczne mierzy się liczbą linii sił magnetycznych przechodzących przez daną powierzchnię. Techniczny słownik kolejowy. M.: Transport państwowy... ... Techniczny słownik kolejowy

    Strumień magnetyczny - ilość skalarna, równy strumieniowi indukcji magnetycznej... Źródło: ELECTRICAL ENGINEERING. TERMINY I DEFINICJE PODSTAWOWYCH POJĘĆ. GOST R 52002 2003 (zatwierdzony uchwałą normy państwowej Federacji Rosyjskiej z dnia 01.09.2003 N 3 art.) ... Oficjalna terminologia

    Przepływ wektora indukcji magnetycznej B przez dowolną powierzchnię. Strumień magnetyczny przez mały obszar dS, w którym wektor B pozostaje niezmieniony, jest równy dФ = BndS, gdzie Bn jest rzutem wektora na normalną do obszaru dS. Strumień magnetyczny F przez końcówkę... ... słownik encyklopedyczny

    Elektrodynamika klasyczna… Wikipedia

    strumień magnetyczny- , strumień indukcji magnetycznej to strumień wektora indukcji magnetycznej przez dowolną powierzchnię. Dla powierzchni zamkniętej całkowity strumień magnetyczny wynosi zero, co odzwierciedla elektromagnetyczny charakter pola magnetycznego, czyli jego brak w przyrodzie... Encyklopedyczny słownik metalurgii

    Strumień magnetyczny- 12. Strumień magnetyczny Strumień indukcji magnetycznej Źródło: GOST 19880 74: Elektrotechnika. Podstawowe koncepcje. Terminy i definicje oryginalny dokument 12 magnetyczny na ... Słownik-podręcznik terminów dokumentacji normatywnej i technicznej

Książki

  • , Mitkiewicz V.F. Kategoria: Matematyka Wydawca: YOYO Media, Producent: Yoyo Media,
  • Strumień magnetyczny i jego transformacja, Mitkiewicz W.F., Książka ta zawiera wiele rzeczy, na które nie zawsze zwraca się należytą uwagę w odniesieniu do strumienia magnetycznego, a które nie zostały jeszcze wystarczająco jasno określone lub nie zostały... Kategoria: Matematyka i nauki ścisłe Seria: Wydawca:

Zdjęcie przedstawia jednolite pole magnetyczne. Jednorodny oznacza taki sam we wszystkich punktach danej objętości. W polu umieszczono powierzchnię o polu S. Linie pola przecinają się z tą powierzchnią.

Wyznaczanie strumienia magnetycznego:

Strumień magnetyczny Ф przez powierzchnię S to liczba linii wektora indukcji magnetycznej B przechodzących przez powierzchnię S.

Wzór na strumień magnetyczny:

tutaj α jest kątem pomiędzy kierunkiem wektora indukcji magnetycznej B a normalną do powierzchni S.

Ze wzoru na strumień magnetyczny wynika, że ​​maksymalny strumień magnetyczny będzie przy cos α = 1, a stanie się tak, gdy wektor B będzie równoległy do ​​normalnej do powierzchni S. Minimalny strumień magnetyczny będzie przy cos α = 0, stanie się tak, gdy wektor B będzie prostopadły do ​​normalnej do powierzchni S, gdyż w tym przypadku linie wektora B będą przesuwać się po powierzchni S, nie przecinając jej.

A zgodnie z definicją strumienia magnetycznego uwzględniane są tylko te linie wektora indukcji magnetycznej, które przecinają daną powierzchnię.

Strumień magnetyczny mierzony jest w weberach (woltosekundach): 1 wb = 1 v * s. Dodatkowo Maxwell służy do pomiaru strumienia magnetycznego: 1 wb = 10 8 μs. Odpowiednio 1 μs = 10 -8 vb.

Strumień magnetyczny jest wielkością skalarną.

ENERGIA POLA MAGNETYCZNEGO PRĄDU

Wokół przewodnika, w którym płynie prąd, znajduje się pole magnetyczne posiadające energię. Skąd to pochodzi? Źródło prądu zawarte w obwodzie elektrycznym ma zapas energii. W momencie zamknięcia obwodu elektrycznego źródło prądu zużywa część swojej energii, aby przezwyciężyć efekt powstającego samoindukcyjnego pola elektromagnetycznego. Ta część energii, zwana energią własną prądu, jest wykorzystywana do tworzenia pola magnetycznego. Energia pola magnetycznego jest równa energii wewnętrznej prądu. Energia własna prądu jest liczbowo równa pracy, jaką musi wykonać źródło prądu, aby je pokonać Samoindukowane emf do wytworzenia prądu w obwodzie.

