М. Фарадей установи, че силата на индукционния ток е пропорционална на скоростта на промяна на магнитния поток през повърхността, ограничена от контура:
I i ~ ΔF/Δt.
Появата на ток в затворена верига означава наличието на външни сили, чиято работа за преместване на единичен заряд във веригата се нарича електродвижеща сила (ЕМС). Това означава, че когато потокът се промени през повърхността, ограничена от затворен контур, в контура възниква ЕМП ɛ азкоето се нарича ЕМП на индукция. Според закона на Ом за затворена верига, . Следователно индукционната ЕДС е пропорционална на ΔF/Δtтъй като съпротивата Рне зависи от промените в магнитния поток.
Формулиран така:
Индукция на ЕМП ɛ азв затворен контур е равен по абсолютна стойност на скоростта на промяна на магнитния поток през повърхността, ограничена от контура:
.
Описаните по-горе експерименти показват, че електромагнитната индукция е появата на електрическо поле и електрически ток с промяна във времето магнитно полеили когато проводник се движи в магнитно поле. Тези два вида ефекти на електромагнитна индукция се различават по физическата природа на процесите, отговорни за възникването им. Първият тип се дължи на индуцирането на вихрово електрическо поле от променливо магнитно поле, вторият - на действието на силите на Лоренц върху движещи се заряди в неподвижно магнитно поле. И в двата случая основният закон на индукцията е изпълнен, изразено с формулата (
).
В материала ще разберем концепцията за индукция на ЕМП в ситуации на нейното възникване. Също така вземете предвид индуктивността като ключов параметърпоявата на магнитен поток, когато в проводника се появи електрическо поле.
Електромагнитната индукция е генерирането на електрически ток от магнитни полета, които се променят с времето. Благодарение на откритията на Фарадей и Ленц моделите бяха формулирани в закони, които въведоха симетрия в разбирането на електромагнитните потоци. Теорията на Максуел обединява знанията за електрическия ток и магнитните потоци. Благодарение на откритието на Hertz човечеството научи за телекомуникациите.
Около проводник с електрически ток се появява електромагнитно поле, но успоредно с това възниква и обратното явление - електромагнитна индукция. Помислете за магнитния поток, като използвате пример: ако се постави рамка от проводник електрическо полес индукция и го преместете отгоре надолу по магнитните силови линии или надясно или наляво перпендикулярно на тях, тогава магнитният поток, преминаващ през рамката, ще бъде постоянна стойност.
Когато рамката се върти около оста си, след известно време магнитният поток ще се промени с определена стойност. В резултат на това в рамката възниква индукционна ЕДС и електричество, което се нарича индуктивно.
Индукция на ЕМП
Нека разгледаме подробно какво представлява концепцията за ЕМП на индукция. Когато проводник се постави в магнитно поле и се движи с пресичането на силовите линии, в проводника се появява електродвижеща сила, наречена индукционна ЕМП. Това се случва и ако проводникът остане неподвижен, а магнитното поле се движи и се пресича със силовите линии на проводника.
Когато проводникът, където възниква емф, се затвори към външната верига, поради наличието на тази емф, през веригата започва да тече индукционен ток. Електромагнитната индукция включва феномена на индуциране на ЕМП в проводник в момента, в който той се пресича от линии на магнитно поле.
Електромагнитната индукция е обратният процес на трансформиране на механичната енергия в електрически ток. Тази концепция и нейните закони се използват широко в електротехниката, повечето електрически машини се основават на това явление.
Законите на Фарадей и Ленц
Законите на Фарадей и Ленц отразяват моделите на възникване на електромагнитната индукция.
Фарадей установи, че магнитните ефекти се появяват в резултат на промени в магнитния поток с течение на времето. В момента на преминаване на проводника с променлив магнитен ток в него възниква електродвижеща сила, която води до появата на електрически ток. И постоянният магнит, и електромагнитът могат да генерират ток.
Ученият установи, че интензитетът на тока се увеличава с бърза промяна в броя на силовите линии, които пресичат веригата. Тоест ЕМП на електромагнитната индукция е в пряка зависимост от скоростта на магнитния поток.
Съгласно закона на Фарадей формулите за индукционна ЕМП се дефинират, както следва:
Знакът минус показва връзката между полярността на индуцираната ЕДС, посоката на потока и променящата се скорост.
Съгласно закона на Ленц е възможно да се характеризира електродвижещата сила в зависимост от нейната посока. Всяка промяна в магнитния поток в намотката води до появата на ЕМП на индукция, а при бърза промяна се наблюдава нарастваща ЕМП.
