Закон электромагнитной индукции — формула

Правильное понимание физических процессов упрощает создание электрических машин, трансформаторов, других устройств. Рассмотренный ниже закон электромагнитной индукции формула помогает решать успешно различные практические задачи. Его применяют для расчетов опытные профессионалы и начинающие радиолюбители.

Электродвигатель выполняет свои функции на основе закона индукции

Явление электромагнитной индукции

Первые опыты в соответствующей области делал датчанин Эрстед. В 1821 году он обнаружил отклонение стрелки магнитного компаса, поднесенной к проводнику с электрическим током. Однако смысл отмеченных проявлений был сформулирован позднее.

Схемы опытов

Эксперименты заинтересовали Фарадея, который предположил возможность создания устройства для генерации энергии. В первой установке два проводника ученый разместил на небольшом расстоянии. Через один – с помощью вольтова столба подавал ток. Однако стрелка компаса, установленная возле второй цепи, никак не реагировала на такие действия.

В нижней части рисунка изображен второй (успешный) опыт Фарадея. Две катушки обеспечивают более сильное взаимодействие полей, поэтому измерение не вызвало больших затруднений. Прибор показал изменение напряжения в контрольном контуре.

Данное явление наблюдалось при следующих действиях:

• включение/выключение источника тока;
• перемещение катушек;
• изменение скорости движения функциональных компонентов.

В 1831 году экспериментатор опубликовал вывод. Эта формулировка используется для определения базовых условий и зависимостей: «В замкнутом контуре изменяющийся магнитный поток создает электродвижущую силу». Отдельно были отмечены следующие особенности:

• отрицательное значение ЭДС;
• зависимость разницы потенциалов от скорости, с которой изменяется магнитное воздействие.

Несложно догадаться о том, что вращением рамки в магнитном поле обеспечивают генерацию электроэнергии

Опыты Фарадея стали основой для создания других известных изделий:

• электродвигателей;
• индукционных варочных панелей (плавильных печей);
• трансформаторов;
• измерительных приборов.

Магнитный поток

Для практических расчетов, кроме сути явления, нужны соответствующие формулы (правила). Определение магнитного потока (Ф) базируется на векторном выражении индукции (В). Значение этого параметра зависит от площади контрольной площадки (S) и угла наклона силовых линий (α). Зависимости можно выражать следующим образом:

Ф = В * S * cos α.

Если обеспечить прямой угол между поверхностью и вектором индукции, множитель cosα исключается. Для такого расположения с применением стандартов СИ будет формулироваться следующее определение: единица магнитного потока (Вебер, Вб) равна индукции поля 1 Тесла (Тл), которая пронизывает площадку 1 м кв.

Закон электромагнитной индукции Фарадея

Отрицательное значение ЭДС – это обозначение противоположного знака по отношению к изменению Ф. Если скажут «запишите формулу закона электромагнитной индукции», следует не забывать о динамической природе рассматриваемого явления. Ниже приведены примеры для вычисления основных электрических параметров:

• ЭДС одиночного контура E1 = — (ΔФ/Δt), где Δt – временной интервал;
• при создании конструкции из N витков EN = — N*(ΔФ/Δt);
• ток в проводнике (замкнутый контур с электрическим сопротивлением R) I = E/R;
• движущийся со скоростью v проводник длиной D создает ЭДС E = В * D * v * sin α.

Правило Ленца

Описание этого правила базируется на принципах классического закона сохранения энергии. Направление созданного индукцией тока определяет создание поля, препятствующего изменению внешнего магнитного потока. Именно этим объясняется появление минуса в основной формуле Фарадея.

Правило «правой руки» для проводника с током

Самоиндукция

Этим термином обозначают образование индуктивной ЭДС, если через проводник пропустить переменный ток. В соответствии с изложенным выше правилом Ленца, это явление сопровождается обратным воздействием на источник. Определенная задержка сопровождает увеличение/ уменьшение силы тока.