Energia pola magnetycznego wytworzonego przez prąd jest wprost proporcjonalna do kwadratu prądu. Gdzie ucieka energia pola magnetycznego po ustaniu prądu? - wyróżnia się (w przypadku otwarcia obwodu o wystarczająco dużym prądzie może wystąpić iskra lub łuk)

4.1. Prawo indukcji elektromagnetycznej. Samoindukcja. Indukcyjność

Podstawowe formuły

· Prawo indukcji elektromagnetycznej (prawo Faradaya):

, (39)

gdzie jest indukcja emf, jest całkowitym strumieniem magnetycznym (powiązanie strumienia).

· Strumień magnetyczny wytworzony przez prąd w obwodzie,

gdzie jest indukcyjność obwodu, jest natężeniem prądu.

· Prawo Faradaya w zastosowaniu do samoindukcji

· Indukcja emf, która występuje, gdy rama obraca się pod wpływem prądu w polu magnetycznym,

gdzie jest indukcja pola magnetycznego, jest obszarem ramy, jest prędkością kątową obrotu.

Indukcyjność elektromagnesu

, (43)

gdzie jest stała magnetyczna; jest przenikalnością magnetyczną substancji; jest liczbą zwojów solenoidu; jest polem przekroju poprzecznego zwoju; jest długością solenoidu.

Siła prądu podczas otwierania obwodu

gdzie jest prądem ustalonym w obwodzie, jest indukcyjnością obwodu, jest rezystancją obwodu, jest czasem otwarcia.

Siła prądu przy zamykaniu obwodu

. (45)

Czas relaksu

Przykłady rozwiązywania problemów

Przykład 1.

Pole magnetyczne zmienia się zgodnie z prawem , gdzie = 15 mT,. Okrągłą cewkę przewodzącą o promieniu = 20 cm umieszczono w polu magnetycznym pod kątem do kierunku pola (w początkowej chwili). Znajdź indukowany emf powstający w cewce w czasie = 5 s.

Rozwiązanie

Zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej, indukcyjność powstająca w cewce wynosi , gdzie jest strumieniem magnetycznym sprzężonym w cewce.

gdzie jest obszar zwoju; jest kątem między kierunkiem wektora indukcji magnetycznej a normalną do konturu:.

Zastąpmy wartościami liczbowymi: = 15 mT,, = 20 cm = = 0,2 m,.

Obliczenia dają .

Przykład 2

W jednorodnym polu magnetycznym o indukcji = 0,2 T znajduje się prostokątna rama, której ruchomy bok o długości = 0,2 m porusza się z prędkością = 25 m/s prostopadle do linii indukcji pola (rys. 42). Określ indukowany emf powstający w obwodzie.

Rozwiązanie

Kiedy przewodnik AB porusza się w polu magnetycznym, powierzchnia ramy wzrasta, dlatego zwiększa się strumień magnetyczny przez ramę i pojawia się indukowany emf.

Zgodnie z prawem Faradaya, gdzie, zatem, ale zatem.

Znak „–” wskazuje, że indukowany emf i indukowany prąd są skierowane przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

SAMOINDUKCJA

Każdy przewodnik, przez który przepływa prąd elektryczny, znajduje się w swoim własnym polu magnetycznym.

Kiedy zmienia się natężenie prądu w przewodniku, zmienia się pole m, tj. strumień magnetyczny wytworzony przez ten prąd zmienia się. Zmiana strumienia magnetycznego prowadzi do pojawienia się wirowego pola elektrycznego i w obwodzie pojawia się indukowany emf. Zjawisko to nazywa się samoindukcją.Samoindukcja to zjawisko występowania indukowanego pola elektromagnetycznego w obwodzie elektrycznym w wyniku zmiany natężenia prądu. Powstały emf nazywany jest emf samoindukowanym

Manifestacja zjawiska samoindukcji

Zamknięcie obwodu Kiedy w obwodzie elektrycznym nastąpi zwarcie, prąd wzrasta, co powoduje wzrost strumienia magnetycznego w cewce i pojawia się wirowe pole elektryczne, skierowane przeciw prądowi, tj. W cewce powstaje emf samoindukcyjny, który zapobiega wzrostowi prądu w obwodzie (pole wirowe hamuje elektrony). W rezultacie L1 zapala się później, niż L2.