Ако бобината, където има ЕМП на индукция, има късо съединение към външна верига, тогава през нея протича индукционен ток, в резултат на което около проводника се появява магнитно поле и бобината придобива свойствата на соленоид . В резултат на това около бобината се образува магнитно поле.
Е.Х. Ленц установи модел, според който се определя посоката на индукционния ток в бобината и индукционната ЕМП. Законът гласи, че индукционната ЕМП в намотката, когато магнитният поток се промени, образува насочен ток в намотката, при който даденият магнитен поток на намотката позволява да се избегнат промените в външния магнитен поток.
Законът на Ленц се прилага за всички ситуации на индукция на електрически ток в проводници, независимо от тяхната конфигурация и метода на промяна на външното магнитно поле.
Движение на проводник в магнитно поле
Стойността на индуцираната ЕДС се определя в зависимост от дължината на проводника, пресечен от силовите линии на полето. При по-голям брой линии на полето стойността на индуцираната ЕДС нараства. С увеличаване на магнитното поле и индукцията в проводника възниква по-голяма стойност на ЕМП. По този начин стойността на ЕМП на индукция в проводник, движещ се в магнитно поле, е пряко зависима от индукцията на магнитното поле, дължината на проводника и скоростта на неговото движение.
Тази зависимост се отразява във формулата E = Blv, където E е индукционната едс; B - стойността на магнитната индукция; I - дължина на проводника; v е скоростта на неговото движение.
Имайте предвид, че в проводник, който се движи в магнитно поле, индукционната ЕМП се появява само когато пресича линиите на магнитното поле. Ако проводникът се движи по силовите линии, тогава не се индуцира ЕМП. Поради тази причина формулата се прилага само в случаите, когато движението на проводника е насочено перпендикулярно на силовите линии.
Посоката на индуцираната ЕМП и електрически ток в проводника се определя от посоката на движение на самия проводник. За да се определи посоката, е разработено правилото за дясната ръка. Ако държите дланта на дясната си ръка по такъв начин, че силовите линии на полето да влизат в нейната посока, и палецпоказва посоката на движение на проводника, а останалите четири пръста показват посоката на индуцираната ЕМП и посоката на електрическия ток в проводника.
Въртяща се намотка
Функционирането на генератора на електрически ток се основава на въртенето на намотката в магнитен поток, където има определен брой навивки. ЕМП се индуцира в електрическа верига винаги, когато се пресича от магнитен поток, въз основа на формулата за магнитен поток Ф \u003d B x S x cos α (магнитна индукция, умножена по повърхността, през която преминава магнитният поток, и косинус на ъгъла, образуван от насочващия вектор и перпендикулярните равнинни линии).
Според формулата F се влияе от промени в ситуациите:
- когато магнитният поток се променя, векторът на посоката се променя;
- зоната, затворена в контура, се променя;
- промени в ъгъла.
Позволено е да се индуцира ЕМП със стационарен магнит или постоянен ток, но просто когато намотката се върти около оста си в магнитното поле. В този случай магнитният поток се променя с промяната на ъгъла. Намотката в процеса на въртене пресича силовите линии на магнитния поток, в резултат на което се появява ЕМП. При равномерно въртене възниква периодична промяна на магнитния поток. Освен това броят на линиите на полето, които се пресичат всяка секунда, става равен на стойностите на редовни интервали.
На практика при генераторите за променлив ток бобината остава неподвижна, а електромагнитът се върти около нея.
ЕМП самоиндукция
Когато променлив електрически ток преминава през бобината, се генерира променливо магнитно поле, което се характеризира с променящ се магнитен поток, който индуцира ЕМП. Това явлениенаречена самоиндукция.
Поради факта, че магнитният поток е пропорционален на интензитета на електрическия ток, тогава формулата за самоиндукция EMF изглежда така:
Ф = L x I, където L е индуктивността, която се измерва в H. Стойността му се определя от броя навивки на единица дължина и стойността на тяхното напречно сечение.
Взаимна индукция
Когато две бобини са разположени една до друга, те наблюдават ЕМП на взаимна индукция, която се определя от конфигурацията на двете вериги и тяхната взаимна ориентация. С увеличаване на разделянето на веригите стойността на взаимната индуктивност намалява, тъй като има намаляване на общия магнитен поток за двете намотки.