Эксперимент с параллельными элементами (катушкой индукции, резистором) покажет соответствующее замедление. Для наглядности в соответствующие цепи можно установить два индикатора (лампы накаливания). Рассчитать ЭДС самоиндукции можно по формуле:

Ec = -L*(ΔI/Δt).

Индуктивность

В предыдущем разделе отмечены особенности нового параметра – индуктивности. Фактически это корректирующий множитель, определяющий величину магнитного потока при прохождении через проводник тока:

Ф = L*I или L= Ф/I.

Единица измерения – 1 генри, в соответствии с правилами СИ, равна 1 Вб/ 1А. Величина L зависит от размеров, количества витков, материала сердечника индукционной катушки.

Энергия магнитного поля

Если продолжить эксперименты с индуктивностью и последовательно подсоединенной лампой, можно наблюдать интересное явление. После отключения источника питания образуется кратковременная вспышка, которую вызвала ЭДС самоиндукции. Соответствующая энергия (W) накоплена магнитным полем катушки. Ее можно вычислить с применением следующей формулы:

W = (L * I2)/2.

ЭДС индукции в проводнике

Возникновение электродвижущей силы объясняется разной природой: при движении проводника – силой Лоренца, в статичном положении – воздействием электромагнитного поля на свободные электроны.

Паразитная индукция и тепловые потери

Рассмотренные явления могут применяться с пользой для разогрева кухонной посуды или плавки различных материалов. Однако в трансформаторах и электродвигателях паразитные вихревые индукционные токи – это негативное явление. Кроме прямых энергетических потерь, увеличивается вероятность аварийных ситуаций. При слишком высокой температуре повреждается изоляция.

Расслоение электромагнита

Уменьшают негативные проявления с помощью особых «наборных» конструкций. Если объединить несколько пластин, обеспечивается взаимная компенсация полей.

Принцип конструкции из нескольких слоев

При правильном расчете потери уменьшают (2) до 1-2% от уровня, который создает цельный аналог (1).

Паразитные потери в катушках индуктивности

Размеры проводника также имеют значение. Крупные элементы образуют паразитные токи, так как в определенном положении распределение линий магнитного поля неравномерно.

Пояснение к появлению в катушке паразитных токов

На рисунке схематично показаны различные силовые характеристики поля для участков по линиям a-b и c-d, соответственно. При уменьшении размеров проводника снижаются энергетические потери. В некоторых устройствах этот параметр определят класс энергетической эффективности.

Законы электролиза

Фарадей сформулировал закон электролиза в 30-х годах 19 века. Эти правила применяют для воспроизведения соответствующих технологических процессов на производстве и в домашних условиях. В математическом виде зависимости можно представить следующим образом:

m = (q/F) * (М/V),

где:

• m – масса вещества, которое осаждается на рабочей пластине в процессе электролиза;
• q – суммарный заряд;
• F – постоянная Фарадея = 96, 485,33;
• M – молярная масса;
• V – количество элементарных зарядов на единичный ион (валентность).

Первый закон Фарадея для электролиза определяет пропорциональность осажденного вещества затраченной электроэнергии. Из базовой формулы понятно, что для этого случая существенное значение имеет пропущенный заряд (q).

Второй закон Фарадея устанавливает зависимость между количеством осажденного вещества и его свойствами. Для этой части определения подразумевается неизменный расход электроэнергии при электролизе разных материалов.

Основные формулы раздела «Электромагнитная индукция»

Для упрощения расчетов ниже приведены алгоритмы тематических вычислений:

• закон магнитной индукции – E = — (ΔФ/Δt);
• магнитный поток – Ф = В * S * cos α;
• закон ЭДС для движущегося проводника – Ev = В * D * v * sin α;
• электродвижущая сила самоиндукции катушки – Ec = -L*(ΔI/Δt);
• магнитный поток (индуктивность) – Ф = L*I (L= Ф/I);
• энергия, которую в соответствии с законом индукции накапливает катушка, – W = (L * I2)/2.

Как использовать приведенные формулы на практике, рассказано выше. В расчетах следует учитывать определенное значение электрических параметров, скорость перемещения и геометрию проводника.

Видео

Автор:

Гaличeв Илья Виктoрoвич