Otwarty obwód Po otwarciu obwodu elektrycznego prąd maleje, następuje zmniejszenie strumienia w cewce i pojawia się wirowe pole elektryczne, skierowane jak prąd (starający się utrzymać tę samą siłę prądu), tj. W cewce powstaje samoindukowany emf, utrzymujący prąd w obwodzie. W rezultacie L po wyłączeniu miga jasno. Wniosek w elektrotechnice zjawisko samoindukcji objawia się, gdy obwód jest zamknięty (prąd elektryczny stopniowo wzrasta) i gdy obwód jest otwierany (prąd elektryczny nie zanika natychmiast).

INDUKCYJNOŚĆ

Od czego zależy samoindukowany emf? Prąd elektryczny wytwarza własne pole magnetyczne. Strumień magnetyczny przez obwód jest proporcjonalny do indukcji pola magnetycznego (Ф ~ B), indukcja jest proporcjonalna do natężenia prądu w przewodniku (B ~ I), dlatego strumień magnetyczny jest proporcjonalny do natężenia prądu (Ф ~ I ). Sem samoindukcji zależy od szybkości zmian prądu w obwodzie elektrycznym, właściwości przewodnika (rozmiar i kształt) oraz względnej przenikalności magnetycznej ośrodka, w którym znajduje się przewodnik. Wielkość fizyczna pokazująca zależność siły elektromotorycznej od rozmiaru i kształtu przewodnika oraz od środowiska, w którym przewodnik się znajduje, nazywa się współczynnikiem samoindukcji lub indukcyjnością. Indukcyjność - fizyczna. wartość liczbowa równa samoindukcyjnemu emf występującemu w obwodzie, gdy prąd zmienia się o 1 amper w ciągu 1 sekundy. Indukcyjność można również obliczyć ze wzoru:

gdzie Ф jest strumieniem magnetycznym w obwodzie, I jest natężeniem prądu w obwodzie.

Jednostki indukcyjności SI:

Indukcyjność cewki zależy od: liczby zwojów, rozmiaru i kształtu cewki oraz względnej przenikalności magnetycznej ośrodka (ewentualnie rdzenia).

SAMOINDUKCYJNE pole elektromagnetyczne

Samoindukcyjny emf zapobiega wzrostowi prądu, gdy obwód jest włączony, i zmniejszeniu prądu, gdy obwód jest otwarty.

Aby scharakteryzować namagnesowanie substancji w polu magnetycznym, stosuje się to moment magnetyczny (P M ). Jest on liczbowo równy momentowi mechanicznemu, jakiego doświadcza substancja w polu magnetycznym o indukcji 1 Tesli.

Charakteryzuje go moment magnetyczny jednostkowej objętości substancji namagnesowanie – I , wyznacza się ze wzoru:

I=R M /W , (2.4)

Gdzie V - objętość substancji.

Namagnesowanie w układzie SI mierzy się, podobnie jak intensywność, w Pojazd, wielkość wektorowa.

Scharakteryzowano właściwości magnetyczne substancji wolumetryczna podatność magnetyczna - C O , ilość bezwymiarowa.

Jeśli jakiekolwiek ciało zostanie umieszczone w polu magnetycznym z indukcją W 0 , następuje jego namagnesowanie. W rezultacie ciało wytwarza własne pole magnetyczne za pomocą indukcji W " , który oddziałuje z polem magnesującym.

W tym przypadku wektor indukcji w ośrodku (W) będzie składać się z wektorów:

B = B 0 + B " (pominięto znak wektora), (2.5)

Gdzie W " - indukcja własnego pola magnetycznego namagnesowanej substancji.

Indukcja własnego pola zależy od właściwości magnetycznych substancji, które charakteryzują się wolumetryczną podatnością magnetyczną - C O , prawdziwe jest następujące wyrażenie: W " = C O W 0 (2.6)

Dzielić przez M 0 wyrażenie (2.6):

W " /M O = C O W 0 /M 0

Otrzymujemy: N " = C O N 0 , (2.7)

Ale N " określa namagnesowanie substancji I , tj. N " = I , to z (2.7):

ja = ok O N 0 . (2.8)

Tak więc, jeśli substancja znajduje się w zewnętrznym polu magnetycznym o sile N 0 , wówczas indukcję wewnątrz niego określa się za pomocą wyrażenia:

B=B 0 + B " = m 0 N 0 +m 0 N " = m 0 (N 0 +ja)(2.9)

Ostatnie wyrażenie jest całkowicie prawdziwe, gdy rdzeń (substancja) znajduje się całkowicie w zewnętrznym, jednolitym polu magnetycznym (zamknięty torus, nieskończenie długi solenoid itp.).