Нека разгледаме подробно процеса на възникване на взаимна индукция. Има две намотки, като през проводника на едната с N1 навивки протича ток I1, който създава магнитен поток и преминава през втората намотка с N2 навивки.
Стойността на взаимната индуктивност на втората намотка по отношение на първата:
M21 = (N2 x F21)/I1.
Стойност на магнитния поток:
F21 = (M21/N2) x I1.
Индуцираната ЕДС се изчислява по формулата:
E2 = - N2 x dФ21/dt = - M21x dI1/dt.
В първата намотка стойността на индуцираната ЕДС:
E1 = - M12 x dI2/dt.
Важно е да се отбележи, че електродвижещата сила, предизвикана от взаимна индукция в една от намотките, във всеки случай е право пропорционална на промяната в електрическия ток в другата намотка.
Тогава взаимната индуктивност се счита за равна на:
M12 = M21 = M.
Като следствие E1 = - M x dI2/dt и E2 = M x dI1/dt. M = K √ (L1 x L2), където K е коефициентът на свързване между двете стойности на индуктивност.
Взаимната индуктивност се използва широко в трансформаторите, които позволяват промяна на стойността на променлив електрически ток. Устройството представлява двойка намотки, които са навити на обща сърцевина. Токът в първата намотка образува променящ се магнитен поток в магнитната верига и ток във втората намотка. При по-малко навивки в първата намотка, отколкото във втората, напрежението се увеличава и съответно при по-голям брой навивки в първата намотка напрежението намалява.
В допълнение към генерирането и трансформирането на електрическа енергия, явлението магнитна индукция се използва в други устройства. Например при влакове с магнитна левитация, движещи се без пряк контакт с тока в релсите, но с няколко сантиметра по-високи поради електромагнитно отблъскване.
В краищата на проводника, а оттам и на тока, е необходимо да има външни сили от неелектрически характер, с помощта на които се извършва разделянето на електрическите заряди.
Сили на трети странисе наричат всички сили, действащи върху електрически заредени частици във верига, с изключение на електростатични (т.е. кулон).
Сили на трети страни задвижват заредени частици във всички източници на ток: в генератори, в електроцентрали, в галванични клетки, батерии и др.
Когато веригата е затворена, във всички проводници на веригата се създава електрическо поле. Вътре в източника на ток зарядите се движат под действието на външни сили срещу силите на Кулон (електроните се движат от положително зареден електрод към отрицателен), а в останалата част от веригата те се задвижват от електрическо поле (вижте фигурата по-горе ).
В текущите източници, в хода на работата по разделянето на заредени частици, настъпва трансформация различни видовеенергия в електричество. Според вида на преобразуваната енергия се разграничават следните видове електродвижеща сила:
- електростатични- в електрофорна машина, в която при триене механичната енергия се преобразува в електрическа;
- термоелектрически- в термоелемент вътрешната енергия на нагрята връзка на два проводника, изработени от различни метали, се преобразува в електрическа енергия;
- фотоволтаични— във фотоклетка. Тук светлинната енергия се преобразува в електрическа енергия: при осветяване на определени вещества, например селен, меден оксид (I), силиций, се наблюдава загуба на отрицателен електрически заряд;
- химически- в галванични елементи, батерии и други източници, в които химическата енергия се преобразува в електрическа.
Електродвижеща сила (ЕМП)- характеристика на източниците на ток. Концепцията за ЕМП е въведена от Г. Ом през 1827 г. за вериги с постоянен ток. През 1857 г. Кирхоф дефинира ЕМП като работа на външни сили по време на преноса на единичен електрически заряд по затворена верига:
ɛ \u003d A st / q,
където ɛ - ЕМП на източника на ток, ул- работата на външни сили, ре сумата на прехвърлената такса.
Електродвижещата сила се изразява във волтове.
Можем да говорим за електродвижеща сила във всяка част от веригата. Това е специфичната работа на външните сили (работата по преместване на единичен заряд) не в цялата верига, а само в тази област.
Вътрешно съпротивление на източника на ток.
Нека има проста затворена верига, състояща се от източник на ток (например галванична клетка, батерия или генератор) и резистор със съпротивление Р. Токът в затворена верига не се прекъсва никъде, следователно съществува и вътре в източника на ток. Всеки източник представлява известно съпротивление на тока. Нарича се вътрешно съпротивление на източника на токи се отбелязва с буквата r.
В генератора r- това е съпротивлението на намотката, в галванична клетка - съпротивлението на електролитния разтвор и електродите.