Prawo Ampera służy do ustalenia jednostki natężenia prądu – ampera.

Amper - siła prądu o stałej wielkości, który przepływając przez dwa równoległe proste przewodniki o nieskończonej długości i pomijalnie małym przekroju, umieszczone w próżni jeden od drugiego w odległości jednego metra, wywołuje siłę .

, (2.4.1)

Tutaj ; ; ;

Określmy stąd wymiar i wielkość w SI.

, stąd

, Lub .

Z prawa Biota-Savarta-Laplace'a dla prostego przewodnika z prądem , To samo możesz znaleźć wymiar indukcji pola magnetycznego:

Tesla jest jednostką indukcji w układzie SI. .

Gaus– jednostka miary w Gaussowskim układzie jednostek (GHS).

1 T równa indukcji magnetycznej jednolitego pola magnetycznego, w którym znajduje się płaski obwód z prądem mającym moment magnetyczny,przykładany jest moment obrotowy.

Tesla Nikola(1856–1943) – serbski naukowiec zajmujący się elektrotechniką i radiem. Miał ogromną liczbę wynalazków. Wynalazł licznik elektryczny, miernik częstotliwości itp. Opracował szereg projektów generatorów wielofazowych, silników elektrycznych i transformatorów. Zaprojektował szereg sterowanych radiowo mechanizmów samobieżnych. Badał fizjologiczne skutki prądów o wysokiej częstotliwości. W 1899 roku zbudował stację radiową o mocy 200 kW w Kolorado i antenę radiową o wysokości 57,6 m na Long Island (Wardenclyffe Tower). Wraz z Einsteinem i Openheimerem w 1943 roku brał udział w tajnym projekcie mającym na celu osiągnięcie niewidzialności amerykańskich statków ( Eksperyment w Filadelfii). Współcześni mówili o Tesli jako o mistyku, jasnowidzu, proroku, potrafiącym zajrzeć w inteligentny kosmos i świat umarłych. Uwierzył w to z pomocą pole elektromagnetyczne możesz poruszać się w przestrzeni i kontrolować czas.

Inna definicja: 1 T równy indukcji magnetycznej, przy której strumień magnetyczny przechodzi przez obszar 1 m 2, prostopadle do kierunku pola,równa się 1 Wb .

Jednostka miary strumienia magnetycznego Wb otrzymała swoją nazwę na cześć niemieckiego fizyka Wilhelma Webera (1804–1891), profesora uniwersytetów w Halle, Getyndze i Lipsku.

Jak już powiedzieliśmy, strumień magnetyczny Ф przez powierzchnię S jest jedną z cech pola magnetycznego(ryc. 2.5):

Jednostka SI strumienia magnetycznego:

. , i od tego czasu .

Tutaj Maxwella(Mks) to jednostka miary strumienia magnetycznego w CGS, nazwana na cześć słynnego angielskiego naukowca Jamesa Maxwella (1831–1879), twórcy teorii pola elektromagnetycznego.

Siła pola magnetycznego N mierzone w.

, .

Podsumujmy główne cechy pola magnetycznego w jednej tabeli.

Tabela 2.1

Nazwa

Strumień magnetyczny (strumień linii indukcji magnetycznej) przez kontur jest liczbowo równy iloczynowi wielkości wektora indukcji magnetycznej przez obszar ograniczony konturem i cosinus kąta między kierunkiem wektora indukcji magnetycznej a normalną do powierzchni ograniczonej tym konturem.

Wzór na pracę siły Ampera podczas ruchu prostego przewodnika ze stałym prądem w jednorodnym polu magnetycznym.

Zatem pracę wykonaną przez siłę Ampera można wyrazić w postaci prądu w poruszanym przewodniku i zmiany strumienia magnetycznego w obwodzie, w którym ten przewodnik jest podłączony:

Indukcyjność pętli.

Indukcyjność - fizyczny wartość liczbowa równa samoindukcyjnemu emf występującemu w obwodzie, gdy prąd zmienia się o 1 amper w ciągu 1 sekundy.
Indukcyjność można również obliczyć ze wzoru:

gdzie Ф jest strumieniem magnetycznym w obwodzie, I jest natężeniem prądu w obwodzie.

Jednostki indukcyjności SI:

Energia pola magnetycznego.

Pole magnetyczne ma energię. Tak jak naładowany kondensator ma rezerwę energia elektryczna, w cewce, przez którą przepływa prąd, znajduje się rezerwa energii magnetycznej.

Indukcja elektromagnetyczna.