По този начин източникът на ток се характеризира със стойностите на ЕМП и вътрешното съпротивление, които определят неговото качество. Например електростатичните машини имат много висока ЕМП (до десетки хиляди волта), но в същото време вътрешното им съпротивление е огромно (до стотици Mohms). Следователно те са неподходящи за приемане на големи токове. В галваничните клетки ЕМП е само приблизително 1 V, но вътрешното съпротивление също е малко (приблизително 1 ом или по-малко). Това им позволява да получават токове, измерени в ампери.
В електротехниката захранващите устройства за електрически вериги се характеризират с електродвижеща сила (ЕМС).
Какво е ЕМП
Във външната верига на електрическата верига електрическите заряди се движат от плюса на източника към минуса и създават електрически ток. За да поддържа своята непрекъснатост във веригата, източникът трябва да има сила, която може да премества зарядите от по-нисък към по-висок потенциал. Такава сила с неелектрически произход е ЕМП на източника. Например ЕМП на галванична клетка.
Съгласно това EMF (E) може да се изчисли като:
E=A/q,където:
- A е работа в джаули;
- q - заряд в висулки.
Стойността на EMF в системата SI се измерва във волтове (V).
Формули и изчисления
ЕМП е работата, извършена от външни сили за преместване на единичен заряд през електрическа верига.
Веригата на затворена електрическа верига включва външна част, характеризираща се със съпротивление R, и вътрешна част със съпротивление на източника Rin. Продължителният ток (In) във веригата ще тече в резултат на действието на ЕМП, което преодолява както външното, така и вътрешното съпротивление на веригата.
Токът във веригата се определя по формулата (закон на Ом):
In \u003d E / (R + Rin).
В този случай напрежението на клемите на източника (U 12) ще се различава от ЕМП с размера на спада на напрежението върху вътрешното съпротивление на източника.
U 12 \u003d E - In * Rin.
Ако веригата е отворена и токът в нея е 0, тогава EMF на източника ще бъде равен на напрежението U 12.
Дизайнерите на захранващи блокове се опитват да намалят вътрешното съпротивление Rin, тъй като това може да позволи извличането на повече ток от източника.
Където е приложимо
В технологията се използват различни видове ЕМП:
- химически.Използва се в батерии и акумулатори.
- Термоелектрически.Възниква при нагряване на контактите на разнородни метали. Използва се в хладилници, термодвойки.
- Индукция.Образува се, когато проводник пресича магнитно поле. Ефектът се използва в електродвигатели, генератори, трансформатори.
- Фотоволтаични.Използва се за създаване на фотоклетки.
- Пиезоелектричен.Когато материалът е разтегнат или компресиран. Използва се за производство на сензори, кварцови осцилатори.
По този начин ЕМП е необходим за поддържане на постоянен ток и намира приложение в различни видоветехнология.
Във физиката понятието електродвижеща сила(съкратено - ЕМП) се използва като основна енергийна характеристика на източниците на ток.
Електродвижеща сила (ЕМП)
Електродвижеща сила (ЕМП) - способността на източника на енергия да създава и поддържа потенциална разлика върху клемите.
ЕМП- измерено във волтове
Напрежението на клемите на източника винаги е по-малко ЕМПот спада на напрежението.
Електродвижеща сила
U RH = E – U R0
U RH е напрежението на клемите на източника. Измерено при затворена външна верига.
E - EMF - измерено фабрично.
Електродвижеща сила (ЕМП) е физическа величина, която е равна на частното от делението на работата, която при преместване на електрически заряд се извършва от външни сили в затворена верига, към самия този заряд.
трябва да бъде отбелязано че електродвижеща силав източника на ток възниква и при отсъствие на самия ток, т.е. когато веригата е отворена. Тази ситуация обикновено се нарича "неактивен", както и самата стойност ЕМПкогато е равна на разликата в онези потенциали, които са налични на клемите на източника на ток.
Химическа електродвижеща сила
химически електродвижеща силаприсъства в батерии, галванични батерии в хода на корозионни процеси. В зависимост от принципа, на който е изградена работата на конкретен източник на енергия, те се наричат или батерии, или галванични клетки.
Една от основните отличителни характеристики на галваничните елементи е, че тези източници на ток са, така да се каже, за еднократна употреба. По време на тяхната експлоатация, активни вещества, поради което се отделя електрическа енергия, в резултат на химични реакции те се разпадат почти напълно. Ето защо, ако галваничният елемент е напълно разреден, тогава вече не е възможно да се използва като източник на ток.