Indukcja elektromagnetyczna - zjawisko występowania prądu elektrycznego w obwodzie zamkniętym, gdy zmienia się przepływający przez niego strumień magnetyczny.

Eksperymenty Faradaya. Wyjaśnienie indukcji elektromagnetycznej.

Jeśli zaoferujesz trwały magnes do cewki lub odwrotnie (ryc. 3.1), wówczas w cewce będzie Elektryczność. To samo dzieje się z dwiema blisko rozmieszczonymi cewkami: jeśli źródło prądu przemiennego zostanie podłączone do jednej z cewek, wówczas druga cewka również doświadczy prąd przemienny, ale efekt ten najlepiej objawia się, gdy dwie cewki są połączone rdzeniem

Zgodnie z definicją Faradaya eksperymenty te mają następujące cechy wspólne: Jeżeli strumień wektora indukcyjnego przenikającego przez zamknięty, przewodzący obwód zmienia się, wówczas w obwodzie pojawia się prąd elektryczny.

Zjawisko to nazywa się fenomenem Indukcja elektromagnetyczna , a prąd jest wprowadzenie. W tym przypadku zjawisko jest całkowicie niezależne od sposobu zmiany strumienia wektora indukcji magnetycznej.

Formuła e.m.f. Indukcja elektromagnetyczna.

indukowany emf w zamkniętej pętli jest wprost proporcjonalna do szybkości zmian strumienia magnetycznego przez obszar ograniczony tą pętlą.

Reguła Lenza.

Reguła Lenza

Indukowany prąd powstający w obwodzie zamkniętym z jego polem magnetycznym przeciwdziała zmianie strumienia magnetycznego, która go powoduje.

Samoindukcja i jej wyjaśnienie.

Samoindukcja- zjawisko występowania indukowanego emf w obwodzie elektrycznym w wyniku zmiany natężenia prądu.

Zamknięcie obwodu
Kiedy w obwodzie elektrycznym nastąpi zwarcie, prąd wzrasta, co powoduje wzrost strumienia magnetycznego w cewce i pojawia się wirowe pole elektryczne, skierowane przeciw prądowi, tj. W cewce powstaje emf samoindukcyjny, który zapobiega wzrostowi prądu w obwodzie (pole wirowe hamuje elektrony).
W rezultacie L1 zapala się później niż L2.

Otwarty obwód
Po otwarciu obwodu elektrycznego prąd maleje, następuje zmniejszenie strumienia w cewce i pojawia się wirowe pole elektryczne, skierowane jak prąd (starający się utrzymać tę samą siłę prądu), tj. W cewce powstaje samoindukowany emf, utrzymujący prąd w obwodzie.
W rezultacie L miga jasno po wyłączeniu.

w elektrotechnice zjawisko samoindukcji objawia się przy zamykaniu obwodu (prąd elektryczny stopniowo wzrasta) i przy otwieraniu obwodu (prąd elektryczny nie zanika natychmiast).

Formuła e.m.f. samoindukcja.

Samoindukcyjny emf zapobiega wzrostowi prądu, gdy obwód jest włączony, i zmniejszeniu prądu, gdy obwód jest otwarty.

Pierwsze i drugie postanowienie teorii pola elektromagnetycznego Maxwella.

1. Każde przemieszczone pole elektryczne generuje wirowe pole magnetyczne. Maxwell nazwał zmienne pole elektryczne, ponieważ podobnie jak zwykły prąd wytwarza pole magnetyczne. Wirowe pole magnetyczne jest generowane zarówno przez prądy przewodzenia Ipr (poruszające się ładunki elektryczne), jak i prądy przemieszczenia (poruszające się ładunki elektryczne). pole elektryczne MI).

Pierwsze równanie Maxwella

2. Każde przemieszczone pole magnetyczne wytwarza wirowe pole elektryczne (podstawowe prawo indukcji elektromagnetycznej).

Drugie równanie Maxwella:

Promieniowanie elektromagnetyczne.

Fale elektromagnetyczne, promieniowanie elektromagnetyczne- zaburzenie (zmiana stanu) pola elektromagnetycznego rozchodzącego się w przestrzeni.

3.1. Fala - Są to wibracje rozchodzące się w przestrzeni w czasie.
Fale mechaniczne może rozprzestrzeniać się tylko w jakimś ośrodku (substancji): w gazie, w cieczy, w ciele stałym. Źródłem fal są ciała oscylacyjne, które powodują deformację środowiska w otaczającej przestrzeni. Warunkiem koniecznym pojawienia się fal sprężystych jest pojawienie się w momencie zakłócenia ośrodka sił uniemożliwiających mu zwłaszcza sprężystość. Mają tendencję do zbliżania sąsiadujących cząstek do siebie, gdy się oddalają, i odpychania ich od siebie, gdy się do siebie zbliżają. Siły sprężyste, działające na cząstki oddalone od źródła zakłócenia, zaczynają je wytrącać z równowagi. Fale podłużne charakterystyczne tylko dla mediów gazowych i ciekłych, ale poprzeczny– także do ciał stałych: powodem tego jest to, że cząstki tworzące te ośrodki mogą się swobodnie poruszać, ponieważ nie są one sztywno zamocowane, w przeciwieństwie do ciała stałe. W związku z tym wibracje poprzeczne są zasadniczo niemożliwe.

Fale podłużne powstają, gdy cząstki ośrodka oscylują, zorientowane wzdłuż wektora propagacji zaburzenia. Fale poprzeczne rozchodzą się w kierunku prostopadłym do wektora uderzenia. W skrócie: jeśli w ośrodku odkształcenie spowodowane zaburzeniem objawia się w postaci ścinania, rozciągania i ściskania, to mówimy o ciele stałym, dla którego możliwe są zarówno fale podłużne, jak i poprzeczne. Jeśli pojawienie się zmiany jest niemożliwe, środowisko może być dowolne.

Każda fala rozchodzi się z określoną prędkością. Pod prędkość fali zrozumieć prędkość propagacji zakłócenia. Ponieważ prędkość fali jest wartością stałą (dla danego ośrodka), droga, którą przebyła fala, jest równa iloczynowi prędkości i czasu jej propagacji. Zatem, aby znaleźć długość fali, należy pomnożyć prędkość fali przez okres jej oscylacji:

Długość fali - odległość pomiędzy dwoma najbliższymi sobie punktami w przestrzeni, w której drgania występują w tej samej fazie. Długość fali odpowiada okresowi przestrzennemu fali, to znaczy odległości, jaką „pokonuje” punkt o stałej fazie w przedziale czasu równym okresowi oscylacji

Numer fali(nazywane również częstotliwość przestrzenna) jest stosunkiem 2 π radian na długość fali: przestrzenny odpowiednik częstotliwości kołowej.

Definicja: liczba fali k jest szybkością wzrostu fazy fali φ według współrzędnych przestrzennych.

3.2. Fala płaska - fala, której przód ma kształt samolotu.

Rozmiar czoła fali płaskiej jest nieograniczony, wektor prędkości fazowej jest prostopadły do ​​czoła. Fala płaska jest szczególnym rozwiązaniem równania falowego i wygodnym modelem: fala taka nie istnieje w przyrodzie, ponieważ czoło fali płaskiej zaczyna się i kończy w , co oczywiście nie może istnieć.

Równanie dowolnej fali jest rozwiązaniem równanie różniczkowe, zwana falą. Równanie falowe funkcji zapisuje się jako:

Gdzie

· - Operator Laplace'a;

· - wymagana funkcja;

· - promień wektora żądanego punktu;

· - prędkość fali;

· - czas.

powierzchnia fali - miejsce geometryczne punktów ulegających zakłóceniom uogólnionej współrzędnej w tej samej fazie. Szczególny przypadek powierzchnia fali - czoło fali.

A) Fala płaska jest falą, której powierzchnie fal są zbiorem płaszczyzn równoległych do siebie.

B) Fala sferyczna to fala, której powierzchnie fal są zbiorem koncentrycznych kul.

Promień- powierzchnia liniowa, normalna i falowa. Kierunek rozchodzenia się fali odnosi się do kierunku promieni. Jeśli ośrodek propagacji fali jest jednorodny i izotropowy, promienie są proste (a jeśli fala jest płaska, są to równoległe linie proste).

Pojęcie promienia w fizyce jest zwykle używane tylko w optyka geometryczna i akustyka, ponieważ gdy pojawiają się efekty, które nie są badane w tych kierunkach, traci się znaczenie pojęcia promienia.

3.3. Charakterystyka energetyczna fale

Ośrodek, w którym rozchodzi się fala, ma energię mechaniczną, składającą się z energii Ruch oscylacyjny wszystkie jego cząstki. Energię jednej cząstki o masie m 0 oblicza się ze wzoru: E 0 = m 0 Α 2ω 2/2. Jednostkowa objętość ośrodka zawiera n = P/m 0 cząstek (ρ - gęstość ośrodka). Dlatego jednostkowa objętość ośrodka ma energię w р = nЕ 0 = ρ Α 2ω 2 /2.