За разлика от галваничните клетки, батериите са за многократна употреба. Това е възможно, тъй като протичащите в тях химични реакции са обратими.
електромагнитна електродвижеща сила
електромагнитни ЕМПвъзниква по време на работа на устройства като динамо, електродвигатели, дросели, трансформатори и др.
Същността му е следната: когато проводниците се поставят в магнитно поле и се движат в него по такъв начин, че магнитните силови линии да се пресичат, възниква насочване. ЕМП. Ако веригата е затворена, тогава в нея възниква електрически ток.
Във физиката описаното по-горе явление се нарича електромагнитна индукция. електродвижеща сила, която се индуцира в този случай, се нарича ЕМПиндукция.
Трябва да се отбележи, че посочването ЕМПИндукцията възниква не само в случаите, когато проводникът се движи в магнитно поле, но и когато той остава неподвижен, но в същото време се променя величината на самото магнитно поле.
Фотоелектрична електродвижеща сила
Този сорт електродвижеща силавъзниква, когато има външен или вътрешен фотоелектричен ефект.
Във физиката фотоелектричният ефект (фотоелектричният ефект) означава онази група от явления, която възниква, когато светлината въздейства върху веществото и в същото време в него се излъчват електрони. Това се нарича външен фотоелектричен ефект. Ако обаче се появи електродвижеща силаили електрическата проводимост на дадено вещество се променя, тогава говорят за вътрешен фотоелектричен ефект.
Сега външните и вътрешните фотоелектрични ефекти се използват много широко за проектиране и производство на огромен брой такива приемници на светлинно лъчение, които преобразуват светлинните сигнали в електрически. Всички тези устройства се наричат фотоклетки и се използват както в техниката, така и в различни научни изследвания. По-специално, фотоклетките се използват за извършване на най-обективни оптични измервания.
Електростатична движеща сила
Що се отнася до този тип електродвижеща сила, то, например, възниква при механично триене, което се случва в електрофорни устройства (специални лабораторни демонстрационни и спомагателни устройства), също така се случва в гръмотевични облаци.
Генераторите Wimshurst (това е друго име за електрофорни машини) използват такова явление като електростатична индукция за тяхната работа. По време на тяхната работа електрическите заряди се натрупват на полюсите, в бурканите на Leyden, а потенциалната разлика може да достигне много значителни стойности (до няколкостотин хиляди волта).
Естеството на статичното електричество е, че то възниква, когато поради загуба или придобиване на електрони вътрешномолекулното или вътрешноатомното равновесие е нарушено.
Пиезоелектрична електродвижеща сила
Този сорт електродвижеща силавъзниква, когато се получи притискане или разтягане на вещества, наречени пиезоелектрици. Те се използват широко в дизайни като пиезоелектрични сензори, кристални осцилатори, хидрофони и някои други.
Това е пиезоелектричният ефект, който е в основата на работата на пиезоелектричните сензори. Самите те принадлежат към сензорите от така наречения генераторен тип. При тях входът е приложената сила, а изходът е количеството електроенергия.
Що се отнася до устройства като хидрофони, тяхната работа се основава на принципа на така наречения директен пиезоелектричен ефект, който имат пиезокерамичните материали. Същността му се състои в това, че ако върху повърхността на тези материали се приложи звуково налягане, тогава на техните електроди се появява потенциална разлика. Освен това то е пропорционално на големината на звуковото налягане.
Една от основните области на приложение на пиезоелектричните материали е производството на кварцови осцилатори, които имат кварцови резонатори в своя дизайн. Такива устройства са предназначени да приемат колебания със строго фиксирана честота, които са стабилни както във времето, така и при температурни промени, а също така имат много ниско ниво на фазов шум.
Термионна електродвижеща сила
Този сорт електродвижеща силавъзниква, когато топлинното излъчване на заредени частици възниква от повърхността на нагретите електроди. Термионното излъчване се използва доста широко в практиката, например работата на почти всички радиолампи се основава на него.
Термоелектрическа електродвижеща сила
Този сорт ЕМПвъзниква, когато в различни краища на различни проводници или просто в различни части на веригата температурата е разпределена много неравномерно.
термоелектрически електродвижеща силаизползвани в устройства като пирометри, термодвойки и хладилни машини. Сензорите, чиято работа се основава на това явление, се наричат термоелектрически и всъщност са термодвойки, състоящи се от електроди, запоени заедно, направени от различни метали. Когато тези елементи се нагряват или охлаждат, a ЕМП, което е пропорционално на промяната на температурата.