Wolumetryczna gęstość energii(W р) - energia ruchu wibracyjnego cząstek ośrodka zawarta w jednostce jego objętości:

Przepływ energii(F) - wartość równa energii przenoszonej przez falę przez daną powierzchnię w jednostce czasu:

Natężenie fali lub gęstość strumienia energii(I) - wartość równa przepływowi energii przenoszonej przez falę przez jednostkę powierzchni prostopadłą do kierunku propagacji fali:

3.4. Fala elektromagnetyczna

Fala elektromagnetyczna- proces propagacji pola elektromagnetycznego w przestrzeni.

Warunek wystąpienia fale elektromagnetyczne. Zmiany pola magnetycznego zachodzą, gdy zmienia się natężenie prądu w przewodniku, a natężenie prądu w przewodniku zmienia się, gdy zmienia się prędkość ruchu w nim ładunków elektrycznych, tj. gdy ładunki poruszają się z przyspieszeniem. W związku z tym fale elektromagnetyczne powinny powstawać w wyniku przyspieszonego ruchu ładunków elektrycznych. Gdy prędkość ładowania wynosi zero, istnieje tylko pole elektryczne. Na stała prędkośćładunek wytwarza pole elektromagnetyczne. Przy przyspieszonym ruchu ładunku emitowana jest fala elektromagnetyczna, która rozchodzi się w przestrzeni ze skończoną prędkością.

Fale elektromagnetyczne rozchodzą się w materii prędkość końcowa. Tutaj ε i μ to przenikalność dielektryczna i magnetyczna substancji, ε 0 i μ 0 to stałe elektryczne i magnetyczne: ε 0 = 8,85419·10 –12 F/m, μ 0 = 1,25664·10 –6 H/m.

Prędkość fal elektromagnetycznych w próżni (ε = μ = 1):

Główna charakterystyka Ogólnie uważa się, że promieniowanie elektromagnetyczne obejmuje częstotliwość, długość fali i polaryzację. Długość fali zależy od prędkości propagacji promieniowania. Grupowa prędkość propagacji promieniowania elektromagnetycznego w próżni jest równa prędkości światła, w innych ośrodkach prędkość ta jest mniejsza.

Promieniowanie elektromagnetyczne dzieli się zazwyczaj na zakresy częstotliwości (patrz tabela). Pomiędzy zakresami nie ma ostrych przejść, czasami nakładają się na siebie, a granice między nimi są dowolne. Ponieważ prędkość propagacji promieniowania jest stała, częstotliwość jego oscylacji jest ściśle związana z długością fali w próżni.

Interferencja fal. Spójne fale. Warunki spójności fal.

Długość ścieżki optycznej (OPL) światła. Zależność pomiędzy różnicą O.D.P. fale z różnicą faz oscylacji wywołanych przez fale.

Amplituda powstałych oscylacji w przypadku interferencji dwóch fal. Warunki maksimów i minimów amplitudy podczas interferencji dwóch fal.

Prążki interferencyjne i wzór interferencyjny na płaskim ekranie oświetlonym przez dwie wąskie, długie równoległe szczeliny: a) światło czerwone, b) światło białe.

1) INTERFERENCJA FALI- taka superpozycja fal, w której w jednych punktach przestrzeni następuje ich wzajemne wzmocnienie, stabilne w czasie, a w innych osłabienie, w zależności od zależności pomiędzy fazami tych fal.

Niezbędne warunki obserwować zakłócenia:

1) fale muszą mieć te same (lub zbliżone) częstotliwości, aby obraz powstały w wyniku superpozycji fal nie zmieniał się w czasie (lub nie zmieniał się zbyt szybko, aby można było go zarejestrować w czasie);

2) fale muszą być jednokierunkowe (lub mieć podobny kierunek); dwie prostopadłe fale nigdy nie będą kolidować (spróbuj dodać dwie prostopadłe fale sinusoidalne!). Innymi słowy, dodawane fale muszą mieć identyczne wektory falowe (lub ściśle skierowane).

Fale, dla których te dwa warunki są spełnione, nazywane są falami ZGODNY. Czasami nazywany jest pierwszy warunek spójność czasowa, drugi - spójność przestrzenna.

Rozważmy jako przykład wynik dodania dwóch identycznych sinusoid jednokierunkowych. Będziemy zmieniać jedynie ich względne przesunięcie. Innymi słowy, dodajemy dwie spójne fale, które różnią się jedynie fazami początkowymi (albo ich źródła są przesunięte względem siebie, albo jedno i drugie).

Jeśli sinusoidy zostaną umieszczone w taki sposób, że ich maksima (i minima) pokrywają się w przestrzeni, ulegną one wzajemnemu wzmocnieniu.

Jeśli sinusoidy zostaną przesunięte względem siebie o pół okresu, maksima jednego spadną na minima drugiego; sinusoidy zniszczą się nawzajem, to znaczy nastąpi ich wzajemne osłabienie.

Matematycznie wygląda to tak. Dodaj dwie fale:

Tutaj x 1 I x 2- odległość od źródeł fali do punktu w przestrzeni, w którym obserwujemy wynik superpozycji. Kwadrat amplitudy powstałej fali (proporcjonalnej do intensywności fali) jest określony wzorem:

Maksimum tego wyrażenia wynosi 4A 2, minimalna - 0; wszystko zależy od różnicy faz początkowych i tzw. różnicy dróg fali :

Kiedy w danym punkcie przestrzeni zostanie zaobserwowane maksimum interferencji, a kiedy - minimum interferencji.

W naszym prosty przykładźródła fal i punkt w przestrzeni, w którym obserwujemy interferencję, leżą na tej samej linii prostej; wzdłuż tej linii wzór interferencji jest taki sam dla wszystkich punktów. Jeśli odsuniemy punkt obserwacyjny od linii prostej łączącej źródła, znajdziemy się w obszarze przestrzeni, w którym wzór interferencji zmienia się z punktu na punkt. W tym przypadku będziemy obserwować interferencję fal o jednakowych częstotliwościach i bliskich wektorach falowych.

2)1. Długość drogi optycznej jest iloczynem długości geometrycznej d drogi fali świetlnej w danym ośrodku i bezwzględnego współczynnika załamania światła tego ośrodka n.

2. Różnica fazowa dwóch spójnych fal z jednego źródła, z których jedna przebywa długość drogi w ośrodku o absolutnym współczynniku załamania światła, a druga - długość drogi w ośrodku o absolutnym współczynniku załamania światła:

gdzie , , λ jest długością fali światła w próżni.

3) Amplituda powstałych oscylacji zależy od wielkości zwanej różnica uderzeń fale

Jeżeli różnica dróg jest równa całkowitej liczbie fal, wówczas fale docierają do punktu w fazie. Po dodaniu fale wzmacniają się wzajemnie i wytwarzają oscylację o dwukrotnie większej amplitudzie.

Jeżeli różnica dróg jest równa nieparzystej liczbie półfali, wówczas fale docierają do punktu A w przeciwfazie. W tym przypadku znoszą się one, amplituda powstałych oscylacji wynosi zero.

W innych punktach przestrzeni obserwuje się częściowe wzmocnienie lub osłabienie powstałej fali.

4) Doświadczenie Junga

W 1802 r. angielski naukowiec Tomasz Młody przeprowadził doświadczenie, w którym zaobserwował interakcję światła. Światło z wąskiej szczeliny S, spadł na ekran z dwiema blisko rozmieszczonymi szczelinami S 1 I S2. Przechodząc przez każdą ze szczelin wiązka światła rozszerzała się, a na białym ekranie wiązki światła przechodzące przez szczeliny S 1 I S2, pokrywały się. W obszarze nakładania się wiązek światła zaobserwowano wzór interferencyjny w postaci naprzemiennych pasów jasnych i ciemnych.

Implementacja interferencji światła z konwencjonalnych źródeł światła.

Interferencja światła na cienkiej folii. Warunki maksymalnej i minimalnej interferencji światła na kliszy w świetle odbitym i przechodzącym.

Prążki interferencyjne o jednakowej grubości i prążki interferencyjne o równym nachyleniu.

1) Zjawisko interferencji obserwuje się w cienkiej warstwie niemieszających się cieczy (nafty lub oleju na powierzchni wody), w bańkach mydlanych, benzynie, na skrzydłach motyli, w zmatowionych kolorach itp.

2) Zakłócenia występują, gdy początkowa wiązka światła rozdziela się na dwie wiązki, gdy przechodzi przez cienką warstwę, np. warstwę nałożoną na powierzchnię soczewek powlekanych. Promień światła przechodzący przez warstwę o grubości zostanie odbity dwukrotnie - od jej wewnętrznej i zewnętrznej powierzchni. Odbite promienie będą miały stałą różnicę faz równą dwukrotności grubości folii, co spowoduje, że promienie staną się spójne i będą interferować. Całkowite wygaszenie promieni nastąpi przy , gdzie jest długość fali. Jeśli nm, wówczas grubość folii wynosi 550:4 = 137,5 nm.